基于WiFi模块的IPMC驱动的仿生蟹设计与实现

李政勋 王译锋 张熙 赵乾淇

摘要：针对IPMC的实际应用范围小的问题，提出基于WiFi模块的离子聚合物金属复合材料（IPMC）驱动的仿生蟹的研究。制备IPMC，将其用作仿生蟹的动力装置。本文使用嵌入式WiFi模块ESP8266控制单片机对IPMC进行驱动，将仿生蟹用于水下探测，扩展IPMC实际应用范围。

关键词：IPMC应用;ESP8266;仿生蟹

1、前言

随着经济的不断进步，现代工业的发展也加快了脚步，随之而来产生的问题就是工业生产中对机器的材料性能要求越来越高。因此，现在世界各国都在对材料的性能进行优化，并且研制出越来越多的新型材料，智能材料就是其中的一种。IPMC是一种新型电致动人工肌肉材料[1] ，但现在对其的研究主要是制备工艺，对IPMC的应用研究少之又少，因此扩大其应用范围是未来的主要目标。本文将IPMC用于动力装置对于推动IPMC的实际应用有着参考意义。

2、实验部分

2.1实验材料

2.2实验方法

IPMC膜的制作：使用Nafion膜作为基膜，先使用砂纸打磨的方法将基膜表面打磨粗糙，再用去离子水进行超声波洗涤将杂质清除，再将基膜浸入氢氧化钠溶液中一段时间，将基膜转化为钠离子型离子交换膜。用硝酸银溶液与氨水制备银氨溶液，随后将Nafion膜浸入银氨溶液中进行搅拌，使银氨离子替换膜上的钠离子，通过加入还原剂使银氨离子还原成银离子，在内部的银氨离子还原成银单质形成内部电极，表面银氨离子被还原成外部银电极。最终制备出银基IPMC。为保证膜的质量需要再进行一次化学镀处理。

2.3系统框架设计

此系统将实现水下探测的功能。系统主要由电源模块、中央处理模块、WiFi模块、GP2Y0A21YK0F传感器构成。用户通过手机WLAN连接到ESP8266模块通过手机APP控制仿生蟹进行前进、后退、左转、右转，并通过GP2Y0A21YK0F传感器将探测位移反馈到手机APP上。仿生蟹的外壳通过Pro/Engineer进行建模再由3D打印制作。总体设计方案框架如图1所示。

2.4系统硬件设计

1.电源模块：选择驱动电压为5.5V的STC12C5A60S2单片机，因此采用装有2节3V电池的电池盒作为电源。由于IPMC样条驱动电压一般不超过3V，因此采用 LM2576S-ADJ稳压器件（能有效保护电路）为IPMC样条提供稳定2.5V驱动电压。稳压电路如图2所示。

2.WiFi模块：802.11 协议是 IEEE802-r 作组定义的第一个被国际认可的无线局域网协议，具有可移动性 WIFI 协议的无线局域网，采用动态拓扑结构且与终端易建立联系[2] 。本文选择乐鑫公司的ESP8266模块。该模块可以在-40℃¬¬—+85℃环境中工作符合大部分应用场景，并且支持UART Mode。

3.中央处理模块：数据处理模块采用的是STC12C5A60S2 单片机。STC12C5A60S2 单片机是一种兼容 51 内核的 8 位单片机，内含有 1280 字节的随机存取数据存储器和 60K 字节的可反复擦写 Flash 只读程序存储器。这种单片机属于 8051 单片机，但是是一种较为新型的机型，具有一系列的优点，比如具有高速和低功耗特性。在优点中还具有同时抗干扰能力和处理速度是传统 8051 的 8-12 倍，因此在滿足兼容传统的 8051 代码要求上集成了 MAX810 特用复位电路 2 路 PWM8 路高速 10 位 A/D转换，广泛运用于目前的很多电子产品中[3] 。

4.GP2Y0A2IYKOE传感器：GP2Y0A2IYKOE是一种由位置敏感探测器（PSD）、红外发射二极管（IRED）和信号处理电路集成组成的测距传感器单元。由于采用了三角测量法，使得目标反射率、环境温度和工作时间的变化不易影响距离检测，该装置输出的电压与检测距离相对应。

2.5软件设计

当系统工作时，打开WiFi和连接设备，之后选择设备连接WiFi，打开手机APP按下运动状态键，WiFi模块接收数据，将指令发送给单片机，单片机输出信号控制开关通断，仿生蟹根据当前指令进行运动，直至下一个指令到达或退出连接。系统流程如图3所示。

3、总结

本文设计了由WiFi模块控制IPMC运动的仿生蟹探测系统，系统具有水下测距的功能。本文详细说明了系统内部模块功能，并对系统的硬件及软件设计进行说明。对系统进行测试后得出系统内部模块可以稳定运行，可以使用手机进行远程控制的结论。对于IPMC的实际应用范围进行扩展，对IPMC的发展有着参考意义。

参考文献：

[1] .杜野，梁博，张鹏等.多孔Nafion膜离子聚合物金属复合材料的制备及性能 %J 高分子材料科学与工程[J].2019，35（07）：132-140.

[2] .乔世民，廖翔，陈维佳等.基于WIFI的智能衣柜系统 %J 电子制作[J].2019（17）：38-40.

[3] .袁永超，邓炯锋.基于STC12C5A60S2单片机的汽车防盗装置研究 %J 计算机产品与流通[J].2019（07）：178.

基金项目：

大学生创新创业训练计划项目（201910214309）

作者简介：

李政勋（1999-），男，黑龙江省绥化市人，在读本科生，专业为机械电子工程。

（作者单位：哈尔滨理工大学荣成校区）