基于WiFi模塊的IPMC驅(qū)動的仿生蟹設(shè)計與實現(xiàn)

李政勛 王譯鋒 張熙 趙乾淇

摘要：針對IPMC的實際應(yīng)用范圍小的問題，提出基于WiFi模塊的離子聚合物金屬復(fù)合材料（IPMC）驅(qū)動的仿生蟹的研究。制備IPMC，將其用作仿生蟹的動力裝置。本文使用嵌入式WiFi模塊ESP8266控制單片機(jī)對IPMC進(jìn)行驅(qū)動，將仿生蟹用于水下探測，擴(kuò)展IPMC實際應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：IPMC應(yīng)用;ESP8266;仿生蟹

1、前言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展也加快了腳步，隨之而來產(chǎn)生的問題就是工業(yè)生產(chǎn)中對機(jī)器的材料性能要求越來越高。因此，現(xiàn)在世界各國都在對材料的性能進(jìn)行優(yōu)化，并且研制出越來越多的新型材料，智能材料就是其中的一種。IPMC是一種新型電致動人工肌肉材料[1] ，但現(xiàn)在對其的研究主要是制備工藝，對IPMC的應(yīng)用研究少之又少，因此擴(kuò)大其應(yīng)用范圍是未來的主要目標(biāo)。本文將IPMC用于動力裝置對于推動IPMC的實際應(yīng)用有著參考意義。

2、實驗部分

2.1實驗材料

2.2實驗方法

IPMC膜的制作：使用Nafion膜作為基膜，先使用砂紙打磨的方法將基膜表面打磨粗糙，再用去離子水進(jìn)行超聲波洗滌將雜質(zhì)清除，再將基膜浸入氫氧化鈉溶液中一段時間，將基膜轉(zhuǎn)化為鈉離子型離子交換膜。用硝酸銀溶液與氨水制備銀氨溶液，隨后將Nafion膜浸入銀氨溶液中進(jìn)行攪拌，使銀氨離子替換膜上的鈉離子，通過加入還原劑使銀氨離子還原成銀離子，在內(nèi)部的銀氨離子還原成銀單質(zhì)形成內(nèi)部電極，表面銀氨離子被還原成外部銀電極。最終制備出銀基IPMC。為保證膜的質(zhì)量需要再進(jìn)行一次化學(xué)鍍處理。

2.3系統(tǒng)框架設(shè)計

此系統(tǒng)將實現(xiàn)水下探測的功能。系統(tǒng)主要由電源模塊、中央處理模塊、WiFi模塊、GP2Y0A21YK0F傳感器構(gòu)成。用戶通過手機(jī)WLAN連接到ESP8266模塊通過手機(jī)APP控制仿生蟹進(jìn)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，并通過GP2Y0A21YK0F傳感器將探測位移反饋到手機(jī)APP上。仿生蟹的外殼通過Pro/Engineer進(jìn)行建模再由3D打印制作?？傮w設(shè)計方案框架如圖1所示。

2.4系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.電源模塊：選擇驅(qū)動電壓為5.5V的STC12C5A60S2單片機(jī)，因此采用裝有2節(jié)3V電池的電池盒作為電源。由于IPMC樣條驅(qū)動電壓一般不超過3V，因此采用 LM2576S-ADJ穩(wěn)壓器件（能有效保護(hù)電路）為IPMC樣條提供穩(wěn)定2.5V驅(qū)動電壓。穩(wěn)壓電路如圖2所示。

2.WiFi模塊：802.11 協(xié)議是 IEEE802-r 作組定義的第一個被國際認(rèn)可的無線局域網(wǎng)協(xié)議，具有可移動性 WIFI 協(xié)議的無線局域網(wǎng)，采用動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)且與終端易建立聯(lián)系[2] 。本文選擇樂鑫公司的ESP8266模塊。該模塊可以在-40℃??—+85℃環(huán)境中工作符合大部分應(yīng)用場景，并且支持UART Mode。

3.中央處理模塊：數(shù)據(jù)處理模塊采用的是STC12C5A60S2 單片機(jī)。STC12C5A60S2 單片機(jī)是一種兼容 51 內(nèi)核的 8 位單片機(jī)，內(nèi)含有 1280 字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器和 60K 字節(jié)的可反復(fù)擦寫 Flash 只讀程序存儲器。這種單片機(jī)屬于 8051 單片機(jī)，但是是一種較為新型的機(jī)型，具有一系列的優(yōu)點，比如具有高速和低功耗特性。在優(yōu)點中還具有同時抗干擾能力和處理速度是傳統(tǒng) 8051 的 8-12 倍，因此在滿足兼容傳統(tǒng)的 8051 代碼要求上集成了 MAX810 特用復(fù)位電路 2 路 PWM8 路高速 10 位 A/D轉(zhuǎn)換，廣泛運用于目前的很多電子產(chǎn)品中[3] 。

4.GP2Y0A2IYKOE傳感器：GP2Y0A2IYKOE是一種由位置敏感探測器（PSD）、紅外發(fā)射二極管（IRED）和信號處理電路集成組成的測距傳感器單元。由于采用了三角測量法，使得目標(biāo)反射率、環(huán)境溫度和工作時間的變化不易影響距離檢測，該裝置輸出的電壓與檢測距離相對應(yīng)。

2.5軟件設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)工作時，打開WiFi和連接設(shè)備，之后選擇設(shè)備連接WiFi，打開手機(jī)APP按下運動狀態(tài)鍵，WiFi模塊接收數(shù)據(jù)，將指令發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)輸出信號控制開關(guān)通斷，仿生蟹根據(jù)當(dāng)前指令進(jìn)行運動，直至下一個指令到達(dá)或退出連接。系統(tǒng)流程如圖3所示。

3、總結(jié)

本文設(shè)計了由WiFi模塊控制IPMC運動的仿生蟹探測系統(tǒng)，系統(tǒng)具有水下測距的功能。本文詳細(xì)說明了系統(tǒng)內(nèi)部模塊功能，并對系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計進(jìn)行說明。對系統(tǒng)進(jìn)行測試后得出系統(tǒng)內(nèi)部模塊可以穩(wěn)定運行，可以使用手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的結(jié)論。對于IPMC的實際應(yīng)用范圍進(jìn)行擴(kuò)展，對IPMC的發(fā)展有著參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] .杜野，梁博，張鵬等.多孔Nafion膜離子聚合物金屬復(fù)合材料的制備及性能 %J 高分子材料科學(xué)與工程[J].2019，35（07）：132-140.

[2] .喬世民，廖翔，陳維佳等.基于WIFI的智能衣柜系統(tǒng) %J 電子制作[J].2019（17）：38-40.

[3] .袁永超，鄧炯鋒.基于STC12C5A60S2單片機(jī)的汽車防盜裝置研究 %J 計算機(jī)產(chǎn)品與流通[J].2019（07）：178.

基金項目：

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201910214309）

作者簡介：

李政勛（1999-），男，黑龍江省綏化市人，在讀本科生，專業(yè)為機(jī)械電子工程。

（作者單位：哈爾濱理工大學(xué)榮成校區(qū)）