基于WiFi模塊的IPMC驅動的仿生蟹設計與實現

李政勛 王譯鋒 張熙 趙乾淇

摘要：針對IPMC的實際應用范圍小的問題，提出基于WiFi模塊的離子聚合物金屬復合材料（IPMC）驅動的仿生蟹的研究。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控制單片機對IPMC進行驅動，將仿生蟹用于水下探測，擴展IPMC實際應用范圍。

關鍵詞：IPMC應用;ESP8266;仿生蟹

1、前言

隨著經濟的不斷進步，現代工業的發展也加快了腳步，隨之而來產生的問題就是工業生產中對機器的材料性能要求越來越高。因此，現在世界各國都在對材料的性能進行優化，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] ，但現在對其的研究主要是制備工藝，對IPMC的應用研究少之又少，因此擴大其應用范圍是未來的主要目標。本文將IPMC用于動力裝置對于推動IPMC的實際應用有著參考意義。

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，再用去離子水進行超聲波洗滌將雜質清除，再將基膜浸入氫氧化鈉溶液中一段時間，將基膜轉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，在內部的銀氨離子還原成銀單質形成內部電極，表面銀氨離子被還原成外部銀電極。最終制備出銀基IPMC。為保證膜的質量需要再進行一次化學鍍處理。

2.3系統框架設計

此系統將實現水下探測的功能。系統主要由電源模塊、中央處理模塊、WiFi模塊、GP2Y0A21YK0F傳感器構成。用戶通過手機WLAN連接到ESP8266模塊通過手機APP控制仿生蟹進行前進、后退、左轉、右轉，并通過GP2Y0A21YK0F傳感器將探測位移反饋到手機APP上。仿生蟹的外殼通過Pro/Engineer進行建模再由3D打印制作。總體設計方案框架如圖1所示。

2.4系統硬件設計

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

2.WiFi模塊：802.11 協議是 IEEE802-r 作組定義的第一個被國際認可的無線局域網協議，具有可移動性 WIFI 協議的無線局域網，采用動態拓撲結構且與終端易建立聯系[2] 。本文選擇樂鑫公司的ESP8266模塊。該模塊可以在-40℃??—+85℃環境中工作符合大部分應用場景，并且支持UART Mode。

3.中央處理模塊：數據處理模塊采用的是STC12C5A60S2 單片機。STC12C5A60S2 單片機是一種兼容 51 內核的 8 位單片機，內含有 1280 字節的隨機存取數據存儲器和 60K 字節的可反復擦寫 Flash 只讀程序存儲器。這種單片機屬于 8051 單片機，但是是一種較為新型的機型，具有一系列的優點，比如具有高速和低功耗特性。在優點中還具有同時抗干擾能力和處理速度是傳統 8051 的 8-12 倍，因此在滿足兼容傳統的 8051 代碼要求上集成了 MAX810 特用復位電路 2 路 PWM8 路高速 10 位 A/D轉換，廣泛運用于目前的很多電子產品中[3] 。

4.GP2Y0A2IYKOE傳感器：GP2Y0A2IYKOE是一種由位置敏感探測器（PSD）、紅外發射二極管（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，使得目標反射率、環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。

2.5軟件設計

當系統工作時，打開WiFi和連接設備，之后選擇設備連接WiFi，打開手機APP按下運動狀態鍵，WiFi模塊接收數據，將指令發送給單片機，單片機輸出信號控制開關通斷，仿生蟹根據當前指令進行運動，直至下一個指令到達或退出連接。系統流程如圖3所示。

3、總結

本文設計了由WiFi模塊控制IPMC運動的仿生蟹探測系統，系統具有水下測距的功能。本文詳細說明了系統內部模塊功能，并對系統的硬件及軟件設計進行說明。對系統進行測試后得出系統內部模塊可以穩定運行，可以使用手機進行遠程控制的結論。對于IPMC的實際應用范圍進行擴展，對IPMC的發展有著參考意義。

參考文獻：

[1] .杜野，梁博，張鵬等.多孔Nafion膜離子聚合物金屬復合材料的制備及性能 %J 高分子材料科學與工程[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 %J 電子制作[J].2019（17）：38-40.

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

基金項目：

大學生創新創業訓練計劃項目（201910214309）

作者簡介：

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

（作者單位：哈爾濱理工大學榮成校區）