CN104085520B - 轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母 - Google Patents

Abstract

轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母，它涉及一种仿生机器水母，以解决现有机器仿生水母存在的结构复杂、以及仿生机器水母存在运动幅度小，与真实水母的仿生推进行为相差较大的问题，它包括电源和控制及通信模块，它还包括柔性外壳、筒形腹腔、回转体底座、控制及通信模块和若干个环形记忆合金驱动部件；每个环形形状记忆合金驱动部件由形状记忆合金丝及包裹形状记忆合金丝的开口环形柔性管组成，若干个环形形状记忆合金驱动部件分别嵌入柔性外壳的周侧面内；筒形腹腔和回转体底座可拆卸密封连接，电源和控制及通信模块置于筒形腹腔内。本发明用于仿生水母机器的制作。

Description

轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母

技术领域

本发明涉及一种仿生机器水母，属于仿生水母机器人领域。

背景技术

水母作为典型的喷射推进原型，是地球上存在的最古老的游动生物之一，广泛存在于海洋的各个区域。经过长期的进化，它们能够适应多数复杂的洋流环境，这得益于其独特的流体动力学推进机理。相比于其他躯体波状游动或者尾鳍摆动推进形式的鱼类而言，水母具有更高的输运效率和更优越的隐蔽性能。自然环境中的水母，主要是依靠径向分布的肌肉纤维收缩和伸长来带动柔性外壳的收缩和舒展，同时带动壳体内腔水流的运动，在水流的反作用力驱动下，就可以完成前行、转弯等推进行为。近几年，基于水母仿生原型的水下推进机器人受到越来越多的重视。

经文献检索，公开日为2007年8月22日、公开号为CN101020498A、发明申请提出一种机器仿生水母，它首次提出了一种采用电磁铁作为驱动本体，通过带动复位弹簧拉动挡板来实现收缩和舒张的效果，所述的装置采用两个腔体，通过反相控制两个腔体的运动，来交替完成吸水和喷水的过程，进而提高推进效率，但其结构较为复杂，且与真实水母的动作原理有较大区别。公开日为2010年9月15日、公开号为CN101391650B的发明申请提出一种形状记忆合金驱动的仿生机器水母的专利申请，它提出了一种采用U型形状记忆合金条驱动弹性金属片的设计，通过形状记忆合金的收缩和放松来实现弧形金属弹簧片的弯曲和放松，进而带动柔性外壳实现喷水和吸水的动作，所述的装置结构简单，在形态上与真实水母较为相近，但运动幅度较小，所能产生的射流动力有限，与真实水母的推进行为相差较大。

发明内容

本发明为解决现有机器仿生水母存在的结构复杂、以及仿生机器水母存在运动幅度小，与真实水母的仿生推进行为相差较大的问题，进而提供一种轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母包括电源和控制及通信模块，它还包括柔性外壳、筒形腹腔、回转体底座和若干个环形形状记忆合金驱动部件；柔性外壳的外轮廓呈半球形，每个环形形状记忆合金驱动部件由形状记忆合金丝及包裹形状记忆合金丝的开口环形柔性管组成，若干个环形形状记忆合金驱动部件并列设置，若干个环形形状记忆合金驱动部件的轴向与柔性外壳的轴向平行，若干个环形形状记忆合金驱动部件分别嵌入柔性外壳的周侧面内；筒形腹腔和回转体底座嵌入柔性外壳的底部，筒形腹腔和回转体底座可拆卸密封连接，电源和控制及通信模块置于筒形腹腔内，所述电源分别给控制及通信模块和形状记忆合金丝供电，控制及通信模块与形状记忆合金丝电连接。

本发明的有益效果是：轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母主要通过控制形状记忆合金的收缩和恢复来实现在水中的推进。当对形状记忆合金丝通电加热时，它会产生收缩行为，在机器水母的本体上体现出来的就是柔性壳体内腔的收缩，此时会将水流喷射出去，进而产生反向的推进力，这也是水母前向推进是的主要力源；当对形状记忆合金丝断电冷却后，它会开始进行形态恢复，直到初始形状为止，这个过程对应的是柔性外壳的舒张状态，从整个推进周期来看，这是机器水母有效推进的准备阶段，通过有效的循环控制断电和通电，可以实现本发明的机器水母持续推进。

轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母采用环形形状记忆合金结构，加工装配十分简便，控制简单，且易于实现微型化；将形状记忆合金驱动部件、电源和控制及通信模块等，与柔性外壳进行一体化布置，能够从形态上取得较好的仿生效果；此外，本发明的机器水母由多条并列的驱动部件可进行多点同步控制，有利于实现较大的喷水量，实现较高的仿生推进效果，推进速度和效率与实际水母相差较小。

本发明的同轴并列环形形状记忆合金驱动的机器水母具有结构简单、设计灵活、变形幅度大和仿生效果明显的优点。

附图说明

图1是本发明的轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母的主视半剖面结构示意图，图2是图1的俯视结构示意图，图3是两端带导线的形状记忆合金丝的结构示意图，图4是图1的K处放大图，图5是环形形状记忆合金驱动部件的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图5说明，本实施方式的轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母包括电源2和控制及通信模块3，它还包括柔性外壳5、筒形腹腔7、回转体底座8和若干个环形形状记忆合金驱动部件1；柔性外壳5的外轮廓呈半球形，每个环形形状记忆合金驱动部件1由形状记忆合金丝10及包裹形状记忆合金丝的开口环形柔性管12组成，若干个环形形状记忆合金驱动部件1并列设置，若干个环形形状记忆合金驱动部件1的轴向与柔性外壳5的轴向平行，若干个环形形状记忆合金驱动部件1分别嵌入柔性外壳5的周侧面内；筒形腹腔7和回转体底座8嵌入柔性外壳5的底部，筒形腹腔7和回转体底座8可拆卸密封连接，电源2和控制及通信模块3置于筒形腹腔7内，所述电源2分别给控制及通信模块3和形状记忆合金丝10供电，控制及通信模块3与形状记忆合金丝10电连接。

轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母在制作过程中，要注意浮力的控制。由于排水体积相对较小，柔性外壳5可以选用密度较轻的材料。

同时，要注意防水和绝缘，导线11穿过筒形腹腔7要进行防水处理，可采用填充硅胶，导线11与形状记忆合金丝10接触部位要涂绝缘漆或者涂抹硅胶。

具体实施方式二：结合图1说明，本实施方式所述柔性外壳5为硅胶柔性外壳。如此设置，柔性外壳质轻便于控制收缩幅度，进而实现喷射速度的推进。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明，本实施方式所述筒形腹腔7由有机玻璃制成。如此设置，筒形腹腔透明质轻且廉价易得，便于电源和控制及通信模块的存储。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式所述回转体底座8由有机玻璃制成。如此设置，筒形腹腔透明质轻且廉价易得，便于电源和控制及通信模块的存储。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图5说明，本实施方式的若干个环形形状记忆合金驱动部件1同轴并列设置。如此设置，保证了柔性外壳的收缩和恢复性稳定均布，显著提高了仿生效果。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图5说明，本实施方式的环形形状记忆合金驱动部件1的数量为四至八个。如此设置，环形形状记忆合金驱动部件1的数量越多，机器水母的仿生动作效果越好。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1说明，本实施方式的筒形腹腔7的开口端与柔性外壳5的敞口端同向，筒形腹腔7和回转体底座8螺纹连接。如此设置，便于电源和控制及通信模块的储存。其它与具体实施方式一、二、四或六相同。

具体实施方式八：结合图1说明，本实施方式所述环形形状记忆合金驱动部件1与柔性外壳5一体制成。如此设置，加工制造容易，使用方便，便于柔性外壳5的舒展和收缩。其它与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图1说明，本实施方式的筒形腹腔7的底部加工有穿线孔4，所述形状记忆合金丝10通过穿过穿线孔4的导线11与控制及通信模块3连接。如此设置，连接方便可靠，其它与具体实施方式一、二、四、六或八相同。

具体实施方式十：结合图1说明，本实施方式的所述机器水母还包括密封圈6，筒形腹腔7和回转体底座8通过密封圈6密封。如此设置，有利于防水绝缘，电源和控制及通信模块的储存。其它与具体实施方式九相同。

工作过程

通过控制及通信模块给形状记忆合金丝施加一个电脉冲，形状记忆合金丝加热和冷却，利用形状记忆合金丝的记忆效应，其产生收缩和回复变形，进而带动环形形状记忆合金驱动部件产生弯曲和恢复动作，进而使柔性外壳实现收缩和恢复动作，实现柔性外壳的型腔9内的水排出及吸入并达到推进的目的，控制脉冲电的脉宽或电压，即可控制环形记忆合金驱动部件的动作时间和弯曲角度，从而控制柔性外壳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 (8)

1.轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母，它包括电源(2)和控制及通信模块(3)，其特征在于：它还包括柔性外壳(5)、筒形腹腔(7)、回转体底座(8)和若干个环形形状记忆合金驱动部件(1)；柔性外壳(5)的外轮廓呈半球形，每个环形形状记忆合金驱动部件(1)由形状记忆合金丝(10)及包裹形状记忆合金丝的开口环形柔性管(12)组成，若干个环形形状记忆合金驱动部件(1)并列设置，若干个环形形状记忆合金驱动部件(1)的轴向与柔性外壳(5)的轴向平行，若干个环形形状记忆合金驱动部件(1)分别嵌入柔性外壳(5)的周侧面内；筒形腹腔(7)和回转体底座(8)嵌入柔性外壳(5)的底部，筒形腹腔(7)和回转体底座(8)可拆卸密封连接，电源(2)和控制及通信模块(3)置于筒形腹腔(7)内，所述电源(2)分别给控制及通信模块(3)和形状记忆合金丝(10)供电，控制及通信模块(3)与形状记忆合金丝(10)电连接；

所述柔性外壳(5)为硅胶柔性外壳；若干个环形形状记忆合金驱动部件(1)同轴并列设置。

2.根据权利要求1所述的轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母，其特征在于：所述筒形腹腔(7)由有机玻璃制成。

3.根据权利要求1或2所述的轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母，其特征在于：所述回转体底座(8)由有机玻璃制成。

4.根据权利要求3所述的轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母，其特征在于：环形形状记忆合金驱动部件(1)的数量为四至八个。

5.根据权利要求1、2或4所述的轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母，其特征在于：筒形腹腔（7）的开口端与柔性外壳(5)的敞口端同向，筒形腹腔(7)和回转体底座(8)螺纹连接。

6.根据权利要求5所述的轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母，其特征在于：所述环形形状记忆合金驱动部件(1)与柔性外壳(5)一体制成。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母，其特征在于：筒形腹腔(7)的底部加工有穿线孔(4)，所述形状记忆合金丝(10)通过穿过穿线孔(4)的导线(11)与控制及通信模块(3)连接。

8.根据权利要求7所述的轴向并列环形形状记忆合金驱动的机器水母，其特征在于：所述机器水母还包括密封圈(6)，筒形腹腔(7)和回转体底座(8)通过密封圈(6)密封。