CN101391650A - 形状记忆合金丝驱动的仿生机器水母 - Google Patents

Abstract

形状记忆合金丝驱动的仿生机器水母，它涉及一种仿生机器水母。针对现有的仿生机器水母仅是模拟了水母的动作，并没有涉及到驱动等装置，且结构复杂及机器仿生水母的仿生效果与实际水母的动作原理完全不同的问题。动作单元(10)由形状记忆合金丝(12)、弹性体(13)、蒙皮(15)和基体(16)组成，弹性体(13)上固装有基体(16)和形状记忆合金丝(12)，动作单元(10)包覆在伞状柔性层(11)内，蒙皮(15)包裹在形状记忆合金丝(12)的外面，基体(16)和密封盖(3)与支撑体(2)固接，支撑体(2)上固装有电源(7)、控制装置(5)、通讯装置(6)和沉浮控制装置(9)，电源(7)分别给控制装置(5)、通讯装置(6)和形状记忆合金丝(12)供电。本发明的结构简单，质量轻，制作成本低，动作幅度大，仿生效果好。

Description

形状记忆合金丝驱动的仿生机器水母

技术领域

本发明涉及一种仿生机器水母。

背景技术

水下推进是一种比较耗费能量的运输方式，因为推进器必须克服较大的水中阻力。当前最主要的水面运输方式仍然是螺旋桨推进，但这种推进方式有它明显的缺点。首先，推进效率不高，螺旋桨推进在产生推力的同时还产生了无用的扭矩；其次，螺旋桨高度旋转时由于叶背和叶面的压力差而出现的空泡现象使舰体和叶片震动并剥蚀，产生很大的噪音。为此，人们发明了喷水推进装置，并在实际应用中得到较大的发展。常见的喷水推进装置是通过推进泵产生推力，利用泵喷出水流的反作用力推动船舶前进。与螺旋桨推进相比，泵喷水推进抗空泡能力强、推进效率高，并且振动小，噪声较低。然而这种喷水推进方式机械传动机构复杂，体积庞大，并且推力矢量化程度低，不适用于小功率的微小型推进装置。

水生生物经过数亿年的进化，形成了非凡的运动能力，它们既可以在持续游速下保持低能耗、高效率，又能在爆发游速下实现高机动性，这就给了仿生机器学很大的启示，各种各样的仿生水下机器人也应运而生，成为近期研究的热点。水中生物的推进方式大致可分为摆尾法(body caudal fin；BCF)、振鳍法(median paired fin；MPF)及喷水推进法。相对来讲仿摆尾式水下机器人和仿振鳍式水下机器人，结构比较复杂并且效率不高。而仿喷水推进结构简单、机动性好，频率较低，噪声极小，效率很高，非常适合微小型的水下推进装置。

喷水推进即依靠其体内射出的水流实现运动，采用这种运动方式的有腔肠动物中的类水母体纲和软体动物中的头足纲等，水母和乌贼是水中生物中依靠喷水实现推进的代表。在喷水推进中，参数L/D(L为一次喷射中喷出水流的长度，D为喷口直径大小)的值很重要。在静水中喷射参数L/D的值约为4时，其效率最高，随着L/D值的增大，效率逐渐变低。乌贼喷水推进的L/D的值约为几十到上百不等，水母由于喷水口径大，游动速度慢，其L/D的值一般在六到十之间，因此水母推进的速度虽不及乌贼，但其效率要高于乌贼，对能量的利用率比较高。

水母的动作原理是：水母是一种低等的腔肠动物，属钵水母纲，英文名为jellyfish，水母的身体外形像一把透明伞，伞体直径有大有小，伞体内有发达的肌纤维，肌纤维收缩时，伞体内的胃腔就会随之收缩使其中的水挤出，以形成喷射水流而推动水母前进，然后利用收缩过程中储存在外伞肌肉里的弹性应变能，使外伞缓慢地恢复到放松的状态，使水回流至外伞内部。由于水母的身体密度和水的密度是近似的，水母可以在水中浮游，微小的喷水推进力便可推动其灵活运动。

鉴于此，科研工作者们开始对仿生机器水母进行了研究工作，并陆续推出了多种仿生机器水母。

1.授权公告号为CN 2448425Y、授权公告日为2001年9月19日的实用新型专利公开了一种《水母型水中游泳玩具》，它是采用直流电机和减速器驱动螺旋桨进行上下的推进，摆动臂只是完成收缩和扩张动作，对推进力的影响不大，且制作比较复杂，噪声也较大。

2.台湾国立虎尾科技大学研究的仿生水母依照水母缩放喷水的运动特性设计出了三杆和五杆机构，近似模拟了水母的缩放推进运动。但其仅仅是模拟了水母的动作，并没有涉及到驱动等装置，结构相对也比较复杂。

3.专利公告号为CN 101020498A、公开日为2007年8月22日、发明名称为《机器仿生水母》是采用电磁铁作为驱动装置，带动复位弹簧拉动挡板进行收缩和放松动作的，所述装置中存在着两个腔体，交替地完成吸水和喷水动作，可以提高动作的效率，但其仿生效果与实际水母的动作原理完全不同。

4.哈尔滨工程大学采用形状记忆合金丝绕在仿生水母的圆周方向上，通过形状记忆合金丝的收缩引起仿生水母内腔体积的变化，从而实现喷水推进。在喷水基础上，还用离子聚合物模拟了水母的触手。这种结构特点由于形状记忆合金丝的应变有限，最大可达8％，实际应用时约为4％，导致收缩后其腔内体积变化不大，从而只能喷出少量的水，进而产生的推力比较小，动作比较缓慢。

5.哈尔滨工程大学采用形状记忆合金丝的收缩直接拉动四个摆臂进行往复动作，从而将腔内的水喷出的仿生水母装置。这种结构特点是整个动作呈现一个刚性的摆动，结构所占空间大，绝缘等措施相对困难，对水母的动作模拟性不好。

发明内容

本发明的目的是提供一种形状记忆合金丝驱动的仿生机器水母，它可以解决现有的仿生机器水母仅是模拟了水母的动作，并没有涉及到驱动等装置，且结构复杂以及机器仿生水母的仿生效果与实际水母的动作原理完全不同的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明由上腔体、伞体、控制装置、通讯装置、电源以及沉浮控制装置组成；所述上腔体由支撑体和密封盖组成，所述伞体由伞状柔性层和至少三个动作单元组成，所述至少三个动作单元沿着支撑体的圆周方向均布，所述每个动作单元均由形状记忆合金丝、弹性体、蒙皮和基体组成，所述每个弹性体内表面的上端固装有基体，每个弹性体紧贴内表面固装有形状记忆合金丝，形状记忆合金丝的两端固装在基体上，每个动作单元包覆在伞状柔性层内，伞状柔性层与每个形状记忆合金丝之间设置有蒙皮，蒙皮包裹在形状记忆合金丝的外面，所述基体的上端与支撑体的下端面固接，支撑体的上端面与密封盖的下端面固接，所述上腔体内的支撑体上固装有电源、控制装置、通讯装置和沉浮控制装置，所述电源分别为控制装置、通讯装置和形状记忆合金丝供电。

本发明的有益效果是：一、本发明具有结构简单，质量轻，制作成本低，动作幅度大，仿生效果好的优点。二、通过调节电源的电压以及通电的时间就可以方便地改变仿生机器水母的收扩频率和幅度，从而达到对仿生机器水母游动速度的控制。三、本发明无电机、螺旋桨等回转装置，噪声极低，且不会造成杂物的缠绕或渗入，密封简单。四、利用形状记忆合金自身的性质(如电阻等)即可实现反馈功能，不需要额外的检测元件，可以简化控制系统。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视半剖面图，图2是本发明的整体结构主视图，图3是图2的俯视图(去掉密封盖3)，图4是动作单元10的结构示意图，图5是形状记忆合金丝12冷却回复后的动作单元10的结构示意图，图6是形状记忆合金丝12加热收缩后的动作单元10的结构示意图，图7是基体16的结构示意图，图8是蒙皮15的结构示意图，图9是形状记忆合金丝12的结构示意图，图10是弹性体13的结构示意图，图11是本发明在形状记忆合金丝12冷却回复后的主视结构示意图，图12是本发明在形状记忆合金丝12加热收缩后的主视结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图12说明本实施方式，本实施方式由上腔体1、伞体4、控制装置5、通讯装置6、电源7以及沉浮控制装置9组成；所述上腔体1由支撑体2和密封盖3组成，所述伞体4由伞状柔性层11和至少三个动作单元10组成，所述至少三个动作单元10沿着支撑体2的圆周方向均布，所述每个动作单元10均由形状记忆合金丝12、弹性体13、蒙皮15和基体16组成，所述每个弹性体13内表面的上端固装有基体16，每个弹性体13紧贴内表面固装有形状记忆合金丝12，形状记忆合金丝12的两端固装在基体16上，每个动作单元10包覆在伞状柔性层11内，伞状柔性层11与每个形状记忆合金丝12之间设置有蒙皮15，蒙皮15包裹在形状记忆合金丝12的外面，所述基体16的上端与支撑体2的下端面固接，支撑体2的上端面与密封盖3的下端面固接，所述上腔体1内的支撑体2上固装有电源7、控制装置5、通讯装置6和沉浮控制装置9，并用密封盖3将其密封，所述电源7分别为控制装置5、通讯装置6和形状记忆合金丝12供电，动作单元10由形状记忆合金丝12驱动。如此设置，支撑体2在作为其它部件的载体的同时，还给下面的动作单元10提供周向定位，支撑体2可以做成圆形或椭圆形。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

形状记忆合金属于一种智能材料，是一种具有形状记忆效应，并能感知温度和位移及将热能转换成机械能的新型功能材料。自20世纪60年代初在近等原子比TiNi合金中发现形状记忆效应(SME，Shape Memory Effect)以来，至今发现的形状记忆合金已达几十种之多，其中TiNi和Cu-Zn-Al合金已经进入工业阶段，Cu-Al-Ni和Fe-Mn-Si合金已进入市场引入阶段。形状记忆效应是指某些呈现马氏体相变的合金处于低温相时变形，加热到临界温度(逆相变点)通过逆相变有马氏体(Martensite)转化为奥氏体(Austenite)，恢复其原始形状的现象。形状记忆效应可分为单称形状记忆效应，双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。TiNi单程形状记忆合金的动作循环次数与回复应变量有关，在回复应变量分别为6％、2％、1％、0.5％时，其寿命分别为10²、10⁴、10⁶、10⁷次。该合金的最大回复应力约为800MPa，0.5mm丝径的该合金最大回复力约为150N。形状记忆合金作为一种质量轻，输出力大，能用电能驱动的新型制动器，在各种机器人上得到了广泛的运用。

形状记忆合金的驱动方法是比较成熟的。形状记忆合金是一种智能材料，其电阻率、温度、组织形态(马氏体和奥氏体的含量)之间存在着相互的关系。在控制形状记忆合金时，可以通过其自身的特性值如电阻、温度等的变化实现反馈，而不需要其它的检测装置。

对一个特定的形状记忆合金驱动器，在一定的载荷状态下，电阻值、温度、组织形态和变形量关系可以通过实验事先标定。在控制形状记忆合金时，利用测量温度或者电阻的方法得出该形状记忆合金的温度或电阻值，然后根据事先的标定得知形状记忆合金的变形量，从而精确地控制形状记忆合金的动作。当需要形状记忆合金保持某个状态的收缩时，通过控制使形状记忆合金保持相应的温度即可。

本发明中所采用的形状记忆合金丝驱动的动作单元就是利用形状记忆合金丝的这种形状记忆效应工作的，将形状记忆合金丝紧紧贴附于弹性体上，用通电的方式给形状记忆合金丝加热，当其温度超过转变温度时，形状记忆合金丝收缩，但由于它是贴合在弹性体上的，其产生的收缩的力必然带动弹性体产生进一步的弯曲变形，且动作幅度较大，这也就达到了使弹性体摆动的目的，给形状记忆合金丝断电冷却后，形状记忆合金丝恢复到初始的长度，弹性体依靠其自身的弹性恢复到初始状态。

设置蒙皮15的作用是：给形状记忆合金丝12绝缘，使形状记忆合金丝12进一步固定在弹性体13上，使动作单元10弹性更好，为回复动作时存储更多的弹性能。基体16是用来对弹性体13和形状记忆合金丝12固定的，通过此基体16将弹性体13固定在支撑体2上，通过基体16上的通孔17将导线14连接到形状记忆合金丝12上，对形状记忆合金丝12供电，通过电流对形状记忆合金丝12进行加热，通过电流的导体必须绝缘。此外，形状记忆合金丝12还可通过如下方式绝缘：

a.通过在形状记忆合金丝的表面涂绝缘漆或聚合物等，或者套柔性绝缘管等方式实现绝缘；b.在形状记忆合金丝上嵌入弹性件实现绝缘，但必须保证弹性件能在形状记忆合金丝收缩时实现弯曲；c.通过粘贴等方式安装在蒙皮和弹性体之间实现绝缘。综上，只要不影响形状记忆合金丝的收缩，以致其输出力不影响弹性体实现弯曲的其他绝缘方式也在本专利的保护范围之内。形状记忆合金丝不需要作特殊的形状处理，只要在加热达到逆相变点之后收缩，冷却至环境温度之后实现马氏体相变即可。

基体为绝缘材料，绝缘材料为塑料或橡胶。弹性体的初始状态根据所做仿生水母的形貌将弹性体弯成一定角度，并将形状记忆合金丝随着弹性体的形状紧紧附着其上，这样初始时便弯曲一定角度的弹性体一开始便具备了一定的弹性能，形状记忆合金丝通电收缩时，要求弹性体能做出进一步的弯曲，并在形状记忆合金丝冷却回复后，弹性体能顺利恢复到其初始状态。

根据本发明的仿生机器水母有缆和无缆控制方式的不同，也可以通过外部电源的电缆供电即为有缆控制方式。控制多个形状记忆合金丝驱动的摆动关节同时动作，便带动整个伞状柔性层实现收缩动作，进而将伞腔内的水排出，从而达到推进的目的。伞体的下面可以添加一些触须。

具体实施方式二：结合图4、图7、图9和图10说明本实施方式，本实施方式的形状记忆合金丝12为U字形，所述基体16上与U字形形状记忆合金丝12的两端相对应位置处分别设置有一个通孔17，所述形状记忆合金丝12分别通过穿过基体16上的两个通孔17内的导线14与电源的输出端连接。采用U字形的形状记忆合金丝12可保证形状记忆合金丝12与弹性体13有一个较大的接触面积。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图9和图10说明本实施方式，本实施方式的弹性体13为弹性薄片或弹性薄板，弹性薄片或弹性薄板由绝缘材料或由金属材料制成，当弹性薄片为金属材料时，形状记忆合金丝12和弹性体13之间须做绝缘处理。形状记忆合金丝12的截面为圆形、正方形或长方形，所述弹性体13为扁平长条形状，可以根据水母整体形貌的不同做成弯曲不同角度的或者直的，保证形状记忆合金丝12紧紧地贴合在弹性体13上。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的动作单元10的个数为三～八个。关节越多，仿生水母整体动作效果越好。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

本发明的推进原理为：通过控制装置给形状记忆合金丝施加一电脉冲对其进行加热和冷却，利用形状记忆合金丝的记忆效应，使其产生收缩和回复变形，从而带动至少三个动作单元产生弯曲动作和回复动作，进而使得整个伞状柔性层实现收缩动作和恢复动作，以达到将伞腔内的水排出或吸入实现推进的目的。控制脉冲电的脉宽或电压，即可控制动作单元的动作时间和弯曲角度，从而控制伞体的收缩时间和收缩幅度，进而实现对喷出水的速率及体积的控制，得到不同喷射速度的推进。

Claims (9)

1、一种形状记忆合金丝驱动的仿生机器水母，它由上腔体(1)、伞体(4)、控制装置(5)、通讯装置(6)、电源(7)以及沉浮控制装置(9)组成；其特征在于所述上腔体(1)由支撑体(2)和密封盖(3)组成，所述伞体(4)由伞状柔性层(11)和至少三个动作单元(10)组成，所述至少三个动作单元(10)沿着支撑体(2)的圆周方向均布，所述每个动作单元(10)均由形状记忆合金丝(12)、弹性体(13)、蒙皮(15)和基体(16)组成，所述每个弹性体(13)内表面的上端固装有基体(16)，每个弹性体(13)的紧贴内表面固装有形状记忆合金丝(12)，形状记忆合金丝(12)的两端固装在基体(16)上，每个动作单元(10)包覆在伞状柔性层(11)内，伞状柔性层(11)与每个形状记忆合金丝(12)之间设置有蒙皮(15)，蒙皮(15)包裹在形状记忆合金丝(12)的外面，所述基体(16)的上端与支撑体(2)的下端面固接，支撑体(2)的上端面与密封盖(3)的下端面固接，所述上腔体(1)内的支撑体(2)上固装有电源(7)、控制装置(5)、通讯装置(6)和沉浮控制装置(9)，所述电源(7)分别为控制装置(5)、通讯装置(6)和形状记忆合金丝(12)供电。

2、根据权利要求1所述的形状记忆合金丝驱动的仿生机器水母，其特征在于所述形状记忆合金丝(12)为U字形，所述基体(16)上与U字形形状记忆合金丝(12)的两端相对应位置处分别设置有一个通孔(17)，所述形状记忆合金丝(12)分别通过穿过基体(16)上的两个通孔(17)内的导线(14)与电源的输出端连接。

3、根据权利要求1所述的形状记忆合金丝驱动的仿生机器水母，其特征在于所述弹性体(13)为弹性薄片或弹性薄板。

4、根据权利要求3所述的形状记忆合金丝驱动的仿生机器水母，其特征在于所述弹性体(13)为由绝缘材料制成的弹性薄片或弹性薄板。

5、根据权利要求3所述的形状记忆合金丝驱动的仿生机器水母，其特征在于所述弹性体(13)为由金属材料制成的弹性薄片或弹性薄板。

6、根据权利要求1或2所述的形状记忆合金丝驱动的仿生机器水母，其特征在于所述形状记忆合金丝(12)的截面为圆形、正方形或长方形。

7、根据权利要求4或5所述的形状记忆合金丝驱动的仿生机器水母，其特征在于所述弹性体(13)为扁平长条形状。

8、根据权利要求1所述的形状记忆合金丝驱动的仿生机器水母，其特征在于所述动作单元(10)的个数为三～八个。

9、根据权利要求1所述的形状记忆合金丝驱动的仿生机器水母，其特征在于所述伞状柔性层(11)由硅胶材料制成。

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