专利名称：基于ipmc驱动的三自由度仿生眼的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种智能材料的应用，具体涉及一种采用智能材料IPMC (离子聚合物-金属复合材料)驱动的视觉仿生器件。
背景技术：
通过模拟生物眼来构建人工视觉系统，使其具有类似于生物眼睛的特征或功能，称之为仿生眼。目前，仿生眼在医疗、机器人、电子检测等领域都具有重要应用。到目前为止，关于仿生眼的研究已引起了国内外学者的关注，申请号为200720106951.2和200810060006.2的专利文献公开了有关仿生眼的研究成果，通过并联气动技术采用六个人工肌肉代替人类眼睛三对肌肉的结构来模拟人类眼睛的运动形态。申请号为201010126955.3和201210075047.5的专利文献提出一种三自由度并联机构来模拟人眼的运动方式，通过三个电机带动丝杆螺母，控制动平台的姿态，以确定眼睛的姿态。虽然上述结构在一定的程度上实现了人眼的功能，但都存在结构复杂，体积较大，运动方式单一等缺点，广泛应用存在一定困难。新型智能材料一IPMC的出现，为仿生眼的设计提供了一种全新思路。这种材料具有传感-致动的双向机电转换功能，兼具质量轻、柔韧性好、反应迅速，施加1-3V的电压能产生大的弯曲变形等特点，作为驱动器已应用于动物脚掌、人体手臂，仿生鱼等仿生领域。申请号为201110009203.3的专利文献通过作为驱动结构，提出了两种仿生眼球:一种是采用IPMC结构驱动一体化的一维摆动仿生眼球；另一种是弹簧支撑的能够实现上下左右二维运动的仿生眼球。然而这两种仿生眼球过于简单，实现的运动单一，且不能长时间在空气中使用，未能完全体现IPMC材料的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用片状2D (二维)_IPMC驱动器作为底部驱动结构，利用柱状3D (三维)-1PMC驱动器作为眼球驱动结构，经过封装制成的仿生眼。为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的:一种基于IPMC驱动的三自由度仿生眼，其特征在于，包括基座，该基座上表面设有一个往下凹进的腔体，该腔体底面上至少布置三个引伸至基座外侧面的平面对电极，每个对电极都与一个2D-1PMC驱动器片的引出对电极连接，该多个2D-1PMC驱动器片的自由端在腔体底面上规则排列；一个尺寸稍小于腔体、形状与腔体相同的底板的下表面固定在所述多个2D-1PMC驱动器片自由端上，该底板的中心设有孔，通过孔内壁设置的至少两个孔对电极连接一个柱状3D-1PMC驱动器的引出对电极端，该柱状3D-1PMC驱动器的另一端与一个半圆形眼球相连，该半圆形眼球外设置有一个与眼球同轴的球冠保护壳。上述方案中，所述基座由方形的基板与固定架通过四角的连接孔连接而成，所述固定架为一框架，其内腔与基板上表面构成向上开放的腔体，腔体底面，也即基板和固定架之间的连接面上预先贴有四个平面对电极，每个平面对电极均处于固定架边框靠近连接孔的位置，并贯通边框内外；每个平面对电极均连接一个2D-1PMC驱动器片的引出对电极，该2D-1PMC驱动器片的自由端伸进腔体内，与其连接电极的边框保持垂直，与相邻边框保持平行。所述底板为正方形板结构，底板下面各边边缘处开有相互贯通的驱动器固定槽，槽的宽度比2D-1PMC驱动器片的宽度稍大，底板下表面与2D-1PMC驱动器片自由端连接时，该四个固定槽刚好将四个2D-1PMC驱动器片自由端卡住。所述柱状3D-1PMC驱动器为正四棱柱状结构。与现有技术相比，本发明的优点是:I)利用2D-1PMC驱动器的弯曲变形特性，通过巧妙的设计将弯曲运动转化为直线运动，实现仿生眼的“凸起”运动。2)当向每个对电极施加不同的电压时，柱形3D-1PMC驱动器会产生多种弯曲形态，进而实现眼睛的上视、下视、侧视以及斜视功能。3)3D_IPMC材料采用铸膜技术铸造，2D和3D-1PMC材料均经过封装工艺处理，可以增加在空气中的使用期限。本发明通过2维和3维的IPMC悬臂的简单结构，就能实现仿生眼模拟眼睛的多种运动形态，为仿生眼的普及应用提供了可能，具有很强的实际应用价值。
图1为本发明三自由度仿生眼结构剖面图。图2为本发明三自由度仿生眼一个具体实施例的三维分解图。图3为图2仿生眼中基座固定架结构三维图(底面)。图4为图2仿生眼中底板结构三维图(底面)。图1到图4中:1、基板，2、底板，3、螺钉，4、螺母，5、平面对电极，6、眼球，7、球冠保护壳，8、3D-1PMC驱动器柱，9、孔对电极，10、固定架，1U2D-1PMC驱动器片，12、腔体，13、驱
动器固定槽。图5为本发明三自由度仿生眼另一个具体实施例的三维分解图。图6为图5仿生眼中圆形基板I的结构三维图。图7为图5仿生眼中底板2的结构三维图(底面)。
具体实施例方式以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。实施例一参考图1，图2，一种基于IPMC驱动的三自由度仿生眼，包括凸起运动组件:基板1、固定架10、平面对电极5、四片2D-1PMC驱动器片11和底板2 ;球面运动组件:一根3D-1PMC驱动器柱(正四棱柱)、孔对电极9、半圆形的眼球6 (顶部可放置微型摄像头)及球冠保护壳7。正方形基板和固定架(框架结构)通过四角的螺钉3、螺母4连接为一体，并形成往下凹进的腔体12。由于基板和固定架属于结构件，可采用硬质材料(比如聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)。腔体底面，也即基板和固定架之间的连接面上预先贴有四个平面对电极5(两个铜电极，一个贴于基板上面、一个贴于固定架下面)，每个平面对电极均处于固定架边框靠近螺钉孔的位置，并贯通边框内外(图3)。每个平面对电极均连接一个长条形2D-1PMC驱动器片的引出对电极，该2D-1PMC驱动器片的自由端伸进腔体内，与其连接对电极的边框保持垂直，与相邻边框保持平行。然后将一块正方形底板2 (尺寸小于固定架内腔)固定在四个2D-1PMC驱动器片自由端上，通过3D-1PMC驱动器柱8连接球面运动组件。根据IPMC驱动器的变形特点，当对平面对电极5施加正向直流电压时，四片2D-1PMC驱动器同时产生弯曲运动，会把连接于其自由端上的底板2和球面运动组件托起，弯曲运动转化为直线运动，可实现眼球的“凸起”运动。底板可采用低密度的轻质材料(t匕如发泡聚苯乙烯PS)，可减少自身重力对驱动器驱动效果的影响。为了实现本发明仿生眼功能，3D-1PMC驱动器柱8所需要的较厚的Nafion膜按专利文献(申请号201210361131.3) “IPMC材料中Nafion膜的回收与重铸工艺”所述工艺铸造；为了使上述仿生眼能长期在空气中使用，本发明2D和3D-1PMC材料均采用专利文献(申请号201110255830.5) “一种IPMC驱动器的封装工艺”所述方法进行封装处理。参考图4，底板2为正方形板结构，下面各边边缘处开有相互贯通的驱动器固定槽13，槽的宽度比2D-1PMC驱动器片的宽度稍大，底板装配时，该四个固定槽13刚好将四个2D-1PMC驱动器片自由端卡住，可防止2D-1PMC驱动器弯曲变形时发生侧偏。底板中间开有方孔，方孔大小与3D-1PMC驱动器柱8截面尺寸保持一致。方孔内用硅胶贴有两个孔对电极9 (图1)，每个孔对电极之间保持不接触。将3D-1PMC驱动器柱8的引出对电极端插入带有孔对电极的基板方孔内，另一端与装有微型摄像头的眼球6连接。将球冠保护壳7固定于基板2上，且与眼球6同轴，目的为了保护眼球。眼球和球冠保护壳均可采用低密度的轻质材料PS。当向孔对电极9施加不同幅值(1-3V)和频率(0.1-1OHz)的正弦电压信号时，正四棱柱形3D-1PMC驱动器会产生多种弯曲形态，进而带动眼球实现眼睛的上视、下视、侧视以及斜视等复杂功能。实施例二参考图5，另一种基于IPMC驱动的三自由度仿生眼，该实施例中基板I和底板2均为圆形(图6、图7)，固定架为环形。该实施例中，基板和固定架之间的连接面上预先贴有6个平面对电极5沿基板(环形固定架)周向均匀分布，并贯通固定架环形内外。每个平面对电极均连接一个长条形2D-1PMC驱动器片的引出对电极，该2D-1PMC驱动器片的自由端伸进腔体内，并指向圆心。沿底板周向均匀分布6个矩形槽，槽的宽度比2D-1PMC驱动器片的宽度稍大，底板下表面与2D-1PMC驱动器片自由端连接时，该矩形槽刚好将2D-1PMC驱动器片自由端卡住。其他安装方式、材料等与实施例一相同。本发明不局限于以上实施例，例如，如采用圆形基板和底板，则平面对电极5的数目可在3-12之间选择，相应3 12个2D-1PMC驱动器片沿基板与环形固定架周向均匀分布即可。
权利要求
1.一种基于IPMC驱动的三自由度仿生眼，其特征在于，包括基座，该基座上表面设有一个往下凹进的腔体，该腔体底面上至少布置三个引伸至基座外侧面的平面对电极，每个对电极都与一个2D-1PMC驱动器片的引出对电极连接，该多个2D-1PMC驱动器片的自由端在腔体底面上规则排列；一个尺寸稍小于腔体、形状与腔体相同的底板的下表面固定在所述多个2D-1PMC驱动器片自由端上，该底板的中心设有孔，通过孔内壁设置的至少两个孔对电极连接一个柱状3D-1PMC驱动器的引出对电极端，该柱状3D-1PMC驱动器的另一端与一个半圆形眼球相连，该半圆形眼球外设置有一个与眼球同轴的球冠保护壳。
2.如权利要求1所述的基于IPMC驱动的三自由度仿生眼，其特征在于，所述基座由方形的基板与固定架通过四角的连接孔连接而成，所述固定架为一框架，其内腔与基板上表面构成向上开放的腔体，腔体底面，也即基板和固定架之间的连接面上预先贴有四个平面对电极，每个平面对电极均处于固定架边框靠近连接孔的位置，并贯通边框内外；每个平面对电极均连接一个2D-1PMC驱动器片的引出对电极，该2D-1PMC驱动器片的自由端伸进腔体内，与其连接电极的边框保持垂直，与相邻边框保持平行。
3.如权利要求2所述的基于IPMC驱动的三自由度仿生眼，其特征在于，所述底板为正方形板结构，底板下面各边边缘处开有相互贯通的驱动器固定槽，槽的宽度比2D-1PMC驱动器片的宽度稍大，底板下表面与2D-1PMC驱动器片自由端连接时，该四个固定槽刚好将四个2D-1PMC驱动器片自由端卡住。
4.如权利要求1所述的基于IPMC驱动的三自由度仿生眼，其特征在于，所述柱状3D-1PMC驱动器为正四棱柱状结构。
全文摘要
本发明公开了一种基于IPMC驱动的三自由度仿生眼，其特征在于，包括基座，该基座上表面设有一个往下凹进的腔体，该腔体底面上至少布置三个引伸至基座外侧面的平面对电极，每个对电极都与一个2D-IPMC驱动器片的引出对电极连接，该多个2D-IPMC驱动器片的自由端在腔体底面上规则排列；一个尺寸稍小于腔体、形状与腔体相同的底板的下表面固定在所述多个2D-IPMC驱动器片自由端上，该底板的中心设有孔，通过孔内壁设置的至少两个孔对电极连接一个柱状3D-IPMC驱动器的引出对电极端，该柱状3D-IPMC驱动器的另一端与一个半圆形眼球相连，该半圆形眼球外设置有一个与眼球同轴的球冠保护壳。
文档编号A63H3/40GK103143176SQ201310077130
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月12日 优先权日2013年3月12日
发明者陈花玲, 王延杰, 王永泉, 朱子才, 常龙飞, 刘磊 申请人:西安交通大学