IPMC驱动/PVDF感知一体化机构

摘要

本发明公开了一种IPMC驱动/PVDF感知一体化机构，此机构基于智能材料IPMC的驱动与PVDF的感知技术。通过周期性负反馈控制算法解决IPMC驱动过程的蠕变现象，实现对IPMC的高精度、快速性驱动，解决了传统驱动方式在微机电系统中存在的缺点。同时，运用PVDF具有的频率响应范围宽、力电转换灵敏度高的特点，制作的PVDF高精度微力传感器，作为IPMC驱动末端的反馈传感器。将IPMC与PVDF粘贴为一体制成IPMC驱动/PVDF感知一体机构。

权利要求

1.一种IPMC驱动/PVDF感知一体化机构，其特征在是包括屏蔽导线、IPMC驱动/PVDF感知一体机构金属壳、IPMC薄膜、探针、PVDF薄膜；所述的屏蔽导线用于传导驱动IPMC和感知PVDF的信号，IPMC驱动/PVDF感知一体机构金属壳体包含IPMC的驱动电极和PVDF的感知电极，用金属外壳封装有助于对干扰信号的屏蔽，包括用塑料薄膜紧密封装的智能材料IPMC薄膜和PVDF薄膜，外接探针进行操作；

将同尺寸的IPMC薄膜与PVDF薄膜一体加水紧密封装，保证IPMC的驱动特性；

PC机与周期性负反馈控制器相连，周期性负反馈控制器采用周期性负反馈控制算法控制IPMC驱动电路驱动IPMC薄膜，IPMC薄膜发生相应的形变后推动探针移动；

探针移动时，PVDF薄膜感知探针在微操作过程中受到微小的力，PVDF薄膜将感知信号经PVDF信号调理电路、数据采集卡处理后送至PC机，以使PC机计算探针受到的力；

采用所述IPMC驱动/PVDF感知一体化机构所测位移与激光位移传感器所测位移相比误差在-0.5-+0.5mm之间；采用所述IPMC驱动/PVDF感知一体化机构所测力与微力传感器所测力相比误差在-0.1-+0.1mN之间。

2.根据权利要求1所述的IPMC驱动/PVDF感知一体化机构，其特征是在IPMC/PVDF端部操作探针。

说明书

IPMC驱动/PVDF感知一体化机构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于细胞注射等微操作中的IPMC驱动/PVDF感知一体化的机构。

背景技术

[0002] 在生物工程、细胞工程和基因工程飞速发展的今天，面向细胞注射的细胞操作技术作为一项前沿的技术，使细胞遗传注射、基因治疗成为一种可能。在细胞遗传注射、基因治疗以及其他生物医学领域中，需要机械手对单个细胞进行操作。早期传统的多指机械手是由液、气压驱动的，而且这种液、气压型驱动模式存在很多缺陷，比如机构相对比较庞杂、占用空间大、密封困难等。相对比较而言，由新型智能材料驱动器驱动的机械手具有体积小、结构紧凑、无泄漏、运用广泛等优点。所以，在目前及今后，研究由智能材料驱动的驱动器成为必然趋势。

[0003] 在细胞注射过程中，当注射针不与细胞接触时，视觉可以引导注射针，而当注射针与细胞接触时，视觉己经不起作用，不能知道细胞是否穿过细胞膜。传统的操作过程中完全依靠操作者的经验，而培养一个能够完成细胞注射操作的操作者需要半年以上时间，操作过程还受操作者心理因素等影响。如果要实现生物微操作系统的自动化、普遍化、易操作性，则必需要有另外的一个检测装置对细胞注射过程中注射力进行精确地反馈。

发明内容

[0004] 为了克服目前技术的不足，本发明的目的是利用IPMC良好的驱动性能与PVDF灵敏的感知性能设计一套感知驱动一体化机构，实现微操作系统的高精度操作与控制。

[0005] 针对面向细胞注射的微操做中，提出了一种基于智能材料IPMC的驱动技术。通过周期性负反馈控制算法解决IPMC驱动过程的蠕变现象，实现对IPMC的高精度、快速性驱动，解决了传统驱动方式在微机电系统中存在的缺点。同时，运用PVDF具有的频率响应范围宽、力电转换灵敏度高的特点，制作的PVDF高精度微力传感器，作为IPMC驱动末端的反馈传感器。裁剪尺寸长度相等的两块IPMC与PVDF薄膜，将两块薄膜用塑料薄膜封装在一体，制成IPMC/PVDF驱动、感知一体机。

[0006] 本发明的工作原理：

[0007] （1）IPMC是一种人工肌肉材料，由于其较低的驱动电压能产生较大的位移变形，作为一种新型执行器非常适用于仿生机器人的开发。但IPMC输入（电压）与输出（尖端位移）并不是线性关系，而是呈非线性关系。其中有一种非线性特性，被称为蠕变特性。这种特性的存在使IPMC得不到更广泛的应用。采用周期性负反馈控制算法对IPMC材料刚度进行蠕变补偿。通过周期性输出反馈控制算法使IPMC有效的达到所需要的位置精度，解决了IPMC的蠕变现象；

[0008] （2）PVDF(聚偏氟乙烯)不仅介电常数大，压电和热释电性较强，而且具有优良的机械性能，故其一问世引起了人们众多的关注。PVDF具有低电荷响应、易于使用、顺从和高的灵敏性等特点，因此它是最理想的感知材料，基于PVDF的微力传感器在微装配过程中作为感知装置是最切实可行和通用的方法。目前悬臂梁最频繁的应用在微力感知机构中，这是因为悬臂梁能探测极小的力和压力。

[0009] 本发明的效果是综合利用PVDF的高感知特性和IPMC的低电压驱动性，设计IPMC驱动/PVDF感知一体的机构。当IPMC有一个很小的弯曲变形冲击，薄而软的PVDF就能提供一个很强的感知信号，显著提高了微操做中细胞注射的效率。

附图说明

[0010] 下面结合附图说明书对本专利进行说明：

[0011] 图1为本发明结构示意图，

[0012] 图2为IPMC与PVDF薄膜条截面图，

[0013] 图3为本发明连接图。

[0014] 1为导线，2为IPMC驱动/PVDF感知一体机构金属壳体，3为IPMC薄膜，4为探针，5为PVDF薄膜，6为封装薄膜。

[0015] 图4为本发明所测位移数据与激光位移传感器的对比。

[0016] 图5为本发明所测微力的数据与微力传感器所测数据对比。

具体实施方式

[0017] 如图2所示，IPMC与PVDF通过塑料薄膜封装在一起，图1所示，探针4安装在PVDF薄膜5与IPMC薄膜3的端部，控制器通过导线1给IPMC薄膜3两端加上驱动电压，在驱动电压的作用下， IPMC薄膜3会发生相应的形变，驱动探针4移动。在探针4移动的过程中，PVDF薄膜5感知探针4在微操作过程中受到微小的力，PVDF薄膜5将感知信号送到信号调理电路进行处理，在经过A/D采样，获得PVDF薄膜5的感知电压，以此来计算探针4受到的力。