本發(fā)明涉及新型柔性智能材料驅(qū)動器、水質(zhì)檢測、機器人控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于電致動聚合物驅(qū)動的水質(zhì)監(jiān)測機器人，主要用于淡水養(yǎng)殖領(lǐng)域的水質(zhì)監(jiān)測。

背景技術(shù)：

我國淡水資源總量達2.8萬億立方米，在世界排名第四。淡水養(yǎng)殖是改善糧食短缺的重要途徑之一。我國的淡水養(yǎng)殖行業(yè)具有分布廣、產(chǎn)量大、逐年增長的特點，以2014年為例，全國水產(chǎn)品總產(chǎn)量6461.52萬噸，占世界水產(chǎn)品總產(chǎn)量的39.3％；淡水產(chǎn)品產(chǎn)量3165.30萬噸，占全國水產(chǎn)品總產(chǎn)量的49％。

水質(zhì)對淡水養(yǎng)殖的產(chǎn)品質(zhì)量影響極大。水產(chǎn)品對所在水環(huán)境的各項主要水質(zhì)指標有一個較適范圍的要求，比如溶解氧含量的范圍為5-8mg/L，PH值的較適范圍為6.5-9.0，溫度的較適范圍為15-30℃；而某些水質(zhì)指標超出較適范圍時水產(chǎn)品的生長狀況將受嚴重抑制，比如當(dāng)氨含量高于0.02ppm大部分水生動物會死亡，余氯含量高于0.02ppm時會強烈腐蝕魚蝦粘膜，溶解氧含量長期低于3mg/L時水產(chǎn)動物生長減緩，長期高于12mg/L時魚類又會患氣泡病。

目前，大部分淡水養(yǎng)殖戶雖然意識到了水質(zhì)對水產(chǎn)品的重要性，但是憑借肉眼觀察、經(jīng)驗判斷缺乏科學(xué)依據(jù)，極易主觀化。因此，采用專門的水質(zhì)檢測儀器對水質(zhì)進行監(jiān)測成為必要。

現(xiàn)有的水質(zhì)檢測儀器按規(guī)模大小可以分為便攜式水質(zhì)檢測儀、大中型水質(zhì)分析儀、水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)有便攜式水質(zhì)檢測儀雖然攜帶方便，可隨時采樣檢測，但其檢測的水質(zhì)參數(shù)極為有限，且通常為單點、單區(qū)域測試，測量點依賴人為放置，因此難以對淡水養(yǎng)殖的水域進行全面的評估；大中型水質(zhì)分析儀雖然可檢測的指標數(shù)量多，對水質(zhì)的整體評價較為全面，但是價格高昂且難以移動，對于小型養(yǎng)殖戶來說會大幅度增加養(yǎng)殖成本，因此難以滿足養(yǎng)殖戶的實際需求；水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)雖然能對水域的水質(zhì)實時監(jiān)控，但只能定點連續(xù)采樣，具有區(qū)域局限性，且同樣面臨價格高昂不便攜帶的問題。因此針對淡水養(yǎng)殖開發(fā)便攜式小型水質(zhì)監(jiān)測機器人就顯得尤為必要?，F(xiàn)有的機器人的所用的驅(qū)動系統(tǒng)大部分是傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、耗能大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明展示了一種基于電致動聚合物驅(qū)動的水質(zhì)監(jiān)測機器人，它能夠連續(xù)檢測淡水養(yǎng)殖水域的水質(zhì)參數(shù)，監(jiān)控水下情況并且傳回終端，對超標水質(zhì)進行提前警報；同時采用功耗低的驅(qū)動器，引領(lǐng)低耗發(fā)展、綠色發(fā)展的潮流。

為達到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于電致動聚合物驅(qū)動的水質(zhì)監(jiān)測機器人，適用于淡水養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)測，所述水質(zhì)監(jiān)測機器人包括：殼體與遙控器，所述殼體上安裝有電源、遙控模塊、驅(qū)動模塊、檢測模塊、監(jiān)控模塊、無線傳輸模塊、報警模塊以及控制模塊；所述控制模塊分別連接所述電源、遙控模塊、驅(qū)動模塊、檢測模塊、監(jiān)控模塊、無線傳輸模塊以及報警模塊；所述遙控器通過遙控模塊控制水質(zhì)監(jiān)測機器人運動；所述電源為所述水質(zhì)監(jiān)測機器人供電；所述驅(qū)動模塊包括電致動聚合物驅(qū)動器和避障模塊；所述殼體上設(shè)有足部突沿和/或一個尾部突沿；所述足部突沿的數(shù)量至少為一對，所述電致動聚合物驅(qū)動器分別安裝在足部突沿與尾部突沿上。

所述電致動聚合物驅(qū)動器包括至少一片片狀的電致動聚合物材料，A電極與B電極，所述A電極分別固定在所述足部突沿與尾部突沿的外側(cè)面上，所述A電極與所述電致動聚合物材料一側(cè)接觸，所述電致動聚合物材料另一側(cè)與B電極接觸，所述A電極、電致動聚合物材料以及B電極固定在所述足部突沿和所述尾部突沿上。

所述電致動聚合物材料為離子聚合物-金屬復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物或巴基凝膠。

所述避障模塊為超聲波避障模塊或紅外線避障模塊。

所述無線傳輸模塊為藍牙模塊或zigbee模塊。

所述殼體由聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛樹脂、氨基塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、尼龍、光敏樹脂中的一種或多種制成。

所述檢測模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器、溶解氧傳感器以及PH傳感器，所述溫度傳感器通過溫度檢測電路連接控制模塊，所述濕度傳感器通過濕度檢測電路連接控制模塊，所述溶解氧傳感器通過溶解氧檢測電路連接控制模塊，所述PH傳感器通過PH檢測電路連接控制模塊。

所述監(jiān)控模塊包括攝像頭或紅外線熱成像模塊。

所述電源的輸出電壓小于10V，所述控制模塊包括單片機或PLC控制器。

所述控制模塊通過所述無線傳輸模塊將檢測的水質(zhì)參數(shù)傳輸至終端顯示器，所述報警模塊包括蜂鳴器，當(dāng)水質(zhì)參數(shù)超出設(shè)定的范圍時會發(fā)出警報。

本發(fā)明的有益效果有：擯棄現(xiàn)有剛性機器人復(fù)雜的驅(qū)動機構(gòu)，利用新型電致動聚合物制作驅(qū)動模塊實現(xiàn)機器人游動，既能很大程度上減輕機器人的重量，又能通過低耗能的驅(qū)動方式，引領(lǐng)低耗發(fā)展、綠色發(fā)展的潮流。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的電氣部分的連接圖。

圖2為仿海龜型水質(zhì)監(jiān)測機器人的殼體。

圖3為驅(qū)動器足部的爆炸圖，將A電極、IPMC、B電極按次序固定在下殼體的足部突沿或尾部突沿上。

圖4為一種IPMC驅(qū)動的仿海龜型水質(zhì)監(jiān)測機器人的模型。

圖5為一種IPMC驅(qū)動的仿巴西龜型水質(zhì)監(jiān)測機器人的模型。

圖6為一種IPMC驅(qū)動的船型水質(zhì)監(jiān)測機器人的下殼體模型。

圖7為一種IPMC驅(qū)動的船型水質(zhì)監(jiān)測機器人的右前足部局部示意圖。

圖8為水質(zhì)監(jiān)測機器人的制作流程。

其中，1為仿海龜型水質(zhì)監(jiān)測機器人的龜蓋；2為仿海龜型水質(zhì)監(jiān)測機器人的下殼體；2-1為足部突沿或尾部突沿；3為液晶顯示屏；4為51單片機；5為電致動聚合物材料；5a-1為左前足；5a-2為右前足；5b-1為左后足；5b-2為右后足；5c為尾部；6為蜂鳴器；7為溫度傳感器；8為藍牙模塊；9為PH傳感器；10為濁度傳感器；11為手機；12為仿巴西龜型水質(zhì)監(jiān)測機器人的下殼體；13為船型水質(zhì)監(jiān)測機器人的下殼體；14為PDMS紙；A為A電極；B為B電極。

具體實施方式

為了更好的了解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

一種基于電致動聚合物驅(qū)動的水質(zhì)監(jiān)測機器人，適用于淡水養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)測。水質(zhì)監(jiān)測機器人包括：殼體與遙控器，殼體上安裝有電源、驅(qū)動模塊、監(jiān)測模塊、監(jiān)控模塊、無線傳輸模塊、報警模塊以及控制模塊。

殼體，用于承載各個模塊并在水中行駛。其形狀可以為仿海龜型、仿巴西龜型、船型或其他封閉殼體形狀；可以通過3D打印獲得，或是先設(shè)計相應(yīng)模具再通過模具成型獲得，所用的材料可選自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛樹脂、氨基塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯、尼龍、光敏樹脂等輕型塑料。殼體的制作材質(zhì)同時應(yīng)滿足密度盡量小、不滲水、不與水反應(yīng)、強度相對較大等原則。仿海龜型與仿巴西龜型的殼體包括龜蓋和下殼體，龜蓋上設(shè)有龜紋。

如圖1所示，控制模塊分別連接電源、遙控模塊、驅(qū)動模塊、檢測模塊、監(jiān)控模塊、無線傳輸模塊以及報警模塊；遙控器通過遙控模塊控制水質(zhì)監(jiān)測機器人運動。驅(qū)動模塊包括電致動聚合物驅(qū)動器和避障模塊，用于提供動力驅(qū)動機器人前行或轉(zhuǎn)彎。

殼體上設(shè)有足部突沿和/或一個尾部突沿；足部突沿的數(shù)量至少為一對，電致動聚合物驅(qū)動器分別安裝在足部突沿與尾部突沿上。電致動聚合物驅(qū)動器包括至少一片片狀的電致動聚合物材料，A電極與B電極。足部突沿與安裝在其上面的電致動聚合物材料、A電極、B電極構(gòu)成足部；尾部突沿與安裝在其上面的電致動聚合物材料、A電極、B電極構(gòu)成尾部。足部和尾部通過在水中運動推進機器人直線游動或轉(zhuǎn)彎。足部對稱分布在殼體的兩側(cè)(左右或前后)，尾部分布在殼體的后側(cè)。

電致動聚合物驅(qū)動器所需的電致動聚合物材料可以選自但不限于離子聚合物-金屬復(fù)合材料(IPMC)、導(dǎo)電聚合物(CP)、巴基凝膠。

避障模塊用于測定到障礙物的距離，為機器人運動提供避障信號，足部一側(cè)運動一側(cè)靜止使得殼體產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩從而轉(zhuǎn)彎。避障模塊可選自超聲波避障模塊、紅外線避障模塊。測定范圍為正前方90°內(nèi)10-50cm。

檢測模塊用于檢測各種水質(zhì)指標。檢測模塊至少包括溫度傳感器、濕度傳感器、溶解氧傳感器以及PH傳感器，溫度傳感器通過溫度檢測電路連接控制模塊，濕度傳感器通過濕度檢測電路連接控制模塊，溶解氧傳感器通過溶解氧檢測電路連接控制模塊，PH傳感器通過PH檢測電路連接控制模塊。各傳感器直接接觸水環(huán)境，將檢測到的信號經(jīng)由各相應(yīng)模塊傳送至控制模塊轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的水質(zhì)指標，最終由無線傳輸模塊將水質(zhì)指標傳輸至終端顯示器。

無線傳輸模塊可選自藍牙模塊、zigbee模塊，主要將得到的水質(zhì)指標參數(shù)傳輸至終端顯示器；當(dāng)水域面積小于100m²時選用藍牙模塊，當(dāng)水域面積大于100m²時選用zigbee模塊。

控制模塊用于控制各個模塊實現(xiàn)功能?？刂颇K可選自單片機控制系統(tǒng)或PLC控制系統(tǒng)。遙控器，用于手動控制機器人的運動。當(dāng)通過遙控器控制時，遙控運動優(yōu)先于自動運動。

監(jiān)控模塊可選自攝像頭模塊、紅外線熱成像模塊，主要對水產(chǎn)品生命狀況、種群密度及其他物種情況進行監(jiān)控。警報模塊為蜂鳴器模塊，當(dāng)水質(zhì)指標超出所設(shè)定的參考范圍時，蜂鳴器將鳴響警報同時在終端顯示器顯示超標的水質(zhì)指標，并提醒改善水質(zhì)以及提供初步改善水質(zhì)的方案。

電源，用于對機器人各個模塊供電以實現(xiàn)功能；電源輸出電壓在10V以下，可選用5V可充電干電池、鋰電池。

實施例1

本實施例提供一種IPMC驅(qū)動的仿海龜型水質(zhì)監(jiān)測機器人，是以IPMC材料制作驅(qū)動模塊的，即可檢測溫度、PH值、濁度三項水質(zhì)指標，又可實現(xiàn)直線游動。

本實施例的仿海龜型水質(zhì)監(jiān)測機器人制作流程如圖8所示。具體實施方式如下：

(1)控制模塊：控制模塊為51單片機電路板，51單片機的型號為STC89C52，電路板上設(shè)置有通訊供電口、電源開關(guān)、ZIP芯片座、蜂鳴器接口、藍牙模塊接口、8對5V電源引出等。各個模塊或是焊接在控制模塊相應(yīng)接口上如蜂鳴器，或是通過杜邦線連接在相應(yīng)接口上如檢測模塊、電源、驅(qū)動模塊等，或是直接插在相應(yīng)接口上如藍牙模塊。通過編程并導(dǎo)入單片機，再由單片機控制整個系統(tǒng)的運行。

(2)檢測模塊：檢測模塊由防水型DS18b20溫度傳感器、雷磁E-201-C可充式PH傳感器、濁度傳感器和相應(yīng)檢測電路組成，各傳感器分別與相應(yīng)檢測電路連接，各相應(yīng)檢測電路通過杜邦線再與AD/DA轉(zhuǎn)換模塊、51單片機電路板的相應(yīng)接口連接，可以檢測水域的溫度信號、PH值信號、濁度信號。

(3)無線傳輸模塊：無線傳輸模塊為HC-05主從機一體藍牙模塊，將其插入51單片機電路板的藍牙模塊接口，工作時可將檢測到的水質(zhì)指標通過藍牙模塊傳輸至終端顯示器。

(4)警報模塊：警報模塊為蜂鳴器，直接焊在51單片機電路板的蜂鳴器接口上，當(dāng)水質(zhì)指標超出：

i).15℃<T<35℃；

ii).6.5<PH<9；

其中的任意一項，蜂鳴器將蜂鳴報警。

(5)電源：電源由3節(jié)7號南孚電池安裝在電池盒中構(gòu)成，電池盒安裝在殼體上，正極引線先連接一個開關(guān)再接單片機的VCC接口，負極直接接單片機的GND接口，對整個水質(zhì)監(jiān)測機器龜系統(tǒng)進行供電，其中開關(guān)安裝在殼體外部。

(6)殼體：根據(jù)以上各個模塊，初步計算水質(zhì)監(jiān)測機器龜硬件的重量及體積，結(jié)合烏龜外殼，設(shè)計殼體的形狀、尺寸。殼體由龜蓋和下殼體組成，龜蓋的輪廓尺寸為300mm×230mm×30mm，下殼體輪廓尺寸為240mm×200mm×53mm。龜蓋上表面設(shè)置有陰刻龜紋，下殼體設(shè)置有4個足部突沿和1個尾部突沿，尾部突沿和足部突沿的尺寸保持一致，皆為20mm×3mm×15mm(長×寬×高)。

3D打印得到殼體，打印材料是光敏樹脂，其密度約為1.3g/cm³，殼體總重為320g。仿海龜型水質(zhì)監(jiān)測機器人的龜蓋1結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(7)驅(qū)動模塊：驅(qū)動模塊仿照海龜?shù)乃闹臀舶陀?個足部1個尾部構(gòu)成，足部和尾部的電致動聚合物材料皆由1片片狀的鍍Pd型IPMC材料構(gòu)成，其尺寸為5mm×35mm，制作方法參照專利ZL201110085960.9，名稱為《鈀電極型離子聚合物-金屬復(fù)合材料的制備工藝》。

i)、制作帶杜邦線的電極：用剝線鉗將杜邦線一頭剝出金屬絲，用電焊臺將杜邦線露出金屬絲的一頭焊在銅箔膠帶上，帶杜邦線的電極初步制作完畢，注意焊接質(zhì)量，共制作10份。再將裁剪成片狀，5份作為A電極，5份作為B電極。

ii)、先將A電極粘貼在足部和尾部的突沿側(cè)面，再讓IPMC與A電極接觸，接著讓B電極與IPMC接觸，B電極的長度方向與A電極的長度方向垂直，最后通過絕緣膠帶將A電極、IPMC、B電極固定至突沿上，如圖3所示，圖中2-1為足部突沿或尾部突沿，5為電致動聚合物材料。

iii)、將10根杜邦線的另一端分別接在單片機開發(fā)板的相應(yīng)接口上。

(8)終端顯示器：可以是任意一款智能手機、平板電腦、筆記本電腦、臺式電腦、液晶顯示屏；所述報警模塊包括蜂鳴器，當(dāng)水質(zhì)參數(shù)超出設(shè)定的范圍時會發(fā)出警報。在手機上安裝和藍牙模塊配套的相應(yīng)APP軟件后，打開藍牙、軟件，和藍牙模塊連接后便可在終端顯示溫度、PH值和濁度三項水質(zhì)指標。

將所有模塊皆按順序安裝在下殼體的相應(yīng)位置上，再將龜蓋與下殼體鉚合，水質(zhì)監(jiān)測機器龜組裝完畢。打開開關(guān)，將其放入水中便可開始檢測三項水質(zhì)指標，通過手機連接上藍牙模塊后便可在手機上顯示這三項水質(zhì)指標。

如圖4所示，仿海龜型水質(zhì)監(jiān)測機器人的下殼體2內(nèi)部安裝有51單片機4，液晶顯示器3，蜂鳴器6，藍牙模塊8，仿海龜型水質(zhì)監(jiān)測機器人的下殼體的外側(cè)壁上安裝有左前足5a-1，右前足5a-2，左后足5b-1以及右后足5b-2，尾部5c。仿海龜型水質(zhì)監(jiān)測機器人的下殼體上還設(shè)有溫度傳感器7、PH傳感器9以及濁度傳感器10；將龜蓋與下殼體鉚合后下水，上述傳感器對水質(zhì)的相應(yīng)參數(shù)進行檢測然后傳遞給51單片機，51單片機經(jīng)由藍牙模塊將信息傳遞給手機11進行顯示。

實施例2

本實施例一種IPMC驅(qū)動的仿巴西龜型水質(zhì)監(jiān)測機器人除殼體足部突沿、尾部突沿、驅(qū)動模塊、控制模塊的程序，其余與實施例1一致，如圖5所示。

殼體：仿巴西龜型水質(zhì)監(jiān)測機器人的下殼體12設(shè)置有4個足部突沿和1個尾部突沿，足部突沿和尾部突沿的尺寸不同，足部尺寸為20mm×3mm×30mm(長×寬×高)，尾部尺寸為20mm×3mm×15mm(長×寬×高)。

驅(qū)動模塊：驅(qū)動模塊仿照巴西龜由4個足部和1個尾巴構(gòu)成，足部的電致動聚合物材料由3片片狀的鍍Pd型IPMC材料構(gòu)成，尾部的電致動聚合物材料由一片片狀的鍍Pd型IPMC材料構(gòu)成，其尺寸均為5mm×35mm。

實施例3

一種IPMC驅(qū)動的船型水質(zhì)監(jiān)測機器人除殼體、驅(qū)動模塊、控制模塊的程序，其余與實施例1一致。

船型水質(zhì)監(jiān)測機器人殼體：船型水質(zhì)監(jiān)測機器人下殼體13的設(shè)計如圖6所示。

驅(qū)動模塊：該模型只有4個足部突沿，無尾部突沿。各足部突沿的尺寸保持一致，皆為20mm×30mm×3mm(長×寬×高)。每個足部的電致動聚合物材料由3片片狀的鍍Pd型IPMC材料粘貼在PDMS紙14上，如圖7所示。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。