專利名稱：形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人。
背景技術(shù)：
世界上第一臺水下機(jī)器人“Poodle”誕生于1953年，由DimitriRebikoff發(fā)明。最初的20多年發(fā)展緩慢。20世紀(jì)70年代以來，隨著海上石油開采的興起和控制技術(shù)的進(jìn)步，水下機(jī)器人的發(fā)展掀起了高潮?，F(xiàn)有的水下機(jī)器人大都采用類似于潛艇的耐壓殼結(jié)構(gòu)或者開方式框架結(jié)構(gòu)，運(yùn)動則是通過螺旋槳和舵來實(shí)現(xiàn)，不夠靈活，能量利用率低，而且在水草較多的場合，水草易卷到螺旋槳上而困住水下機(jī)器人。而水中生物如魚、蛇是通過身體的擺動來實(shí)現(xiàn)其在水中的運(yùn)動，這種運(yùn)動方式具有能量轉(zhuǎn)化率高，無噪聲推進(jìn)，適用場合廣等優(yōu)點(diǎn)。所以，國內(nèi)外競相研制模仿魚等水中生物游動的水下仿生機(jī)器人。
最初研究的機(jī)器魚以尾鰭擺動推進(jìn)居多，如由麻省理工學(xué)院于1994年模仿藍(lán)鰭金槍魚設(shè)計(jì)制造的世界上第一條機(jī)器魚RoboTuna。這條由尾鰭擺動推進(jìn)的機(jī)器魚長約1.2m，由2843個零件組成，關(guān)節(jié)式鋁合金脊柱，中空聚苯乙烯肋骨，網(wǎng)狀泡沫組織，聚氨基甲酸酯彈性纖維紗表皮，內(nèi)部裝有6臺2馬力的無刷直流伺服電動機(jī)、軸承及電路等。該機(jī)器魚在多處理器和高級推進(jìn)系統(tǒng)的控制下，通過擺動軀體和尾巴，能像真魚一樣游動，速度可達(dá)7.2km/h(4kts)。
由于尾鰭擺動推進(jìn)機(jī)器魚單靠尾鰭不能實(shí)現(xiàn)后退游動，這限制了機(jī)器魚在需要后退功能的場合的應(yīng)用。人們開始探索研制波動推進(jìn)的機(jī)器魚，如帶狀波動鰭推進(jìn)的機(jī)器魚、胸鰭波動推進(jìn)的仿生水下機(jī)器人等等。
美國東北大學(xué)(Northwestern University)研制的仿黑鬼魚(圖1)推進(jìn)的帶狀鰭波動推進(jìn)器(圖2)。該推進(jìn)器采用電機(jī)驅(qū)動，由多根鰭輻和柔性鰭膜組成帶狀鰭波動器。這種推進(jìn)器模擬南美的黑鬼魚(Black ghostknifefish)，這種魚的帶狀鰭能在多個方向產(chǎn)生大的加速度，使魚能夠快速到達(dá)它的弱電感知器官探測范圍內(nèi)的點(diǎn)。這種仿生帶狀鰭有潛力應(yīng)用在需要多運(yùn)動自由度，高加速度和高效的位置保持的水下機(jī)器人上。
愛沙尼亞塔爾圖大學(xué)(Tartu University)研制了EAP(電流驅(qū)動聚合物，Electro-Active Polymer，簡稱EAP)驅(qū)動的水下機(jī)器人(圖3)。該機(jī)器人兩側(cè)分別均布8個EAP制成的胸鰭，通過胸鰭作波浪式運(yùn)動產(chǎn)生推力。為了確保與人工肌肉可靠接觸同時也防止離子與聚合體通過肌肉表面的鉑層進(jìn)行交換，采用了0.15μm厚的層壓膠布板將它們固定在框架上。胸鰭全長為110mm，每個瓶狀的肌肉長為40mm，用橡膠薄片固定在框架上。通過水槽中實(shí)驗(yàn)，證明由EAP制成的胸鰭能夠推動該機(jī)器人前進(jìn)，通過錄像帶的觀測，該水下機(jī)器人的平均速度約為0.005m/s。
上述的仿生水下機(jī)器人雖然實(shí)現(xiàn)了魚的游動等仿生功能，但是采用電動機(jī)驅(qū)動的機(jī)器魚，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，質(zhì)量較大，動作噪音大，而采用EAP驅(qū)動的機(jī)器魚輸出力較小，現(xiàn)階段還難以達(dá)到較高的運(yùn)動性能。
海洋中有一類特殊的動物——烏賊(Cuttlefish)(圖4)，它們通過水平的鰭的波動推進(jìn)和噴射來實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。Cuttlefish在身體外套膜周圍有窄而長的鰭。利用鰭進(jìn)行波動推進(jìn)時，Cuttlefish的鰭按照類似于正弦波的波動實(shí)現(xiàn)推進(jìn)，當(dāng)兩側(cè)的鰭的波動不同時，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能；當(dāng)鰭的波動反相時，可實(shí)現(xiàn)后退功能。鰭還可以實(shí)現(xiàn)Cuttlefish的懸浮。由于鰭較窄，而且能在多個方向上產(chǎn)生推力，Cuttlefish可以靈活地在海洋中僅比其身體寬一點(diǎn)的巖石溝壑中任意穿行、前進(jìn)、后退或轉(zhuǎn)彎，而一般的尾鰭擺動推進(jìn)的魚是很難進(jìn)入這種區(qū)域的。如果能利用大能量密度的驅(qū)動器模擬Cuttlefish的鰭的波動推進(jìn)并將其應(yīng)用到水下機(jī)器人上，將拓寬水下機(jī)器人的應(yīng)用場合，但目前為止還沒有這樣的機(jī)器人產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有的水下機(jī)器人存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大、動作噪音大及運(yùn)動性能較差的問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、無噪音的由形狀記憶合金彈簧驅(qū)動、模擬烏賊的鰭進(jìn)行波動推進(jìn)的水下機(jī)器人。一種形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，包括推進(jìn)器，所述推進(jìn)器在結(jié)構(gòu)上包括支架10，支架10上并列設(shè)有兩個轉(zhuǎn)軸11，它還包括形狀記憶合金彈簧5、運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)6和至少四個鰭輻3，所有鰭輻分成兩列且對稱分布在支架10的兩側(cè)，每列中的相鄰兩個鰭輻3之間都連接有柔性蒙皮圖24是具體實(shí)施方式
七所述機(jī)器人兩個鰭輻的運(yùn)動時序圖，在鰭輻上的箭頭表示該鰭輻下一時刻的動作方向，圖25所示是五鰭輻波動示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一形狀記憶合金是一種具有形狀記憶效應(yīng)，并能感知溫度和位移，并能將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的功能材料。自20世紀(jì)60年代初在近等原子比TiNi合金中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)(SME，Shape Memory Effect)以來，至今發(fā)現(xiàn)的形狀記憶合金已達(dá)幾十種之多，其中Ti-Ni和Cu-Zn-Al合金已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)階段，Cu-Al-Ni和Fe-Mn-Si合金已進(jìn)入市場引入階段。形狀記憶效應(yīng)是指某些呈現(xiàn)馬氏體相變的合金處于低溫相時變形，加熱到馬氏體逆相變點(diǎn)通過逆相變有馬氏體(Martensite)轉(zhuǎn)化為奧氏體(Austenite)，恢復(fù)其原始形狀的現(xiàn)象。形狀記憶效應(yīng)可分為單程形狀記憶效應(yīng)，雙程形狀記憶效應(yīng)和全程形狀記憶效應(yīng)。本實(shí)施方式就是利用了形狀記憶合金的上述功能，將其制成形狀記憶合金彈簧作為水下機(jī)器人的驅(qū)動器，從而為水下機(jī)器人的運(yùn)動提供能量。
一種形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，參照圖5、圖6、圖7和圖8，機(jī)器人整體由本體1、通訊裝置17、電源18、沉浮控制系統(tǒng)19、有效載荷20、控制電路21和水平鰭波動推進(jìn)器2組成，所述推進(jìn)器在結(jié)構(gòu)上包括支架10，參照圖9，支架10上并列設(shè)有兩個轉(zhuǎn)軸11，參照圖10，它還包括形狀記憶合金彈簧5、運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)6和至少四個鰭輻3，所有鰭輻分成兩列且對稱分布在支架10的兩側(cè)，每列中的相鄰兩個鰭輻3之間都連接有柔性蒙皮4，鰭輻與柔性蒙皮4連接即形成鰭。每個鰭輻3的端頭都分別固定在各自的運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)6上，所述運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)6設(shè)置在轉(zhuǎn)軸11上，形狀記憶合金彈簧5的一個端頭固定在運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)6上，形狀記憶合金彈簧5的另一端固定在支架10上。
該水下機(jī)器人可以是有纜機(jī)器人也可以是無纜機(jī)器人，有纜機(jī)器人是通過電纜向機(jī)器人提供能源，這種機(jī)器人可以不在本體中安裝供形狀記憶合金驅(qū)動器用的電源18。
在不同場合使用的機(jī)器人可以使用數(shù)量不同的鰭輻，以優(yōu)化運(yùn)動。在結(jié)構(gòu)上，形狀記憶合金彈簧5和運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)6設(shè)置在機(jī)器人本體1內(nèi)，鰭輻3伸出到機(jī)器人本體1的外面，本體1的側(cè)面開有供鰭輻3轉(zhuǎn)動的開4，每個鰭輻3的端頭都分別固定在各自的運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)6上，所述運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)6設(shè)置在轉(zhuǎn)軸11上，形狀記憶合金彈簧5的一個端頭固定在運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)6上，形狀記憶合金彈簧5的另一端固定在支架10上。
本發(fā)明利用智能材料形狀記憶合金彈簧作為驅(qū)動器，模仿烏賊的鰭的波動實(shí)現(xiàn)推進(jìn)，為水下機(jī)器人提供了一種新型的、靈活的、無聲的推進(jìn)裝置，使該仿生水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動裝置所占的體積小，動作靈活。該推進(jìn)裝置不易受淺海區(qū)水草等的影響，應(yīng)用該推進(jìn)器的水下機(jī)器人可以行進(jìn)在巖石溝縫、水草較多的海域，執(zhí)行觀測、潛伏等任務(wù)，利于推廣應(yīng)用。


圖1是黑鬼魚的外形示意圖，圖2是美國東北大學(xué)(NorthwesternUniversity)研制的仿黑鬼魚推進(jìn)的帶狀鰭波動推進(jìn)器外形示意圖，圖3是愛沙尼亞塔爾圖大學(xué)(Tartu University)研制的EAP(電流驅(qū)動聚合物，Electro-Active Polymer，簡稱EAP)驅(qū)動的水下機(jī)器人外形示意圖，圖4是烏賊的外形示意圖，圖5是本發(fā)明所述機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是圖5的俯視圖，圖7是圖5的側(cè)視圖，圖8是本發(fā)明所述機(jī)器人的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖9是具體實(shí)施方式
一所述的不帶形狀記憶合金彈簧5的推進(jìn)器的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖10是從另一角度表示的帶形狀記憶合金彈簧5結(jié)構(gòu)推進(jìn)器的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖11是單側(cè)水平鰭某個波動狀態(tài)示意圖，圖12是雙面齒條的運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)與形狀記憶合金彈簧和鰭輻的連接關(guān)系示意圖，圖13是具體實(shí)施方式
一所述的鰭輻與柔性蒙皮之間通過粘貼的連接方式示意圖，圖14是具體實(shí)施方式
一所述的鰭輻與柔性蒙皮之間通過穿入的連接方式示意圖，圖15是具體實(shí)施方式
二所述相對稱的兩個扇形齒輪分別與一個單面齒條相嚙合的結(jié)構(gòu)示意圖，圖16是具體實(shí)施方式
三所述杠桿結(jié)構(gòu)的推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖17是具體實(shí)施方式
三所述一條形狀記憶合金彈簧同時與兩個杠桿進(jìn)行連接的結(jié)構(gòu)示意圖，圖18是具體實(shí)施方式
四所述一條形狀記憶合金彈簧只與一個杠桿進(jìn)行連接的結(jié)構(gòu)示意圖，圖19是具體實(shí)施方式
五所述形狀記憶合金彈簧繞過滑輪與齒條連接結(jié)構(gòu)示意圖，圖20是具體實(shí)施方式
六所述轉(zhuǎn)向舵的結(jié)構(gòu)示意圖，圖21是具體實(shí)施方式
七所述機(jī)器人的外形示意圖，圖22是圖21的俯視圖，圖23是圖21的側(cè)視圖，口；在相鄰的鰭輻上連接柔性的蒙皮作為鰭膜，這樣鰭輻3在水中波動時就可以產(chǎn)生推力。工作時，鰭輻3、形狀記憶合金彈簧5、運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)6都暴露在水中，形狀記憶合金在水中散熱快，從而可以達(dá)到較高的運(yùn)動頻率，但是需要將形狀記憶合金彈簧5及與其連接的導(dǎo)線與周圍的水進(jìn)行絕緣，本實(shí)施方式的絕緣方式為在形狀記憶合金彈簧5及導(dǎo)線的表面涂覆絕緣漆，實(shí)際使用中也可以采用包裹橡膠、聚合物、聚四氟乙烯絕緣層的方式進(jìn)行絕緣。
本實(shí)施方式所述形狀記憶合金彈簧5是TiNi單程形狀記憶合金。實(shí)驗(yàn)證明，TiNi單程形狀記憶合金的動作循環(huán)次數(shù)與回復(fù)應(yīng)變量有關(guān)，在2％的回復(fù)應(yīng)變量下能循環(huán)動作10萬次以上。該合金的最大回復(fù)應(yīng)力為60kg/mm2。在具體實(shí)施中，所述形狀記憶合金彈簧不限定材料，只要馬氏體相變點(diǎn)Ms和Mf高于環(huán)境溫度，而馬氏體逆相變溫度As和Af稍高于環(huán)境溫度，不影響電流加熱動作即可。
采用本實(shí)施方式所述的單程形狀記憶合金彈簧作為驅(qū)動器使得機(jī)器人的推進(jìn)機(jī)構(gòu)簡單而又可靠。形狀記憶合金彈簧采用電流加熱，加熱電流受控制電路控制，控制電路按照每隔一段時間檢測一次形狀記憶合金彈簧的參數(shù)如電阻、溫度等，確定形狀記憶合金彈簧的狀態(tài)，然后再控制電流大小或者電流脈沖的寬度來加熱形狀記憶合金彈簧，使形狀記憶合金彈簧繼續(xù)動作、保持動作或者斷電冷卻，從而通過運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)來控制鰭輻3實(shí)現(xiàn)類似于正弦波的波動。本實(shí)施方式所述形狀記憶合金彈簧驅(qū)動鰭輻的運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)6是齒輪齒條傳遞機(jī)構(gòu)，參照圖9、圖10、圖12、圖15、圖19，它的具體結(jié)構(gòu)包括扇形齒輪7和與其嚙合的齒條8，所述扇形齒輪7通過孔安裝在轉(zhuǎn)軸11上，只有一個轉(zhuǎn)動自由度。扇形齒輪7的后端與鰭輻3固接，齒條8的兩端分別通過各自的形狀記憶合金彈簧5與支架10連接，構(gòu)成差動式形狀記憶合金彈簧驅(qū)動器。工作時，形狀記憶合金彈簧5拉動齒條8動作，齒條8拉動扇形齒輪7轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)鰭輻3的轉(zhuǎn)動。本實(shí)施方式所述機(jī)器人上不設(shè)有偏壓彈簧等恢復(fù)裝置，而是采用了差動式的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動器，即在齒條8的兩端分別通過各自的形狀記憶合金彈簧5與支架10連接，齒條8一端的形狀記憶合金彈簧5受電流加熱溫度上升到馬氏體逆向變之后收縮，產(chǎn)生動作；當(dāng)形狀記憶合金彈簧5冷卻需要恢復(fù)原長時，通過齒條8另一端的形狀記憶合金彈簧5動作使其恢復(fù)原長。
本實(shí)施方式所述齒條8為雙面齒條，參照圖12，對稱設(shè)置的兩個扇形齒輪7共用一個雙面齒條，這樣，同一對鰭輻以相同的動作擺動，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)，后退，上升，下潛的動作。
圖5、圖6、圖7和圖8所示的是十個鰭輻的水平鰭(每側(cè)五個，每個鰭輻單獨(dú)驅(qū)動)的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，圖11是單側(cè)水平鰭某個波動狀態(tài)示意圖，圖25所示是五鰭輻波動示意圖，其中n為自然數(shù)，箭頭表示的是該關(guān)節(jié)下一時刻的運(yùn)動方向。當(dāng)每側(cè)的鰭波動成正弦波(可以是幾分之一個波長也可以是一個以上波長)的形狀時，鰭會產(chǎn)生沿著水下機(jī)器人軸線方向的推力，從而推動機(jī)器人向前運(yùn)動，所述鰭輻的材料為塑料、金屬、橡膠或其他剛性較好的細(xì)桿，柔性蒙皮可以通過直接粘貼、穿入等方式連接到鰭輻上。具體連接的方式可以是下面的任意一種，也可以是其它能實(shí)現(xiàn)連接的任何方式。
(1)粘貼方式在柔性蒙皮上通過粘接的方式連上內(nèi)徑稍大于鰭輻的套管，套管插在鰭輻外部實(shí)現(xiàn)連接，如圖13所示；(2)穿入方式由兩層薄膜互相緊密粘貼，留出插入鰭輻的長條空間，鰭輻插入到這些空間中實(shí)現(xiàn)連接，如圖14所示。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同之處在于，所述齒條8為單面齒條，參照圖15，每個單面齒條與一個扇形齒輪7相嚙合，安裝時，僅嚙合需要傳動的鰭輻的扇形齒輪即可，齒條的另一面由支架支持。這種驅(qū)動方式使鰭輻的轉(zhuǎn)角與齒條的移動距離成線性關(guān)系，有利于控制。
由于每個單面齒條與一個扇形齒輪7相嚙合，這樣每個鰭輻都單獨(dú)驅(qū)動，使用時就可以控制相對稱的兩個鰭輻作相同的運(yùn)動或者有一定相位差的運(yùn)動，則機(jī)器人本體兩側(cè)的鰭會按照相同的動作運(yùn)動或者有一定相位差的動作運(yùn)動。當(dāng)兩側(cè)的鰭按照相同的動作運(yùn)動時，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)功，如前進(jìn)，后退，上升，下潛等等。當(dāng)兩側(cè)的鰭按照一定相位差運(yùn)動時，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。當(dāng)兩側(cè)的鰭的運(yùn)動完全相反時，可實(shí)現(xiàn)原地打轉(zhuǎn)的運(yùn)動，這是尾鰭擺動推進(jìn)難以實(shí)現(xiàn)的。這種方式可以使波動鰭靠近本體邊緣安裝，實(shí)現(xiàn)多種波動方式，發(fā)揮最大效用，并節(jié)省本體的空間，以安裝更多的有效載荷。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同之處在于，所述運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)6是杠桿傳遞機(jī)構(gòu)，參照圖16、圖17和圖18，鰭輻3連接到轉(zhuǎn)軸11上，并延伸出一段作為杠桿9，所述杠桿9的上端和下端都通過形狀記憶合金彈簧5與支架10連接。由于形狀記憶合金彈簧5的一端連接在支架10上，另一端連接到杠桿9上，這樣，形狀記憶合金彈簧的收縮或伸長即可拉動杠桿轉(zhuǎn)動，進(jìn)而拉動鰭輻轉(zhuǎn)動。由于杠桿設(shè)置在轉(zhuǎn)軸11上，因此杠桿只有一個轉(zhuǎn)動自由度。
本實(shí)施方式所述對稱設(shè)置的兩個杠桿9的上端與同一個形狀記憶合金彈簧5連接，對稱設(shè)置的兩個杠桿9的下端與同一個形狀記憶合金彈簧5連接，其結(jié)構(gòu)如圖17所示，即同一條形狀記憶合金彈簧5的一端同時連接兩個杠桿9，以同時拉動兩個鰭輻運(yùn)動，這樣同一對鰭輻以相同的動作擺動，本實(shí)施方式控制每個鰭輻轉(zhuǎn)動范圍為上下各30°，從而使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)，后退，上升，下潛的動作。形狀記憶合金彈簧5與杠桿9之間可以直接連接，也可以通過連接體15和拉線16進(jìn)行連接。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
三不同之處在于，每個杠桿9的上端和下端都分別與各自的形狀記憶合金彈簧5連接，參照圖18，即每個形狀記憶合金彈簧5連接杠桿9的那一端只連接一個杠桿，并通過相應(yīng)的杠桿只拉動相應(yīng)的一個鰭輻，這樣每個鰭輻都單獨(dú)驅(qū)動，使用時就可以控制相對稱的兩個鰭輻作相同的運(yùn)動或者有一定相位差的運(yùn)動，則機(jī)器人本體兩側(cè)的鰭會按照相同的動作運(yùn)動或者有一定相位差的動作運(yùn)動。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一、二、三、四不同之處在于，所述形狀記憶合金彈簧5的一端和/或兩端通過連接體15和拉線16與運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)6及支架10連接，所述支架10上設(shè)有滑輪14，所述拉線16繞過滑輪14后固定在支架10或運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)6上，參照圖9、圖10、圖19。上述結(jié)構(gòu)的目的在于，以齒輪齒條傳遞機(jī)構(gòu)為例，齒條需要較多的運(yùn)動空間，如果兩個形狀記憶合金彈簧直接連在齒條的上方或者下方，可能會使驅(qū)動機(jī)構(gòu)在高度方向的尺寸過大。這種情況下形狀記憶合金彈簧可以與齒條并行排列，參照圖19，齒條前后各有一個形狀記憶合金彈簧，滑輪安裝在齒條上方，連接在支架上，其軸線平行于齒輪。連接形狀記憶合金彈簧的拉線繞過滑輪連接到齒條上，形狀記憶合金彈簧的位移輸出通過拉線和使拉線轉(zhuǎn)向的滑輪傳遞給齒條，這樣就能減小支架10高度方向的尺寸。所述滑輪也可以用圓桿或其他轉(zhuǎn)向元件代替，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
具體實(shí)施方式
六如具體實(shí)施方式
一、三所述結(jié)構(gòu)，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動，如前進(jìn)，后退，上升，下潛等等，但若此種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人需要轉(zhuǎn)彎時，則需要安裝轉(zhuǎn)向用的舵。本實(shí)施方式即提供一種安裝在支架后部的轉(zhuǎn)向舵，參照圖9、圖10、圖21、圖22，轉(zhuǎn)向舵在結(jié)構(gòu)上包括一連接在支架上的呈豎直狀態(tài)的轉(zhuǎn)軸11，參照圖20，在轉(zhuǎn)軸11上設(shè)有與其垂直的轉(zhuǎn)動桿12，在轉(zhuǎn)動桿12的兩端分別連接有形狀記憶合金彈簧5，所述形狀記憶合金彈簧5的另一端頭固定在前端的支架10上，所述轉(zhuǎn)軸11的后端設(shè)有與轉(zhuǎn)軸11固定的舵13。
所述轉(zhuǎn)向舵仍由差動式形狀記憶合金彈簧驅(qū)動器來驅(qū)動。舵通過轉(zhuǎn)軸11安裝在支架尾部，通過轉(zhuǎn)動桿12在轉(zhuǎn)軸11兩側(cè)分別連接了一個形狀記憶合金彈簧，構(gòu)成形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的差動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。當(dāng)舵需要轉(zhuǎn)動時，如向左轉(zhuǎn)時，左側(cè)的形狀記憶合金彈簧加熱收縮，拉動舵向左轉(zhuǎn)。當(dāng)舵需要保持偏轉(zhuǎn)動作時，控制系統(tǒng)控制收縮的形狀記憶合金彈簧溫度保持不變，以維持收縮的狀態(tài)使舵保持偏轉(zhuǎn)。當(dāng)舵要恢復(fù)初始的不偏轉(zhuǎn)狀態(tài)時，右側(cè)的形狀記憶合金彈簧加熱收縮，并由控制系統(tǒng)控制收縮量，使舵恢復(fù)初始的不偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式所述仿生水下機(jī)器人共有四個鰭輻，本體兩側(cè)各有兩個，兩側(cè)對應(yīng)的兩個鰭輻由同一組形狀記憶合金彈簧來驅(qū)動，形狀記憶合金彈簧與齒條平行排列，以減小高度。形狀記憶合金彈簧的輸出通過滑輪和拉線與支架和齒條連接，在機(jī)器人尾部有舵，舵的結(jié)構(gòu)如圖20所示，采用差動式形狀記憶合金彈簧驅(qū)動器。圖21、22、23為該仿生水下機(jī)器人的外形圖。該機(jī)器人鰭的波動模擬1/4個波長的波，一側(cè)的兩個鰭輻的運(yùn)動示意圖如圖24所示。
權(quán)利要求
1.一種形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，它包括推進(jìn)器，其特征在于所述推進(jìn)器在結(jié)構(gòu)上包括支架(10)，支架(10)上并列設(shè)有兩個轉(zhuǎn)軸(11)，它還包括形狀記憶合金彈簧(5)、運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)(6)和至少四個鰭輻(3)，所有鰭輻分成兩列且對稱分布在支架(10)的兩側(cè)，每列中的相鄰兩個鰭輻(3)之間都連接有柔性蒙皮(4)，每個鰭輻(3)的端頭都分別固定在各自的運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)(6)上，所述運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)(6)設(shè)置在轉(zhuǎn)軸(11)上，形狀記憶合金彈簧(5)的一個端頭固定在運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)(6)上，形狀記憶合金彈簧(5)的另一端固定在支架(10)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，其特征在于運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)(6)是齒輪齒條傳遞機(jī)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)包括扇形齒輪(7)和與其嚙合的齒條(8)，所述扇形齒輪(7)通過孔安裝在轉(zhuǎn)軸(11)上，扇形齒輪(7)的后端與鰭輻(3)固接，齒條(8)的兩端分別通過各自的形狀記憶合金彈簧(5)與支架(10)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，其特征在于所述齒條(8)為雙面齒條，對稱設(shè)置的兩個扇形齒輪(7)共用一個雙面齒條。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，其特征在于所述齒條(8)為單面齒條，每個單面齒條與一個扇形齒輪(7)相嚙合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，其特征在于運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)(6)是杠桿傳遞機(jī)構(gòu)，鰭輻(3)連接到轉(zhuǎn)軸(11)上，并延伸出一段作為杠桿(9)，所述杠桿(9)的上端和下端都通過形狀記憶合金彈簧(5)與支架(10)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，其特征在于對稱設(shè)置的兩個杠桿(9)的上端與同一個形狀記憶合金彈簧(5)連接，對稱設(shè)置的兩個杠桿(9)的下端與同一個形狀記憶合金彈簧(5)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，其特征在于每個杠桿(9)的上端和下端都分別與各自的形狀記憶合金彈簧(5)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或6所述的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，其特征在于在支架(10)的后部設(shè)有轉(zhuǎn)向舵，轉(zhuǎn)向舵在結(jié)構(gòu)上包括一連接在支架上的呈豎直狀態(tài)的轉(zhuǎn)軸(11)，在轉(zhuǎn)軸(11)上設(shè)有與其垂直的轉(zhuǎn)動桿(12)，在轉(zhuǎn)動桿(12)的兩端分別連接有形狀記憶合金彈簧(5)，所述形狀記憶合金彈簧(5)的另一端頭固定在前端的支架(10)上，所述轉(zhuǎn)軸(11)的后端設(shè)有與轉(zhuǎn)軸(11)固定的舵(13)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7所述的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，其特征在于所述形狀記憶合金彈簧(5)的一端和/或兩端通過連接體(15)和拉線(16)與運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)(6)及支架(10)連接，所述支架(10)上設(shè)有滑輪(14)，所述拉線(16)繞過滑輪(14)后固定在支架(10)或運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)(6)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7所述的形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，其特征在于在所述形狀記憶合金彈簧(5)的表面涂覆絕緣漆或包裹橡膠、聚合物、聚四氟乙烯絕緣層的方式進(jìn)行絕緣。
全文摘要
形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，涉及一種機(jī)器人。為解決現(xiàn)有的水下機(jī)器人存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大、動作噪音大及運(yùn)動性能較差的問題而提供一種形狀記憶合金彈簧驅(qū)動的胸鰭波動推進(jìn)仿生水下機(jī)器人，它包括推進(jìn)器，所述推進(jìn)器包括支架(10)、形狀記憶合金彈簧(5)、運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)(6)和至少四個鰭輻(3)，所述運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)(6)設(shè)置在轉(zhuǎn)軸(11)上，形狀記憶合金彈簧(5)的一個端頭固定在運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)(6)上，形狀記憶合金彈簧(5)的另一端固定在支架(10)上。本發(fā)明所述水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動裝置所占的體積小，動作靈活。該推進(jìn)裝置不易受淺海區(qū)水草等的影響，應(yīng)用該推進(jìn)器的水下機(jī)器人可以行進(jìn)在巖石溝縫、水草較多的海域，執(zhí)行觀測、潛伏等任務(wù)，利于推廣應(yīng)用。
文檔編號B63H1/36GK1903657SQ200610010338
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月28日
發(fā)明者王振龍, 杭觀榮, 曹國輝, 王揚(yáng)威, 曾偉梁 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)