一種基于電致動聚合物驅動的水質監測機器人的制作方法

本發明涉及新型柔性智能材料驅動器、水質檢測、機器人控制領域，尤其涉及一種基于電致動聚合物驅動的水質監測機器人，主要用于淡水養殖領域的水質監測。

背景技術：

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

水質對淡水養殖的產品質量影響極大。水產品對所在水環境的各項主要水質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℃；而某些水質指標超出較適范圍時水產品的生長狀況將受嚴重抑制，比如當氨含量高于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，大部分淡水養殖戶雖然意識到了水質對水產品的重要性，但是憑借肉眼觀察、經驗判斷缺乏科學依據，極易主觀化。因此，采用專門的水質檢測儀器對水質進行監測成為必要。

現有的水質檢測儀器按規模大小可以分為便攜式水質檢測儀、大中型水質分析儀、水質監控系統。現有便攜式水質檢測儀雖然攜帶方便，可隨時采樣檢測，但其檢測的水質參數極為有限，且通常為單點、單區域測試，測量點依賴人為放置，因此難以對淡水養殖的水域進行全面的評估；大中型水質分析儀雖然可檢測的指標數量多，對水質的整體評價較為全面，但是價格高昂且難以移動，對于小型養殖戶來說會大幅度增加養殖成本，因此難以滿足養殖戶的實際需求；水質監控系統雖然能對水域的水質實時監控，但只能定點連續采樣，具有區域局限性，且同樣面臨價格高昂不便攜帶的問題。因此針對淡水養殖開發便攜式小型水質監測機器人就顯得尤為必要。現有的機器人的所用的驅動系統大部分是傳統的剛性驅動系統，結構復雜、笨重、耗能大。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明展示了一種基于電致動聚合物驅動的水質監測機器人，它能夠連續檢測淡水養殖水域的水質參數，監控水下情況并且傳回終端，對超標水質進行提前警報；同時采用功耗低的驅動器，引領低耗發展、綠色發展的潮流。

為達到以上目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于電致動聚合物驅動的水質監測機器人，適用于淡水養殖的水質監測，所述水質監測機器人包括：殼體與遙控器，所述殼體上安裝有電源、遙控模塊、驅動模塊、檢測模塊、監控模塊、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、驅動模塊、檢測模塊、監控模塊、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監測機器人運動；所述電源為所述水質監測機器人供電；所述驅動模塊包括電致動聚合物驅動器和避障模塊；所述殼體上設有足部突沿和/或一個尾部突沿；所述足部突沿的數量至少為一對，所述電致動聚合物驅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面上，所述A電極與所述電致動聚合物材料一側接觸，所述電致動聚合物材料另一側與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-金屬復合材料、導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參數傳輸至終端顯示器，所述報警模塊包括蜂鳴器，當水質參數超出設定的范圍時會發出警報。

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

附圖說明

圖1為本發明的電氣部分的連接圖。

圖2為仿海龜型水質監測機器人的殼體。

圖3為驅動器足部的爆炸圖，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驅動的仿海龜型水質監測機器人的模型。

圖5為一種IPMC驅動的仿巴西龜型水質監測機器人的模型。

圖6為一種IPMC驅動的船型水質監測機器人的下殼體模型。

圖7為一種IPMC驅動的船型水質監測機器人的右前足部局部示意圖。

圖8為水質監測機器人的制作流程。

其中，1為仿海龜型水質監測機器人的龜蓋；2為仿海龜型水質監測機器人的下殼體；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為仿巴西龜型水質監測機器人的下殼體；13為船型水質監測機器人的下殼體；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明的技術方案，下面結合附圖對本發明作進一步說明。

一種基于電致動聚合物驅動的水質監測機器人，適用于淡水養殖的水質監測。水質監測機器人包括：殼體與遙控器，殼體上安裝有電源、驅動模塊、監測模塊、監控模塊、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，或是先設計相應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。殼體的制作材質同時應滿足密度盡量小、不滲水、不與水反應、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，龜蓋上設有龜紋。

如圖1所示，控制模塊分別連接電源、遙控模塊、驅動模塊、檢測模塊、監控模塊、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監測機器人運動。驅動模塊包括電致動聚合物驅動器和避障模塊，用于提供動力驅動機器人前行或轉彎。

殼體上設有足部突沿和/或一個尾部突沿；足部突沿的數量至少為一對，電致動聚合物驅動器分別安裝在足部突沿與尾部突沿上。電致動聚合物驅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彎。足部對稱分布在殼體的兩側(左右或前后)，尾部分布在殼體的后側。

電致動聚合物驅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-金屬復合材料(IPMC)、導電聚合物(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，足部一側運動一側靜止使得殼體產生轉矩從而轉彎。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10-50cm。

檢測模塊用于檢測各種水質指標。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境，將檢測到的信號經由各相應模塊傳送至控制模塊轉化成相應的水質指標，最終由無線傳輸模塊將水質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，主要將得到的水質指標參數傳輸至終端顯示器；當水域面積小于100m²時選用藍牙模塊，當水域面積大于100m²時選用zigbee模塊。

控制模塊用于控制各個模塊實現功能。控制模塊可選自單片機控制系統或PLC控制系統。遙控器，用于手動控制機器人的運動。當通過遙控器控制時，遙控運動優先于自動運動。

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

電源，用于對機器人各個模塊供電以實現功能；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驅動的仿海龜型水質監測機器人，是以IPMC材料制作驅動模塊的，即可檢測溫度、PH值、濁度三項水質指標，又可實現直線游動。

本實施例的仿海龜型水質監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，電路板上設置有通訊供電口、電源開關、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接口上如蜂鳴器，或是通過杜邦線連接在相應接口上如檢測模塊、電源、驅動模塊等，或是直接插在相應接口上如藍牙模塊。通過編程并導入單片機，再由單片機控制整個系統的運行。

(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、濁度傳感器和相應檢測電路組成，各傳感器分別與相應檢測電路連接，各相應檢測電路通過杜邦線再與AD/DA轉換模塊、51單片機電路板的相應接口連接，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，當水質指標超出：

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7號南孚電池安裝在電池盒中構成，電池盒安裝在殼體上，正極引線先連接一個開關再接單片機的VCC接口，負極直接接單片機的GND接口，對整個水質監測機器龜系統進行供電，其中開關安裝在殼體外部。

(6)殼體：根據以上各個模塊，初步計算水質監測機器龜硬件的重量及體積，結合烏龜外殼，設計殼體的形狀、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。龜蓋上表面設置有陰刻龜紋，下殼體設置有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。仿海龜型水質監測機器人的龜蓋1結構如圖2所示。

(7)驅動模塊：驅動模塊仿照海龜的四肢和尾巴由4個足部1個尾部構成，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板的相應接口上。

(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，當水質參數超出設定的范圍時會發出警報。在手機上安裝和藍牙模塊配套的相應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值和濁度三項水質指標。

將所有模塊皆按順序安裝在下殼體的相應位置上，再將龜蓋與下殼體鉚合，水質監測機器龜組裝完畢。打開開關，將其放入水中便可開始檢測三項水質指標，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指標。

如圖4所示，仿海龜型水質監測機器人的下殼體2內部安裝有51單片機4，液晶顯示器3，蜂鳴器6，藍牙模塊8，仿海龜型水質監測機器人的下殼體的外側壁上安裝有左前足5a-1，右前足5a-2，左后足5b-1以及右后足5b-2，尾部5c。仿海龜型水質監測機器人的下殼體上還設有溫度傳感器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，上述傳感器對水質的相應參數進行檢測然后傳遞給51單片機，51單片機經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驅動的仿巴西龜型水質監測機器人除殼體足部突沿、尾部突沿、驅動模塊、控制模塊的程序，其余與實施例1一致，如圖5所示。

殼體：仿巴西龜型水質監測機器人的下殼體12設置有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)。

驅動模塊：驅動模塊仿照巴西龜由4個足部和1個尾巴構成，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材料構成，其尺寸均為5mm×35mm。

實施例3

一種IPMC驅動的船型水質監測機器人除殼體、驅動模塊、控制模塊的程序，其余與實施例1一致。

船型水質監測機器人殼體：船型水質監測機器人下殼體13的設計如圖6所示。

驅動模塊：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。

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