形狀記憶合金絲驅動的仿生魟魚及其工作方法
【專利摘要】本發明涉及一種形狀記憶合金絲驅動的水下仿生機器魚及其工作方法，屬于機器人技術領域。該機器魚主要包括一下幾個部分：控制器（1）、腹鰭（3）、尾鰭（4）、和胸鰭（5）。該機器魚通過控制分步在玻璃纖維板兩側的SMA的伸縮量來實現魚身的柔性擺動，控制嵌入尾巴中的SMA絲實現尾鰭的柔性擺動。通過腹鰭部分的SMA來控制腹鰭的運動。
【專利說明】
形狀記憶合金絲驅動的仿生魟魚及其工作方法
技術領域
[0001 ] 本發明涉及一種形狀記憶合金絲驅動的水下仿生機器魚及其工作方法，屬于機器人技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著科技的不斷發展，人類對海洋資源的開發利用逐漸加深，同時更加積極地發展海底勘探作業、海洋生態環境考察以及海洋軍事戰略等領域。因此，對于水下機器人的需求與要求也越來越高。作為水下機器人的一個分支，仿生水下機器人隨著日益發展的海洋事業活動并同先進制造技術、智能材料的應用等學科，逐漸成為研究的熱點。仿生水下機器人是一類以水生生物為仿生原型，模仿其游動或推進模式而設計出的能夠實現水下交互作業的機器人，在眾多水生生物中，魚類因其非凡的水下運動能力以及游動時高效、低噪和高機動性的特點倍受各國仿生科研工作者的青睞。
[0003]水下仿生機器魚作為一個水下高技術儀器設備的集成體，在軍事、民用、科研等領域體現出廣闊的應用前景和巨大的潛在價值。水下仿生機器魚是從模仿魚類游動開始的，從最初利用電機驅動機械系統模仿魚類尾部的擺動實現推進，發展到現階段采用新型仿生材料和新型仿生驅動方式實現推進。提高了仿生機器人的推進效率和運動機動性。目前正向著材料與結構一體化的柔性驅動方向發展。近幾十年來，各類性能優異的仿生機器魚相繼問世，大大提高了仿生水下機器人的游動效率、機動性和應對水下復雜環境的能力，充分展示了其廣闊的應用前景和潛在價值。水下仿生機器人作為一個水下高技術儀器設備的集成體，在軍事、民用、科研等領域體現出廣闊的應用前景和巨大的潛在價值。
[0004]1994年，世界上第一條仿生機器魚在美國麻省理工學院被成功研制，名為“RoboTuna” ；2011年，北京航空航天大學機器人所研發的仿生牛鼻鲼樣機，采用鰭條式驅動，對鰭條分別布置在身體兩側，每個鰭條通過伺服電動機驅動，其控制系統可實現手動控制、航向控制以及GPS導航游動三種控制模式;2013年，麻省理工學院電氣工程與計算機科學系研制了新型氣壓驅動的仿生機器魚，該機器魚同時具備快速加速性能和持續運動能力。研究發現其逃生響應模式下的運動性能和可控性與真實魚的接近;2006年，中國科學技術大學章永華等人于設計了 SMA彈簧驅動的仿生機器魚關節機構。通過魚體側面的兩組合金絲彈簧交替加熱的方式實現尾鰭的繞轉軸的擺動，并通過流水直接冷卻方式來提高魚尾擺動頻率。
[0005]目前應用傳統的電動、液壓、氣壓方式驅動的大中型仿生機器魚保持著游動速度快、驅動力大等明顯的優勢，已經在實際應用中發揮了一定的作用，然而在中小型機器魚的應用上智能材料具有無可比擬的優勢。相較于傳統的驅動方式，SMA絲驅動具有結構簡易、柔性好、噪聲低以及易于產生復雜運動等優點，因此逐步成為了小型水下仿生機器人驅動器的主要發展趨勢。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是制作一種形狀記憶合金絲驅動的水下仿生機器魚及其工作方法，可以實現模仿生物魟魚游動過程中的身體與尾巴的全柔性擺動。
[0007]—種形狀記憶合金絲驅動的仿生魟魚機器魚，其特征在于:包括胸鰭、兩條腹鰭、一條尾鰭、控制器;上述胸鰭包括基板和外層硅膠體;所述外層硅膠體與基板相固定；其中基板為一片玻璃纖維板，所述控制器安裝于玻璃纖維板中部，玻璃纖維板的外部被裁剪成若干玻璃纖維條;每一玻璃纖維條兩側均固定有一根胸鰭SMA絲;胸鰭SMA絲兩端與所述控制器連接固定;上述腹鰭包括一塊經成型的鰭狀PC板，鰭狀PC板作為剛性腹鰭;還包括第一端蓋、第二端蓋、彈性柱、若干腹鰭SMA絲;第一端蓋與第二端蓋通過彈性柱相連接;第二端蓋與基板相固定;鰭狀PC板的一端固定于第一端蓋上;腹鰭SMA絲的一端與第一端蓋固定，另一端穿過第二端蓋由一個固連在所述基板上的螺釘固定后再與所述控制器連接固定;上述尾鰭由一個底座、一條錐形硅膠管、若干內間隔片、若干尾鰭SMA絲組成;所述內間隔片布于錐形硅膠管內，所述錐形硅膠管的大端安裝于所述底座上，底座安裝于基板上;所述若干尾鰭SMA絲均勻分布在錐形硅膠管內，尾鰭SMA絲一端固定于底座，另一端依次穿過所有間隔片后折回，再依次穿過所有間隔片后穿過底座的通孔后與所述控制器連接固定。
[0008]所述的形狀記憶合金絲驅動的仿生魟魚機器魚的工作方法，其特征在于包括以下過程:所述控制器實現對胸鰭SMA絲、腹鰭SMA絲、尾鰭SMA絲加熱從而控制其收縮量;所述胸鰭SMA絲的收縮用于驅動基板上玻璃纖維條的擺動，進而實現外層硅膠體的運動;所述腹鰭SMA絲的收縮用于驅動第一端蓋和第二端蓋的相對位置，進而實現腹鰭的運動；所述尾鰭SMA絲的收縮用于驅動錐形硅膠管的擺動，進而實現尾鰭的運動。
[0009]本發明的柔性機械臂機構因其特殊的結構設計，可以實現模仿生物魟魚游動過程中的身體與尾巴的全柔性擺動。利用SMA絲的形狀記憶效應，在一定溫度條件下，實現相變收縮，來為胸鰭、腹鰭和尾鰭的擺動提供動力源，整個結構簡單。其中胸鰭在SMA絲、玻璃纖維板及外層硅膠體的共同作用下，可以實現整體的波浪形擺動、全柔性的自由擺動等。尾鰭部分在SMA與硅膠的作用下可實現半球面內的任意彎曲運動。通過控制基板兩側每根SMA絲的形變量可以實現各種復雜的符合運動。本發明的仿生魟魚機構，可用于深海勘測、水下偵察和手下救援等相關領域。
【附圖說明】
[0010]圖1是魟魚機構結構示意圖；
圖2是基板結構示意圖；
圖3是腹鰭結構示意圖；
圖4是尾鰭結構示意圖；
圖5是魟魚機構俯視圖；
圖6是缸魚機構側視圖；
圖7是魟魚機構正視圖；
圖中標號名稱:1.控制器，2.基板，3.腹鰭，4.尾鰭，5.胸鰭，201.玻璃纖維板，202.腹鰭SMA絲，203螺栓，205.外層硅膠體，301.鰭狀PC板，302.第一端蓋，303.第二端蓋，304.彈性柱，305腹鰭SMA絲，306螺釘，401尾鰭SMA絲，402間隔片，403錐形硅膠管，404底座。
【具體實施方式】
[0011]以下結合附圖對本發明的形狀記憶合金絲驅動仿生魟魚機構的具體技術方案進行描述。
[0012]如圖1、2、3、4所示，本發明的柔性機械臂機構由胸鰭5、兩條腹鰭3、尾鰭4、控制器I組成。本發明的一種形狀記憶合金絲驅動的仿生魟魚機構，其特征在于:所述的仿生柔性魟魚機構包括胸鰭5、兩條腹鰭3、尾鰭4、控制器I;胸鰭5包括基板2和外層硅膠體205;所述外層硅膠體205與基板2相固定;其中基板2為一片玻璃纖維板201，所述控制器I安裝于玻璃纖維板201中部，玻璃纖維板201的外部被裁剪成若干玻璃纖維條以實現胸鰭的擺動;每一玻璃纖維條兩側均固定有一根胸鰭SMA絲202;胸鰭SMA絲202兩端與所述控制器I連接固定，每根胸鰭SMA絲通過安裝在兩個玻璃纖維條上的螺栓203固定，并使用硅橡膠粘在玻璃纖維條上。胸鰭SMA絲兩端在控制器內通過導線與加熱電路連接，通過直接通電加熱方式，控制加熱時間來控制各條SMA的溫度，使得每條SMA發生所需要的相變從而產生所需的收縮量，依此來控制基板2的擺動姿態與擺動角度并帶動外層硅膠體205的擺動，從而實現胸鰭5部分的運動。
[0013]腹鰭3包括一塊經成型的鰭狀PC板301，鰭狀PC板301作為剛性腹鰭;還包括第一端蓋302、第二端蓋303、彈性柱304、若干腹鰭SMA絲305;第二端蓋303與基板2相固定;鰭狀PC板301的一端固定于第一端蓋302上;第一端蓋302和第二端蓋303間通過彈性柱304連接。腹鰭SMA絲305的一端與第一端蓋302固定，另一端穿過第二端蓋303由一個固連在所述基板2上的螺釘306固定后再與所述控制器I連接固定，腹鰭SMA絲305在控制器內與加熱電路連接實現對其加熱時間的控制從而控制其收縮量用于控制第一端蓋302和第二端蓋303的相對位置，進而實現腹鰭的運動。
[0014]其中尾鰭4由一個底座404、一條錐形硅膠管403、若干內間隔片402、若干尾鰭SMA絲401組成;所述內間隔片等距布于錐形硅膠管403內，所述錐形硅膠管403的大端安裝于所述底座404上，底座404安裝于基板2上;所述若干尾鰭SMA絲401均勻分布在錐形硅膠管403內，所述內間隔片402均具有用于SMA絲定位的固定孔;每根SMA絲的一端固定于底座的一個固定孔，尾鰭SMA絲401—端固定于底座404，另一端依次穿過所有間隔片后折回，再依次穿過所有間隔片后穿過底座的通孔后與所述控制器I連接固定。每根SMA兩端在控制器內通過導線與加熱電路連接，通過直接通電加熱方式控制其收縮量，從而控制尾鰭4的彎曲方向與彎曲角度。
【主權項】
1.一種形狀記憶合金絲驅動的仿生魟魚機器魚，其特征在于: 包括胸鰭(5)、兩條腹鰭(3)、一條尾鰭(4)、控制器(I); 上述胸鰭(5)包括基板(2)和外層硅膠體(205);所述外層硅膠體(205)與基板(2)相固定;其中基板(2)為一片玻璃纖維板(201)，所述控制器(I)安裝于玻璃纖維板(201)中部，玻璃纖維板(201)的外部被裁剪成若干玻璃纖維條;每一玻璃纖維條兩側均固定有一根胸鰭SMA絲(202)；胸鰭SMA絲(202)兩端與所述控制器(I)連接固定； 上述腹鰭(3)包括一塊經成型的鰭狀PC板(301)，鰭狀PC板(301)作為剛性腹鰭;還包括第一端蓋(302)、第二端蓋(303)、彈性柱(304)、若干腹鰭SMA絲(305);第一端蓋(302)與第二端蓋(303)通過彈性柱(304)相連接;第二端蓋(303)與基板(2)相固定;鰭狀PC板(301)的一端固定于第一端蓋(302)上;腹鰭SMA絲(305)的一端與第一端蓋(302)固定，另一端穿過第二端蓋(303)由一個固連在所述基板(2)上的螺釘(306)固定后再與所述控制器(I)連接固定； 上述尾鰭(4)由一條錐形硅膠管(403)、若干間隔片(402)、若干尾鰭SMA絲(401)組成；所述內間隔片布于錐形硅膠管(403)內，所述錐形硅膠管(403)的大端安裝于所述底座(404)上，底座(404)安裝于基板(2)上；所述若干尾鰭SMA絲(401)均勻分布在錐形硅膠管(403)內，尾鰭SMA絲(401)—端固定于底座(404)，另一端依次穿過所有間隔片后折回，再依次穿過所有間隔片后穿過底座的通孔后與所述控制器(I)連接固定。2.根據權利要求1所述的形狀記憶合金絲驅動的仿生魟魚機器魚的工作方法，其特征在于包括以下過程: 所述控制器(I)實現對胸鰭SMA絲(202 )、腹鰭SMA絲(305 )、尾鰭SMA絲(401)加熱從而控制其收縮量； 所述胸鰭SMA絲(202)的收縮用于驅動基板(2)上玻璃纖維條的擺動，進而實現外層硅膠體(205)的運動； 所述腹鰭SMA絲(305)的收縮用于驅動第一端蓋(302)和第二端蓋(303)的相對位置，進而實現腹鰭的運動； 所述尾鰭SMA絲(401)的收縮用于驅動錐形硅膠管(403)的擺動，進而實現尾鰭的運動。
【文檔編號】B63H1/36GK105857556SQ201610247195
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月20日
【發明人】王揚威, 蘭博文, 劉凱, 閆勇程, 趙東標, 陸永華
【申請人】南京航空航天大學