文摘

介绍了机电表征Nafion-Pt microlegs发展的昆虫类似昆虫BioMicroRobot随之。BMR microlegs构建使用quasi-cylindrical Nafion-Pt ionomeric高分子金属复合结构(IPMC), 2.5的自由度。具体生产过程使用一条腿的准分子激光三维配置进行了探讨。动态行为和microleg特征已经使用激光振动计以去离子水。使用激光振动计显示了线性特征之间的责任周期方波输入和致动器的位移速率在多个频率。这个线性用于设计一个伺服系统为了再现昆虫三脚架散步。当前,基础代谢率为每条腿消费是一个重要的参数评估。电流通过,该膜会导致电解水。四种方法是避免电解的解释。给出了硬件试验台测量。 The purpose of this design is to control a BMR for biomedical goals such as implantation into a human body. Experimental results for the proposed propulsion system are conclusive for this type of bioinspired BMR.

1。介绍

Microrobotic发展亚毫米大小真的出现了MEMS(微机电系统),使用行骗过程(多用户MEMS流程)和准分子激光精密加工过程和联赛(Lithographie、Galvanoformung Abformung)精密加工技术(1]。一些设计师和微-纳米机器人的研究人员希望他们的机器人将执行生物医学应用。目前,这些机器人是在开发的早期阶段,和要达到的目标是在几十年2]。微,纳米机器人是一个重要的领域涵盖的知识在机器人和微系统科学和应用科学。自然法则解释说,生物体是越小,越难杀死它。BioMicroRobot设计简单的规则。如果微型和纳米技术的控制是可行的,它将也可以轻松地帮助或杀死生物(癌症、细菌等),以及有机或无机物质(肾结石)。

许多各开发昆虫类微型机扑腿,如双压电晶片零件悬臂结构作为热致动器耦合与否与光子带隙(PBG)材料、压电、静电、磁致伸缩,形状记忆合金(SMA)和电活性聚合物(EAP)如离子聚合物等等(3]。一些方法很有趣,但是在生物医学应用,更大的问题涉及到材料的生物相容性。这个约束限制了一些惰性材料的使用,主要用于人体像铂、镍钛(镍钛诺),一些不锈钢,陶瓷氧化铝,和一些聚合物。材料的生物源是microrobotic有趣的应用程序。这种材料应该在机器人整体工作任务时间没有退化,腐蚀或磨损的化学环境(酶、pH值和淋巴细胞作用下)。当然,这种材料不能有毒主机系统(4]。

BioMicroRobot随之微型机扑用于帮助生物体,比如人体的新陈代谢和解决的健康问题,如肾结石。它可以用来理解、探索,改变,或控制生物系统。基础代谢率与生物传感器可以替代医学仪器监视和测量等生理活动与水凝胶体内葡萄糖生物传感器。

随之推进需要具体研究考虑它的许多限制。在这个订单的尺寸和大小,有必要研究其使用的环境和基础代谢率环境(水介质,其电导率和速度,环境温度,压力,等等)。制造业也是一个重要的挑战,因为独立microparts的三维处理。电力供应是有限的,有必要减少电流消耗,同时优化机械驱动器的属性(力量和速度)。

本文结构涵盖了所有IPMC执行机构参数优化使用基础代谢率。基于microleg的设计选择,可以生产它。的第一部分介绍了microleg的化学和机械制造工艺,这是良好的质量和机电性能的关键。失败的过程和坏的处理可能会损害致动器和降低性能。事实上,金属电极分布颗粒在膜表面添加非常敏感的化学条件治疗,浸渍和减少。第二,减少一些弱势的机电特性,进行一个详细的模型。最后,本文建议使用执行机构的运动控制中枢模式发生器模型。位移速度根据脉冲宽度调制(PWM)工作周期和共振频率耦合流体根据长度。这种关系将是非常重要的设计bioinspired伺服系统为了控制随之像两到三维环境中的昆虫。

1.1。以前的工作

微型机扑项目来自Shuxiang郭的实验室尤其设计先进微型机扑结构与IPMC致动器。最近,他们研究的位置精度结构8步态运动使用IPMC模型使用一个运动方向(每个表面上使用两个电极)5]。同时,其他研究结构与IPMC位置控制(6,7)和管道微型机扑(8]。然而,这些微型机器人的设计是为了沿着飞机和浮动在三维悬架没有可操作性。

本文提出了用六microlegs类似昆虫的代谢率。为了把身体在三维环境中,每条腿已经在至少三个轴(三个自由度或3自由度)。由于机器人是有限大小,功耗,和制造复杂性,提出设计一条腿一个轴的运动与其它物种的耦合两种。因此,这个配置是一个最小值,对应2.5自由度运动。这种配置允许驾驶基础代谢率作为一个昆虫三脚架。然而,景深较低,使用的push-slip方法也是设计选项,如压电陶瓷驱动飞机上表面(9),但这推进减少了应用程序刚性表面。更高的自由度时更好的推进表面变形和许多障碍。为了避免障碍,microlegs必须离开水面,这解释了需要每microleg 2.5景深。

此外,致动器必须有足够的尺寸,支持的微型机扑millimeter-length大小。沿着这些线路,先前的纸是专门管状结构和纤维IPMC的制造过程10,11]。明确解释生产过程的四个电极microlegs提供允许使用激光驱动与几个自由度。从一些样品,可以定量测量机电特性。

1.2。BioMicroRobot几何和设计

BMR microactuator由六(6)quasi-cylindrical Nafion-Pt ionomeric高分子金属复合材料结构(IPMC),结构和一个管状IPMC连接到一个微型泵使推力矢量控制。IPMC有三个组件:一个离子交换膜(IEM)像perfluorosulfonic酸聚合物,一些阳离子,至少两个电极。使用6-legged运动通常是用来改善微型机扑在位移的稳定性放在一个平面上,如蟑螂三脚架散步。然而,一些应用程序更复杂的动作在流体如避障和轨迹后需要在三维导航使游泳的能力。在这种情况下,有可能使用推力矢量控制结构由一个管状IPMC。首先,一个微型泵安装在后面的机器人结构推动环境流体在管状IPMC。弯管将流体喷射产生推力矢量(力)位于,该锚点,推动微型机扑牛顿运动定律。微型泵的使用与管不过是必要的,这仍是一个重要的技术挑战。这个系统的描述(结构微型泵,IPMC和管状流体密度)不是本文的一部分。

IEM由交联与相对均匀分布的离子交联聚合物矩阵ion-active网站(集群网络)在整个结构。不同类型的阳离子的影响,electrode-membrane界面区域,对性能和表面电极电阻是众所周知的(12- - - - - -14]。

结构每个IPMC组件对机电特性有影响。IPMC两个原则。首先,电渗的离聚物移动阳离子和水到阴极的静电力当电场。聚合物内的渗透压创建一个弯曲,产生相应的位移(15]。第二个原则是阳离子的泵送效果。这将是占主导地位的贡献对于疏水性阳离子。似乎适用于不同的阳离子类型叠加效应,如形式和碱阳离子铵(16]。

我们的基础代谢率设计呈现在图1。视觉系统也正在评估,设计像一个回声探测器。自从腿设计应该在2.5的自由度,microleg技巧运动可以由图表示2。microleg由两个步态的运动阶段:摆动阶段(恢复阶段)和立场阶段(支持身体重量)。前过渡点(从摇摆立场)被称为前极限位置(AEP)和后过渡点被称为后极限位置(PEP)。

这电活性聚合物结构或IPMC致动器有许多优点超过其他所有;快速响应低电压,弯曲超过100 K乘以,生成分配变形、低体重,可以很容易地规模,并可用于水(17]。人体中似乎是安全的(18如果没有生产电解水。它可以在低电压驱动,小于2伏特。然而,正如图中所描述的3瞬态响应,我们测量一个一步显示瞬时电流高消费Nafion-Pt和锂抗衡离子。

电解水和当前消费结构两个主要IPMC微型机扑应用程序的缺点。在本文的部分中,我们将演示如何避免电解结构Nafion-Pt IPMC的李⁺。金属铂解散也是一个不可避免的后果在刺激机制使用。溶解铂是有毒的生物(19]。

2。材料和方法

在先前的研究中,我们使用了管状层压纯Inc . tt - 030全氟磺酸(10微型泵的设计。执行机构运动是东方流体方向调整。microleg设计,管状为这个应用程序生成太小位移。在另一个应用程序中,电解质管将被用于创建一个植入电感线圈的BMR遥测和电源。事实上,使用全氟磺酸n - 117(杜邦)纤维(quasi-cylindrical截面)是更好的位移速率和电流消耗11]。这个新的microactuator大约有200的规模μm×200μm。它的长度l大约是4000μ致动器的特性。预计最终microleg长度身体基础代谢率约为1500μm。

2.1。IPMC制造业

这个方法可以使用任何离子交联聚合物膜。离子交换膜(IEM)是一种亲水离子聚合物,它在室温下在水中膨胀上涨了约10%。膜n - 117是187年的切成纤维μ2500年与滑动切片机徕卡m SM。切片机刀片的速度设置为0.5毫米/秒的攻角−2度。接下来,六个纤维附着在一个自制的支持,如图4。

离聚物清洗在超声波水浴在盐酸和水和煮约30分钟。离子交联聚合物的化学镀铂使用浸渍和减少(IR)过程(20.)如图5。离子交换(吸收图5(一个)(图)和离子减少5 (b))3重复两次μ米厚的多孔铂层(图6)。李⁺阳离子结构用于所有IPMC获得更快的响应。

2.2。准分子激光过程

管上的电极和纤维切成四部分使用一个准分子激光的过程。激光去除镀表面以形成,该四个部分。这四个部分驱动,该在2.5的自由度。图7显示了结构使用管式微型泵推进IPMC图8代表一个microleg。这两项数据都是激光产生的过程。这配置,该应该允许八个方向的运动贴上₁到S₈。这个工艺过程也用于构建身体基础代谢率和感应线圈的电源。

2.3。硬件测试台上

为了获得microlegs电气征集下的动态行为,扫描激光振动计用于测量位移的提示(自由端)速度的函数诱导频率和电流。microleg长度第一振型的影响也是检查流体。

波束形成的致动器一端夹紧并在18 MΩ自由行动去离子水在室温下(图9)。激光光束经过光学窗口和到达microleg垂直于中性的飞机。折射的光并没有考虑在相关测量。

外加电压是一个周期PWM信号程序作为一个任意波形HP33120A generator-like模型。1024点信号的波形是由一半的点形成一个积极的PWM和另一半消极。瞬时速度测量的致动器和存储的所有责任周期用于PWM信号的波形。应用波形有3 V峰和10和20 Hz。

当前使用两种类型的测量仪器。第一个类型是一个电流探针测量电缆周围的电磁场(Tektronix P6042)。第二种类型是一个跨阻抗放大器(增益设定在100年使用电阻器)放置在串行结构的h桥MOSFET和IPMC。刺激的隔离电路使用h桥MOSFET电路结构驱动相反的电极放在IPMC microlegs。这个电路是使用单片机并行输出端口驱动所有六个microlegs和一个向量控制推进(这代表共有28个电极)。

这些测量是远离的第一共振机械系统:microleg使用一个随机的模态分析外加电压和扫描功能的振动计显示的初始固有频率180赫兹。这个频率考虑流体和结构之间的耦合。

3所示。Microleg模型

我们之前的论文展示了三维microleg运动用数学方程,模拟实际的电极配置(10,11]。两个电压振幅被模拟。本节提出了频率响应所有的结果,包括每个结果的理论解释和分析。

3.1。模拟电刺激

Microlegs将由压控CMOS技术。重要的是要知道这些刺激对当前消费在任何频率的影响。

目前瞬变阶跃响应显示了主要峰值电流迅速减小(图3)。负峰也产生方波刺激时返回零。这种现象解释为串行阻容(通过electrode-electrolyte接口(图)网络了10)。

电容是由于双层电容。如果电压增加,增加,直到电子转移发生在电极/溶液界面。连续流仍在稳定状态,显示了一个非线性电阻元件通过,该平行钢筋混凝土网络(21]。这个反应结构分析之前对不同IPMC和阳离子类型(22]。通常,在间期保持电中性,但它可能是漏水的,允许一些感应电流流过,解释为感应电流的阻力。可能表现为简单的欧姆电阻,但它也可以是一个双曲线或潜在的指数函数,根据过电压的范围考虑。也是一个潜在的复杂函数,尽管它可能不会改变一样(23]。

分析microleg机电特性不需要包括华宝阻抗的分析和吸收pseudocapacitance由于大规模运输限制扩散和转移过程。然而,重要的是要注意,华宝阻抗增加了一个恒定电流和电压之间的相位−90°,这可能影响瞬态或频率分析见图11 (b)。只有被视为纯电容,在物理意义上。

电极表面电阻,,可以表示和解释为低电导率、电极厚度不足,微观裂缝和非均匀沉积的金属粒子。循环在牵引和收缩变形循环运动,该会导致疲劳,这种阻力的增加24,25]。网络/ / ()是一个近似的模型。

在稳定状态下,两个地区为microleg定义:下面的线性区域分解电压(金属超电势之和作为电极和标准平衡电势或标准电极电势)和非线性指数区域分解电压(图之上12)。

频率响应显示有趣的特殊性。测量使用正弦信号2 V峰。当前的振幅响应的获得−10 dB /十年5至100赫兹和截止频率附近45赫兹。,线性特征与相位频率响应相关联。

这个特征表明,当前阶段的100°和180°−−之间的电压。它可以解释为吸收pseudocapacitance和华宝阻抗的存在。

3.2。机械位移分析PWM

分析进行直到现在不能够控制使用CMOS技术,该弯曲角。RISC单片机架构不支持模拟输出的8位并行端口(26]。添加一个数模转换器(D / a)是一个繁琐的MEMS和/或microproduction解决方案。虽然,该microleg可以建模使用R/ /钢筋混凝土网络,利用PWM调制可以调整电压的二次平均。接下来,弯曲角可以控制如果之间存在的关系,该弯曲角度和PWM占空比。

然而,第一步是检查是否存在一定的依赖或关联PWM脉冲的持续时间和microleg位移之间的关系。扫描激光振动计不能直接测量位移,因为它只能分析动态结构。因此,有必要研究悬臂梁的动态行为的配置,即microleg尖端位移速率PWM占空比的函数。波形发生器提供扫描激光振动计需要编程所需的信号。

的实验,该提供定期的每一个电极。这个周期信号在两自由度振动结构。这意味着标准信号的周期性的一代。参数调整(信号的频率和电压幅值)在标准化信号可以获得励磁信号用于实验。信号调整值的6伏峰两个频率:10和20 Hz。

图13显示了悬臂梁的顶端microleg位移率配置10赫兹和20 Hz奇怪的PWM占空比。图14显示了每个PWM责任周期的最大平均速度在30测量从数据图中找到13。实验结果可表示为线性特征。接下来的分析显示之间的相关程度,意味着最大速度运动和PWM占空比。

相关系数计算提供了一个估计的两个随机变量之间的相关程度的人口。获得的价值必须检查,以确保它不明显的区别于0,这可能表明一个线性没有观察到的变量之间的相关性。意义阈值为0.05,人口十(10)样本均值最大的用于分析。振动频率的函数分布的变化根据学生法律(双边)8自由度。自的价值高(0.982和0.986),如图14实验数据点的直线调整是一个很好的质量。很明显,这项研究不能显示cause-to-effect之间的两个变量。然而,可预测的执行机构机械和物理行为可以验证在cause-to-effect之间的两个独立变量:一个变量的变化的变化涉及其他没有变化外部归因常见原因不详。

3.3。使用FFT频率分析

从这些结果,可以在频域结构调查更多IPMC属性。这种类型的结构特殊的共振模式,可用于机器人的推进策略,达到最佳的运动。结构表明,IPMC维度不同其固有频率:固有频率降低时其长度增加类似于一个悬臂梁27]。

分布式系统有无限个自由度和自然频率。每个固有频率有一个模式,它是像一个正常的函数。短暂的强迫振动或在一个稳定的操作通常会激发一些或所有的频率和模式的组合。明显的反应在一个点可以表示他们的条款根据叠加原理。第一个模式是与最低频率(28]。第一振型的使用将对移动机器人在其最优速度可能有利的电流消耗与速度。因此,有必要从理论和实验分析,该悬臂梁的第一模式配置。

的情况下,该microleg,自由端提示质量是微不足道的。接下来,理论方程的解析提供所有适当的频率使用[29日] 在哪里是,该长度,产品,该截面(0.2毫米×0.2毫米),是惯性,杨氏模量。来自的分辨率特征方程:

然而,这个方程在水环境是无效的。有必要考虑流固耦合系统的行为。一般来说,它应该检查是否流体是不可压缩的。在这种情况下,流体是纯粹的惯性的影响。使用附加质量的表示,它有可能找到一个简单的公式来计算耦合系统的固有频率。结构振动时在水里,它诱发水加速,产生额外的受力结构,除了小道fluidic-dynamics的力量。这可以适当添加力建模为假想的水质量和结构加速度的乘积。这意味着结构在水中的振动固有频率低于频率在真空中。通过替换惯性一个圆的半径和它的表面在(1)的特征频率,结果是由

方程描述振动梁在水中应包括描述的梁的结构密度(1)和水,它对应于一个耦合系统的密度。附加质量系数定义为附加质量的比值的水感动缸可以用水结构根据

模拟(3)和(4)如图15。为了证明这一理论,进行了模态分析和扫描激光振动计使用伪随机激励电压6 V峰(高斯白噪声)。这种分析可以找到第一个模式振动频率在约180赫兹4毫米microleg长度(图16)。这个频率考虑重流体之间的耦合(去离子水)和结构。数字仿真是用于查找与激光频率接近发现。此外,有趣的是比较紧张/电流截止频率(约45赫兹从图(11日))和最大频率大约在50 Hz。注意,频率响应随外加电压而波动,根据阻力和电容值。

4所示。电解水

许多其他IEM膜可以用于这个实验,如Flemion或Aciplex。结构Flemion-Au IPMC的树突内离子交联聚合物,已知有更高的离子交换能力,更高的表面导电率,更高的水合能力,比Nafion-Pt更高的纵向刚度。这些结论为Flemion-Au提供一个更好的弯曲角为同一应用电压没有放松(30.]。黄金也可以设想由于其优点:稳定酸,韧性,良好的电导体,少在电化学反应活性(31日,32]。黄金也是一个超电势高于Pt。它允许使用高电压电解产生弯曲曲率没有水。

本节提出了不同的方法来避免电解水。目前,阳离子类型和电极金属展示了一些有用的特性避免back-relaxation刺激时,为避免电解水。首先,阳离子和电极特征的概述。其次,介绍了一种新的方式来避免电解应用信号波形和频率的刺激。

4.1。阳离子型

阳离子可分为3类:,,。这些类是由水离子电导率和分类IEM内部状态。的类包含小亲水性碱金属和碱土金属(李⁺、铜^{2 +},Na⁺K⁺,Rb⁺和计算机科学⁺)。的类是由疏水烷基铵离子(CH₃)₄N⁺,(C₂H₅)₄N⁺,,)。最后,类包括大疏水性阳离子,如稍后通知(四丁铵⁺)和TPrA (tetrapropylammonium) [33]。

水驱替体积内聚合物引起收缩和膨胀,包括不对称的压力分布。因此,内部压力产生临时聚合物变形。对于小阳离子,如李⁺,位移响应快。但是,如果保持张力,聚合物不会与Nafion-Pt复合(保持它的形状22]。从另一个角度来看,笨重的阳离子,如tetra-n-butylammonium⁺(稍后通知),反应慢,但会有一点放松。弛豫时间取决于聚合物间隙漏水。

放松可能发生由于阳离子运输水分子比应该有一个平衡的状态。放松时将完成渗透水压力之间的平衡已经达到(稀释的离子类型)引起的电电压,界面polymer-solvent,聚合物内部弹性能量(限制聚合物链的伸长)[34]。没有进一步的放松是观察稍后通知阳离子类型。它可以造成的可能性阳离子阻塞通道和防止水泄漏或阳离子的浓度的可能性比它需要更多的水。结构没有发生松弛Flemion-Au IPMC阳离子类型。相反,位移速率下降没有搬回(22]。

结构如果铵大小增加,IPMC位移速率会下降,因为离聚物内部的分子流动慢。然而,该弯曲的角度将更加明显,漏水和放松,将逐渐减少。此外,铵的缓慢移动消除电化学反应像水电解35]。

4.2。电极的特点

电极极化电流,应改变半电池电位。半电池变化(观察半电池电位之间的区别和平衡零电流半电池电位)被称为超电势。元素选择电极组成结构直接与IPMC延性和导电性等性能。也必须稳定在电极电化学反应像高贵的金属。当然,过电压应该为更高的分解非常大的潜力。本节解释超电势的影响。

电极由贵金属、铂金和黄金等行为类似于完全可极化的电极。铂和钯都极其微小的进化为氢超电势。黄金具有明显较大的过电压。,黄金不明显吸收氢,氢进化这个因素与规模较大的过电压使黄金金属的选择(21]。这样一个相对惰性电极很难氧化和溶解。结构的最佳反应IPMC的特点是一个位移电流(没有实际电荷穿过electrode-electrolyte接口)和电极表现出好像是一个电容器。在这种情况下,大多数的过电压是浓度过电位的结果(接口)的离子浓度变化36]。

频率和波形对离子迁移在IEM有直接影响。下一节解释了频率和波形影响结构的位移电流接口方法IPMC行为作为一个电容电阻元件。

4.3。频率和波形

视觉microleg位移观测结果表明,非线性的运动是更大的地区。这个结果是许多生物医学应用程序不感兴趣。然而,它是可能的驱动microleg charge-balanced波形。

电荷密度和电荷平衡的控制是避免电解的关键,并提供一个可逆的化学反应(或安全的刺激)。波形对称或不对称的。对称是指两相的刺激电流密度的大小的第一个脉冲的两相的第二脉冲是一样的。使用两相的刺激波形与零净电荷流不保证不会产生有毒的电化学反应产品(37]。

考虑,该电模型,最小频率对于消除电解水是必要的。循环伏安法的电化学技术可以描绘一个操作窗口中氢和氧之间的进化潜力。这种技术应用于找到最低的频率对称的刺激,因为电解水热力学效率和降低消耗的力量。

图17显示了三个磁滞曲线频率10,30和180赫兹。信号幅值应用于系统是5 V峰以电解产生水。读当前的振幅,鸿沟在这个图中,到100年,这是跨阻抗放大器增益。电解水是在两个磁滞肢体凹所示形式。很明显,增加频率降低功耗和消除电解水。

可以进行的一项研究描述机械反应在刺激电流源,而不是电压源。电流源的使用将有可能控制电荷流动注射的量不同振幅和/或脉冲的宽度相结构与任何IPMC阻抗。最大电荷密度能够被注入是根据电极的表面。

5。运动模型和控制

一个非常特殊的设计将发达国家和解释允许BMR朝各个方向的约束内致动器和八位单片机的并行端口(26]。在这种背景下,本节的第一部分致力于昆虫步态的动力学研究。这项研究强调了主要参数被认为是为了操作microleg。除此之外,该类型的运动。运动很重要,因为它的类型取决于昆虫的速度和单片机的硬件约束。腿的运动分析和昆虫有六条腿的运动,像蚂蚁一样,导致控制系统的设计。它也有必要了解的功能观相术的运动中枢神经系统的一个鲁棒自适应算法。

5.1。昆虫运动

在这个时候,许多作品研究了分散和中央控制系统参与运动。的组合行为和电生理实验数据表明,运动是中央和分散机制共同作用的结果38]。这意味着每条腿有一个独立自主的敏感元件控制。

RISC微控制器体系结构中使用这个应用程序只有一个八位并行端口(26]。这只强大的内部约束让我们使用中央控制。事实上,分散运动控制需要28-output比特在一个并行端口(6×4电极每条腿,加上微型泵使用推力矢量控制)从单片机驱动每个BMR腿独立输入和反射不敏感。接下来,本文是基于中央系统。总线宽度,一个简单的神经网络架构称为Walknet,生物启发网络控制六条腿走路,可以从一个细胞使用非线性方法(39,40]。这里开发的中央司令部坐标的BMR运动与更高的机械重复和更少的自适应性。一个反馈回路作为反射调节腿位移。这种反射可以一条腿移到另一个位置,以避免或爬过一个障碍。

5.2。昆虫昆虫走

走路腿的循环运动由两部分组成(如图18)、动力冲程(PS,也立场或支持阶段,推动身体)和回程(RS,也摇摆或恢复阶段)。

前过渡点(从摇摆立场)被称为前极限位置(AEP)和后过渡点被称为后极限位置(PEP)。最关键的点保持机器人的稳定的过渡PS RS (41]。接下来,一个有趣的位置反馈传感器可以用来检测PEP运动。

两个条件必须满足所有运动期间保持机器人的稳定阶段。身体的重心必须位于三角形如图的支持19。三英尺,同时必须在地面上。身体或者支持,时间一样长,两组的腿(三脚架步态):(L₁R₂l₃)或B (R₁l₂R₃)。

稳定裕度的定义为最短的距离(,,)从质心到边缘的三脚架的支持。许多昆虫密切符合这种模式当快速移动(42,43]。已知两个主要策略允许昆虫:频率或者增加一步一步身体的一侧腿的长度和其他44]。

5.3。中枢模式发生器范式

中枢神经系统(CNS)必须产生特定模式的运动神经元的冲动在协调运动或运动。中央假说声称,有节奏的运动在行走或基本运动项目是由中枢模式发生器(CPG)位于中枢神经系统。命令神经元的CPG包括子网(中枢神经系统)和本地模式生成神经元(LPGNs)。LPGN称为神经元的运动神经元(屈肌和两种神经元)45,46]。脉冲神经膜是使用非线性反应扩散模型的偏微分方程(RD-PDE),可由autowaves与细胞神经网络(CNN)。能力生成高原势或节奏代振荡是一个关键的问题,而且对推动转型在各种类型的运动如散步,跑步,和游泳47]。

考虑生物方面的运动,反应扩散CNN (RD-CNN)是由两部分组成:一是用于生成autowaves(数字20 (b)和20 (c)),另一个是负责特定类型的运动得到一个稳定的棋盘图灵模式配置(图20(一个))[48]。Multitemplate方法(MTA)的扩展模型用于RD-CNN-based昆虫机器人。CPG实现基于同一组的原则可以重组,改变神经细胞的突触连接(49]。

为了实现目的,CNN可分为连续时间(CT) (50)和离散时间(DT)模型(51]。CNN是由基本的非线性动态电路称为细胞,在每个单元连接仅为一组相邻细胞邻居形成一个数组。通过这种方式,3×3棋盘图灵模式需要一个1-neighborhood(图22 (b))。CNN结构可以形成在任何尺寸,但是,在我们的应用程序中,我们只需要二维数组复制autowaves三脚架的运动模式。

一个类似可编程CNN与MOS晶体管CMOS技术报告。这个实现是基于运算跨导微分放大器(OTA)阶段。细胞电阻是由MOS晶体管及其近似的电流电压关系是非线性的52]。此外,数字离散时间CNN架构基于比特串行计算的分布式运算的组合(DA)。系统使用DA有优于其他所有人:小内存大小,共享内存的内容,和减少总线宽度。可重构性的FPGA芯片上实现的,和高集成的数字CMOS集成电路芯片。数字方法具有简单性和可扩展性的优点与模拟方法相比,但硬件复杂性和总线宽度的缺点53]。

6。CMOS DT-CNN实现

整个系统设计基础代谢率如下(54]。该设计是一个简化版的CPG(图21)。这个设计对应于在大多数论文认定的事实,大部分的神经元之间的连接是抑制[46]。激活函数的输出饱和结构对应于最大IPMC驱动(弯曲角)。

中央人民政府CNN结构如图21建立昆虫三脚架步态。每个人口的神经元连接组的腿(a或B)。因此,第一个控制第一个三脚架(L₁R₂l₃)和第二控制其他三脚架(R₁l₂R₃)。这一对相互抑制细胞,突触权重的一个合适的选择,特点是一个反相同步的两个细胞的活动。细胞在FPGA上实现使用DA(图22)的体系结构提出了(54]。

每个内存只包含部分产品三个系数。这个配置可以减少存储95%直接实现。蓄电池的DA执行添加和转移操作。

7所示。控制系统

身体基础代谢率是当前microlegs支持。腿的配置对身体是一个重要的考虑驾驶机器人在任何方向(图23)。特别是,电气连接图所示的配置23日(b)的腿设计,以产生一个步行模式。实验结果表明,该半周期的立场不需要任何能源消耗,而另一腿在摇摆不定的时期(最大电流消耗)。IPMC弹性推动身体基础代谢率。弯曲角的增加或减少的立场,和摇摆时间生产基础代谢率。

DT-CNN CPG架构已经包含在前面的基础代谢率控制系统来提高适应这个环境。DT-CNN模块控制摩尔有限状态机(FSM)与GA和GB,这两类三脚架。DT-CNN有两个输入和5个输出。FSM设计八个州,由PWM控制输出如图24。MSB比特,R(右)和L(左),控制PWM宽度,而十位,包括LSBα位,是结构与纤维的弯曲角成正比IPMC致动器。

基础代谢率就会向前当R和L都设置为0。PWM的宽度是相同的左右腿,如图25。此外,它可以把昆虫一样当PWM的宽度的左边或右边的腿。只有三位,存储在单片机腿寄存器,用于控制机器人的方向。只有这些碎片可以被用户修改算法。

整个系统在硬件描述语言(VHDL)编码为一个司机,在FPGA测试。目前,PWM周期是固定的PWM模块。实验结果表明,频率为763赫兹和24赫兹PWM和FSM分别可以驱动一个基础代谢率的腿。姿态计算的半周期约为0.042秒(最大弯曲放松位置)。图26显示了FPGA的FSM信号和电流消耗时间参数。在未来的工作中,该模块将包含在单片机中。

8。结论

Microleg制造是一个重要的挑战。它需要微观处理和特定的仪器。同时,失败的过程和一个糟糕的处理可能会损害,该表面。的确,IEM中添加金属颗粒的分布非常敏感的条件治疗,浸渍和减少。Microleg维度,根据新的生产流程制定,可以进行millimeter-size微型机扑。此外,电极的配置所带来的2、5自由度。因此,昆虫机器人将有15自由度与昆虫,其中至少有18个自由度。使用一个微型泵与信任向量控制提高基础代谢率的可操作性。

结构之后,几个重要IPMC物理性质有开车15自由度昆虫BioMicroRobots。充分衡量这些特点,一个非常特殊的组装。尤其,它是可能的,毫无疑问,利用激光振动计,之间存在线性关系,该位移速率和PWM报告/周期的比例(占空比)。也可以测量共振频率加上沉重的液体。消除电解水的最低频率,当电压高于分解电势也进行了研究。减少电解水的四种方法本文解释如下:(1)使用烷基铵稍后通知允许减少电解和全氟磺酸膜的松弛效应;(2)保持频率高于30 Hz,分子扩散通过电极膜的限制;(3)取得很高的过电压与更好的电极或保持应用电压低于分解电势;(4)使用双极电流源控制电荷密度和电荷平衡结构内部IPMC注入。它可能是由主动和被动两个阶段的波形不对称两相的刺激。

证据之间的线性PWM位移速率和PWM占空比的关系,这将是非常重要的基础代谢率控制各个方向喜欢昆虫。此外,本文中提供的机电特性将允许为每个microleg开发一种控制方法。实际上,功耗和腿部自由度数量是两个许多限制性的特点是观察到的时间的自主机器人系统设计。

显然,其他有趣的应用程序可以从过程中受益,这将被开发。可以设想有源电极的机械刺激人体植入假体。事实上,这些电极不仅可以刺激敏感的接收器电,而且机械。

最后,一个新的人工运动伺服系统和离散时间细胞神经网络(DT-CNN)已经开发了一个bioinspired昆虫代谢率。使用状态机和PWM调制驱动执行机构,机器人可以朝任何方向类似于昆虫。概述机器人的中枢模式发生器(CPG)按照昆虫位移原则已经证明。MTA用于执行一个特定的运动类型与autowave一代。控制系统结构,可以作为数字控制系统由cnn生成三脚架运动模式。腿位移由CPG控制反射传感器和用户的函数算法在单片机。

确认

这项工作在一定程度上支持Groupe d 'acoustique等振动de因为学校de路易斯塔里夫(高斯)和des Materiaux et des系统研究所智能(IMSI)。作者要感谢皮埃尔Magny和艾琳几何对他们的意见和建议采取的SEM图像合成的。,作者要感谢Magella Tremblay和帕特里斯·马森使用他们的实验室设备。