CN100579865C - 一种水下微型仿生机器鱼 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种水下微型仿生机器鱼。它包括一个半球形头部、一个躯体和一对推动尾。半球形头部前端安装有两个微型红外光电传感器，躯体连接于半球形头部和推动尾之间；所述的躯体是由记忆合金弹簧和套在记忆合金弹簧外的轻质压簧组成的可伸缩躯体；所述的推动尾是两片并排安放在伸缩壳体两侧的ICPF鱼尾。记忆合金弹簧、ICPF分别通过轻质导线与外界电路相连。本发明呈现了一种低电压供电的、新型智能材料驱动的、超低噪音的，水下微型仿生机器鱼。本发明是在研究了一些常见鱼类的运动方式后，综合了水母上浮下潜以及鱼类摆尾前进的特点而设计的。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种仿生、微型机器人，具体地说微型仿生机器鱼。
(二)背景技术
目前国内外已经或正在研制一些微型仿生机器人，比如一些多足昆虫，可以在不规则地面行走；微型侦查蝴蝶，可以用于敌军监视。这些仿生微型机器昆虫的最大特点就是体积小、重量轻、低噪音甚至无噪音。随着精密加工技术的发展和新型智能材料的研发，国内外一些研究机构开始开拓水下微型潜器的研究领域。传统意义上的水下潜器体积巨大，整体机构复杂而且噪音较高，虽然经过多年不懈完善已经出现不少能够稳定工作又令人满意的产品，但是它们也只是工作在空间宽阔的水下领域，水下空隙等区域却少有问津。
水下生物的推进方式已经有很多研究者进行系统的分类和总结，推进效率最高的为摆尾式驱动的鱼类，典型代表为金枪鱼；而水母和乌贼鱼的喷水推进方式是最简单的推进方式，也应该给予高度重视。
目前关于仿生鱼的公开报道也很多，例如专利申请号为200710071834.1、名称为“机器仿生水母”；中国博士学位论文全文数据库中，2006中公开的“NiTi记忆合金动态特性实验研究及其在仿生机器鱼上的应用”；中国优秀硕士学位论文全文数据库，2007中公开的“基于ICPF的八足水下步行仿生微机器人的研究与设计”等技术方案等。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小，运动灵活，超低噪音并且能在水中能进行三个自由度的运动，能够进行简单的蔽障的一种水下微型仿生机器鱼。
本发明的目的是这样实现的：
它包括一个半球形头部、一个躯体和一对推动尾，半球形头部前端安装有两个微型红外光电传感器，躯体连接于半球形头部和推动尾之间；所述的躯体是由记忆合金弹簧和记忆合金弹簧外的轻质压簧组成的伸缩躯体，所述的一对推动尾是两片ICPF(离子聚合物薄膜)材料，并排连接于伸缩壳体的两侧；记忆合金弹簧、ICPF分别通过导线与外界电路相连；躯体与半球形头部、躯体与推动尾之间通过橡胶环形连接块连接；两个环形连接块各半嵌于轻质压簧的两端，记忆合金弹簧穿过环形连接块的孔后挂在绝缘棒上，ICPF尾片粘贴在躯体与推动尾之间的橡胶环形连接块外。
本发明还包括：
1、半球形头部腔内黏附有填充物。
2、在鱼体的最外侧包裹有塑料薄膜。
3、所述的记忆合金弹簧为并联的两段，两段记忆合金弹簧外包覆有聚四氟乙烯薄膜。
4、在ICPF片末端粘结扇状硬质料片，导线通过电极夹与ICPF相连。
半球形的头部前端安装有两个微型红外光电传感器，用于感受外界障碍物的接近；一个伸缩躯体用于改变体积，实现上浮和下潜的动作；一对推动尾，协调动作，实现平面内的前进和转向。
半球形头部用于减小水流的阻力，其内腔顶端并排安装有两个红外光电反射式传感器。半球形内腔其余部分的空腔用于黏附填充物，作为抵消浮力配重使用。
伸缩壳体通过改变体积来实现鱼体在水中的上浮下潜，壳体的伸缩由记忆合金和轻质弹簧制作的往复驱动机构来控制。
摆动尾由两片ICPF并排安放于伸缩壳体两侧构成。
该发明可以在狭小有限空间内进行三自由度的运动，并且可以进行简单的蔽障。三自由度运动实现过程为：
1、上浮状态：伸缩体全部展开状态，这时总体体积最大，鱼体浮于贴近水面的位置；压簧处于完全放松状态，两根记忆合金弹簧被迫拉长并且没有电流通过；ICPF制作的摆尾无运动。
2、下潜状态：伸缩体全部或局部收缩状态，这时总体体积变小，在总体质量一定的情况下鱼体下沉，向下移动远离初始漂浮的位置实现垂直方向的运动；此时两根记忆合金弹簧被持续通电，受热收缩。输出的拉力迫使压簧收缩，鱼体体积变小实现下沉；鱼体收缩的幅度通过改变记忆合金的电流强度来控制，通电电流越大，鱼体的收缩越明显，但为保护记忆合金，通电电流不会超过1A；此时ICPF制作的摆动尾不运动。
3、平面内运动：当上浮或下潜运动结束后，微型鱼体会停留在水下某一位置，记忆合金与压簧保持当时状态不变，ICPF同时向内侧或外侧摆动，夹水推进实现水平直线运动；左转时，左侧ICPF左摆，右侧ICPF不动；右转时，右侧ICPF右摆，左侧ICPF不动。
4、简单的垂直方向蔽障：在鱼体头部并列安装两个微型传感器，用于感受正前方障碍物，该传感器为一种反射式光电开关，包括一个红外光线发射端和一个红外接收端，发射端以规定频率向前发射红外线，当前方出现障碍物，红外光线被反射，由接收端接收，产生电信号，通知记忆合金通电，收缩，减小体积，鱼体下沉避开上方障碍。
本发明有别于传统的，使用电机制作的驱动机构，该发明呈现了一种低电压驱动的、新型智能材料驱动的、无噪音的，水下微型仿水母式机器鱼。是在研究了一些常见鱼类的运动方式后，综合了水母上浮下潜以及鱼类摆尾前进的特点而设计的。其驱动方式主要参考了摆尾鱼类和水母的上浮下潜的运动方式。驱动材料使用形状记忆合金SMA(shape memory alloy)和离子聚合物1CPF(ionicconducting polymer film)。
(四)附图说明
图1是本发明的结构主视图；
图2是图1的侧视图；
图3是本发明的一种实施方式的躯体部分的连接关系图；
图4是本发明的一种实施方式的推动尾部分的连接关系图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1合图2，水下微型仿生机器鱼的组成包括一个半球形头部9、一个躯体和一对推动尾，半球形头部前端安装有两个微型红外光电传感器1，躯体连接于半球形头部和推动尾之间；所述的可伸缩躯体由记忆合金弹簧3和记忆合金弹簧外的轻质压簧4组成；所述的一对推动尾是两片ICPF材料7与扇形塑料薄片8粘结制成，并排安装于伸缩壳体的两侧。记忆合金弹簧、ICPF分别通过导线与外界电路相连。同时结合图3和图4，躯体与半球形头部、躯体与推动尾之间通过橡胶环形连接块2、6连接。环形连接块半嵌于轻质弹簧的两端，记忆合金弹簧穿过环形连接块的孔后挂在绝缘棒11、12上，ICPF通过电机夹粘贴在躯体与推动尾之间的橡胶环形连接块外。半球形头部腔内黏附有填充物。在鱼体的最外侧包裹有塑料薄膜5。所述的记忆合金弹簧为并联的两段，两段记忆合金弹簧外包覆有聚四氟乙烯薄膜。在ICPF片末端粘结扇状硬质塑料片8，导线13通过电极夹14与ICPF相连。
整个鱼体长以厘米计算，为有缆控制，由极轻导线与外界电路相连。导线极细极轻且对微型鱼体运动的影响几乎可以忽略。采用的是丝径0.2mm的镍钛形状记忆合金丝制成的直径为1mm的记忆合金弹簧。用于支撑鱼体的轻质压簧的外直径为10mm，长25mm。记忆合金与压簧的连接处为橡胶制成的规则柱体，截面为圆环形，绝缘、易于加工并且便于安装。该橡胶制品做成的连接块半嵌于压簧之内，压簧的两端均包裹在该橡胶柱体的外侧，三者在压缩弹簧形变过程中作为一个整体运动。为使记忆合金弹簧输出的力更加明显，我们将两段记忆合金并联使用，将它们穿过橡胶连接物中的圆孔，贯通于压缩弹簧的内部，而记忆合金两端的接头挂在绝缘棒上，固定在橡胶接头的最外侧。这样一来，当记忆合金收缩时会将压力传给橡胶接头，由橡胶接头压缩弹簧，从而改变鱼体体积。橡胶接头并不柔软，不会产生明显形变来损耗记忆合金因收缩产生的压力。
然后，在鱼体的最外侧包裹塑料薄膜，紧贴橡胶接头和压簧。为解决记忆合金相互交缠、碰触压缩弹簧内壁造成的漏电问题，使用常见的聚四氟乙烯薄膜分别包裹两段记忆合金，这种聚四氟乙烯薄膜非常柔软，轻薄得几乎透明，并且具有防水作用。由于记忆合金足够细，相变温度较低，外界驱动电压6V左右就足够了。红外光电反射式传感器嵌于半球形头部，有引线与外界相连，其经光线反射输出的电信号只用于控制记忆合金的伸缩。头部填充物选用硅胶，在通电情况下(电流不超过1A)硅胶只会变软而不会融化。
最后在伸缩主体尾部添加一对摆动尾，该摆动尾由ICPF材料制成，为增加该材料的摆动效果。末端粘结扇状硬质塑料片。ICPF由电极夹持，用轻质导线与外界相连。
Claims (5)
1、一种水下微型仿生机器鱼，它包括一个半球形头部、一个躯体和一对推动尾，半球形头部前端安装有两个微型红外光电传感器，其特征是：躯体连接于半球形头部和推动尾之间；所述的躯体是由记忆合金弹簧和记忆合金弹簧外的轻质压簧构成的伸缩躯体，所述的一对推动尾是两片并排安放在伸缩壳体两侧的离子导电聚合物薄膜片；记忆合金弹簧、离子导电聚合物薄膜片分别通过轻质导线与外界电路相连；躯体与半球形头部、躯体与推动尾之间通过橡胶环形连接块连接；两块环形连接块各半嵌于轻质压簧的两端，记忆合金弹簧穿过环形连接块的孔后挂在绝缘棒上，离子导电聚合物薄膜片粘贴在躯体与推动尾之间的橡胶环形连接块外。
2、根据权利要求1所述的一种水下微型仿生机器鱼，其特征是：半球形头部腔内黏附有填充物。
3、根据权利要求2所述的一种水下微型仿生机器鱼，其特征是：在鱼体的最外侧包裹有塑料薄膜。
4、根据权利要求3所述的一种水下微型仿生机器鱼，其特征是：所述的记忆合金弹簧为并联的两段，两段记忆合金弹簧外包覆有聚四氟乙烯薄膜。
5、根据权利要求4所述的一种水下微型仿生机器鱼，其特征是：在离子导电聚合物薄膜片末端粘结扇状硬质塑料片，导线通过电极夹与离子导电聚合物薄膜片相连。
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