[发明专利]一种基于PVC凝胶人工肌肉驱动的仿生鱼尾结构

说明书

本发明公开了一种基于PVC凝胶人工肌肉驱动的仿生鱼尾结构，包括多关节仿生鱼尾骨架和多个PVC凝胶人工肌肉驱动模组，以及尾鳍，尾端和蒙皮等附属组成。仿生鱼尾骨架由预压块，关节轴，和安装槽构成；PVC凝胶人工肌肉的驱动模组由多个PVC凝胶驱动单元组成，其中阳极，PVC凝胶膜和阴极组成一个PVC凝胶驱动单元；两个PVC凝胶驱动模组和一节仿生鱼尾骨架构成一个驱动关节；通过左右交替驱动弯曲变形，从而产生摆动。

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种基于PVC凝胶人工肌肉驱动的仿生鱼尾结构。

背景技术

随着我国水下探索技术的高速发展，军事、生活、文化领域对水下航行器需求的日益增长，基于新材料、新结构的新型的水下航行机器人研究迎来了更加蓬勃的发展。水下机器人作为一种现代水下高技术仪器设备的集成体，其在军事、民用、科研等领域中都拥有广阔的应用前景与极大的潜在价值。传统的仿生水下机器人主要使用电机驱动，其优点是驱动力大、控制方便，但存在结构复杂、动作生硬、柔性不高以及噪声大等缺点，较难以真正地实现鱼类游动的高效率和高隐蔽性。

人工肌肉是一种能感知外部刺激的新型功能材料，在外加电场、温度场或溶液离子浓度场作用下可以发生变形，并能承受一定的载荷，故其可实现驱动功能，同时具有质量轻、造价低廉等特点，在机械、医疗、军工等领域逐渐拥有一定的应用。使用柔性智能材料作为仿生机器鱼的驱动器，可使得仿生机器鱼以较为简单的结构较好地实现微型化、高柔性、低噪声的要求，逐步成为了水下仿生机器人的主要发展趋势。典型人工肌肉材料例如介电弹性体材料(Dielectric Elastomer，简称DE)和离子聚合物～金属复合材料(IonicPolymer～Metal Composites，简称IPMC)等的研究比较普遍，相比而言，IPMC材料具有驱动电压低(1～5V)、柔性、轻质、生物相容性好等优点，但是驱动力较小，响应速度较慢；DE材料具有输出力大，响应速度快等优点,但是高达数千伏的工作电压且容易击穿的缺点使得其难以在软体机器人的驱动中推广使用。PVC凝胶(Poly vinylchloride～ge1，PVC～gel)也是是一种新型人工肌肉材料，具有高应变(13％以上)，响应速度快(0～100Hz)，工作频带宽，质量轻，工作电压介于离子聚合物和介电弹性体之间，驱动力大(100N)，非常适合于仿生机器人驱动设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于PVC凝胶人工肌肉驱动的仿生鱼尾结构，利用PVC凝胶人工肌肉设计一种新型仿生鱼尾，可广泛用于水下仿生机器鱼领域。

本发明采用以下技术方案：

一种基于PVC凝胶人工肌肉驱动的仿生鱼尾结构，包括多关节仿生鱼尾骨架，多关节仿生鱼尾骨架由多个关节通过转动轴依次串联构成，多关节仿生鱼尾骨架的两侧对称设置有PVC凝胶人工肌肉驱动模组，PVC凝胶人工肌肉驱动模组外部设置有蒙皮，多关节仿生鱼尾骨架的最后一个骨架关节通过尾端与尾鳍固定连接，通过对左右两侧的PVC凝胶人工肌肉驱动模组交替加载电压实现仿生鱼尾的左右摆动。

具体的，PVC凝胶驱动单元包括PVC凝胶薄膜，PVC凝胶薄膜设置在阳极和阴极之间，多个PVC凝胶驱动单元叠加设置构成PVC凝胶人工肌肉驱动模组，阳极和阴极分别经引线从尾端处引出。

进一步的，PVC凝胶薄膜的制备过程如下：

采用聚合度3600的PVC颗粒，与塑化剂己二酸二丁酯以质量比1：(1～14)的比例混合，混合后再添加四氢呋喃进行稀释，混合物与四氢呋喃的质量比为1：(1～14)，最后通过铸膜方式制备厚度20～300μm的PVC凝胶薄膜。

进一步的，PVC凝胶薄膜为片状结构，厚度为20～300um，阳极上导电网格状结构，厚度为20～200um，目数为50～200目，阴极为柔性平面电极，厚度小于20um。

更进一步的，PVC凝胶薄膜为矩形、椭圆或仿生弧线形状。