基于IPMC驱动的仿生眼球设计及制造

论文摘要

IPMC （Ionic polymer-metal composites）是一种新型智能材料。它是通过化学镀的方法在离子聚合物的表面形成金属电极制备获得的。在其两侧表面电极施加低电压时,可产生较大的变形。利用这一特性,IPMC材料可以用作驱动器,将电能转化成机械能。与传统的驱动器相比,它具有耗能少、无噪音、结构简单、质量轻等优点。本文针对上述IPMC的特点,设计和制造了两种以IPMC为驱动器的仿生眼球。其主要内容包括驱动器制备、眼球的结构设计和相应的控制器的设计。1、制备IPMC驱动器。通过在浇铸的TEOS改性Nafion膜上沉积金属铂制备出仿生眼球驱动所需的IPMC。2、针对IPMC驱动器的优点和其对水环境具有依赖性,设计和制造了两种仿生眼球的结构:一维仿生眼球和二维仿生眼球。一维仿生眼球,实现眼球一维的左右摆动,由透明外壳、眼球、IPMC、电极以及基板构成。二维仿生眼球可以实现眼球的上下和左右运动,由透明外壳、眼球、弹簧、IPMC、定位块、电极以及基板构成。测试了IPMC空载驱动及驱动眼球两种工况下的位移性能并分析了影响驱动效果的因素。一维眼球运动摆角大约达到33.4°,二维眼球上下运动摆角大约达到25.2°,左右运动摆角大约达到30.4°。试验结果表明,IPMC作为仿生眼球驱动器是可行的。3、为了满足IPMC驱动的需要和实现驱动的便携性,进行了控制器的设计。该控制器主要由ATmega16L单片机和D/A数模转换芯片组成,能产生驱动IPMC双向摆动时所需的频率和幅值可调的双极性正弦波和方波,并且具有多通道分时控制功能。通过示波器对该控电路的波形切换、调频和调幅功能进行了检测,验证了其可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 IPMC 材料简介
• 1.3 国内外IPMC 的研究状况
• 1.3.1 IPMC 致动机理
• 1.3.2 IPMC 制备工艺及性能提高
• 1.3.3 IPMC 表面封装状况
• 1.3.4 IPMC 应用研究
• 1.4 仿生眼球的驱动方式简介
• 1.5 课题的来源和研究意义
• 1.5.1 课题的来源
• 1.5.2 研究目的和意义
• 1.5.3 本课题的主要研究工作
• 第二章 IPMC 的制备
• 2.1 IPMC 制备原理
• 2.2 实验材料及设备
• 2.3 具体的实验步骤
• 2.3.1 浇铸Nafion 膜
• 2.3.1.1 Nafion 成膜原理
• 2.3.1.2 浇铸Nafion 膜实验工艺
• 2.3.1.3 粗化Nafion 膜
• 2.3.2 离子吸附
• 2.3.3 主化学镀
• 2.3.4 次化学镀
• 2.3.5 离子交换
• 2.4 本章小结
• 第三章 IPMC 驱动仿生眼球的设计及制造
• 3.1 仿生眼球的设计
• 3.1.1 一维驱动仿生眼球的总体设计
• 3.1.2 一维驱动仿生眼球的零部件设计
• 3.1.3 二维驱动仿生眼球的总体设计
• 3.1.4 二维驱动仿生眼球的零部件设计
• 3.2 仿生眼球的制造
• 3.2.1 一维和二维驱动眼球的制造
• 3.2.2 基板夹紧装置的制造
• 3.2.3 其他零部件的制造
• 3.3 本章小结
• 第四章 仿生眼球测试及结论
• 4.1 测试平台
• 4.1.1 电信号发生模块
• 4.1.2 位移测试模块
• 4.2 测试结果及分析
• 4.2.1 一维仿生眼球
• 4.2.2 二维仿生眼球
• 4.2.2.1 弹簧刚度对输出位移的影响
• 4.2.2.2 二维驱动眼球的位移输出
• 4.3 本章小结
• 第五章 IPMC 驱动材料控制器的设计
• 5.1 IPMC 驱动材料控制器的整体设计
• 5.2 IPMC 驱动材料控制器的电路原理
• 5.2.1 波形的产生原理
• 5.2.2 主控芯片ATmega16L 单元
• 5.2.2.1 ATmega16L 简介
• 5.2.2.2 控制器中ATmega16L 的电路连接
• 5.2.3 频率调整模块
• 5.2.4 双极性电压发生模块
• 5.2.5 波形幅值调整模块
• 5.2.6 电源模块
• 5.2.7 LCD1602 显示模块
• 5.2.8 JTAG AVR 下载器
• 5.3 软件程序设计
• 5.3.1 ICCAVR 简介
• 5.3.2 AVR Studio 简介
• 5.4 测试结果
• 5.5 本章小结
• 第六章总结和展望
• 6.1 本文的主要工作总结
• 6.2 工作展望
• 6.2.1 制备和封装方面的展望
• 6.2.2 应用方面的展望
• 6.2.3 控制方面的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文