CN105857556B - 形状记忆合金丝驱动的仿生魟鱼及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种形状记忆合金丝驱动的水下仿生机器鱼及其工作方法，属于机器人技术领域。该机器鱼主要包括一下几个部分：控制器（1）、腹鳍（3）、尾鳍（4）、和胸鳍。该机器鱼通过控制分步在玻璃纤维板两侧的SMA的伸缩量来实现鱼身的柔性摆动，控制嵌入尾巴中的SMA丝实现尾鳍的柔性摆动。通过腹鳍部分的SMA来控制腹鳍的运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种形状记忆合金丝驱动的水下仿生机器鱼及其工作方法，属于机器人技术领域。
背景技术
随着科技的不断发展，人类对海洋资源的开发利用逐渐加深，同时更加积极地发展海底勘探作业、海洋生态环境考察以及海洋军事战略等领域。因此，对于水下机器人的需求与要求也越来越高。作为水下机器人的一个分支，仿生水下机器人随着日益发展的海洋事业活动并同先进制造技术、智能材料的应用等学科，逐渐成为研究的热点。仿生水下机器人是一类以水生生物为仿生原型，模仿其游动或推进模式而设计出的能够实现水下交互作业的机器人，在众多水生生物中，鱼类因其非凡的水下运动能力以及游动时高效、低噪和高机动性的特点倍受各国仿生科研工作者的青睐。
水下仿生机器鱼作为一个水下高技术仪器设备的集成体，在军事、民用、科研等领域体现出广阔的应用前景和巨大的潜在价值。水下仿生机器鱼是从模仿鱼类游动开始的，从最初利用电机驱动机械系统模仿鱼类尾部的摆动实现推进，发展到现阶段采用新型仿生材料和新型仿生驱动方式实现推进。提高了仿生机器人的推进效率和运动机动性。目前正向着材料与结构一体化的柔性驱动方向发展。近几十年来，各类性能优异的仿生机器鱼相继问世，大大提高了仿生水下机器人的游动效率、机动性和应对水下复杂环境的能力，充分展示了其广阔的应用前景和潜在价值。水下仿生机器人作为一个水下高技术仪器设备的集成体，在军事、民用、科研等领域体现出广阔的应用前景和巨大的潜在价值。
1994年，世界上第一条仿生机器鱼在美国麻省理工学院被成功研制，名为“RoboTuna”；2011 年，北京航空航天大学机器人所研发的仿生牛鼻鲼样机，采用鳍条式驱动,对鳍条分别布置在身体两侧，每个鳍条通过伺服电动机驱动，其控制系统可实现手动控制、航向控制以及GPS导航游动三种控制模式；2013年，麻省理工学院电气工程与计算机科学系研制了新型气压驱动的仿生机器鱼，该机器鱼同时具备快速加速性能和持续运动能力。研究发现其逃生响应模式下的运动性能和可控性与真实鱼的接近；2006年，中国科学技术大学章永华等人于设计了SMA弹簧驱动的仿生机器鱼关节机构。通过鱼体侧面的两组合金丝弹簧交替加热的方式实现尾鳍的绕转轴的摆动，并通过流水直接冷却方式来提高鱼尾摆动频率。
目前应用传统的电动、液压、气压方式驱动的大中型仿生机器鱼保持着游动速度快、驱动力大等明显的优势，已经在实际应用中发挥了一定的作用，然而在中小型机器鱼的应用上智能材料具有无可比拟的优势。相较于传统的驱动方式，SMA丝驱动具有结构简易、柔性好、噪声低以及易于产生复杂运动等优点，因此逐步成为了小型水下仿生机器人驱动器的主要发展趋势。
发明内容
本发明的目的是制作一种形状记忆合金丝驱动的水下仿生机器鱼及其工作方法,可以实现模仿生物魟鱼游动过程中的身体与尾巴的全柔性摆动。
一种形状记忆合金丝驱动的仿生魟鱼机器鱼，其特征在于：包括胸鳍、两条腹鳍、一条尾鳍、控制器；上述胸鳍包括基板和外层硅胶体；所述外层硅胶体与基板相固定；其中基板为一片玻璃纤维板，所述控制器安装于玻璃纤维板中部，玻璃纤维板的外部被裁剪成若干玻璃纤维条；每一玻璃纤维条两侧均固定有一根胸鳍SMA丝；胸鳍SMA丝两端与所述控制器连接固定；上述腹鳍包括一块经成型的鳍状PC板，鳍状PC板作为刚性腹鳍；还包括第一端盖、第二端盖、弹性柱、若干腹鳍SMA丝；第一端盖与第二端盖通过弹性柱相连接；第二端盖与基板相固定；鳍状PC板的一端固定于第一端盖上；腹鳍SMA丝的一端与第一端盖固定，另一端穿过第二端盖由一个固连在所述基板上的螺钉固定后再与所述控制器连接固定；上述尾鳍由一个底座、一条锥形硅胶管、若干间隔片、若干尾鳍SMA丝组成；所述间隔片布于锥形硅胶管内，所述锥形硅胶管的大端安装于所述底座上，底座安装于基板上；所述若干尾鳍SMA丝均匀分布在锥形硅胶管内，尾鳍SMA丝一端固定于底座，另一端依次穿过所有间隔片后折回，再依次穿过所有间隔片后穿过底座的通孔后与所述控制器连接固定。
所述的形状记忆合金丝驱动的仿生魟鱼机器鱼的工作方法，其特征在于包括以下过程：所述控制器实现对胸鳍SMA丝、腹鳍SMA丝、尾鳍SMA丝加热从而控制其收缩量；所述胸鳍SMA丝的收缩用于驱动基板上玻璃纤维条的摆动，进而实现外层硅胶体的运动；所述腹鳍SMA丝的收缩用于驱动第一端盖和第二端盖的相对位置，进而实现腹鳍的运动；所述尾鳍SMA丝的收缩用于驱动锥形硅胶管的摆动，进而实现尾鳍的运动。
本发明的柔性机械臂机构因其特殊的结构设计，可以实现模仿生物魟鱼游动过程中的身体与尾巴的全柔性摆动。利用SMA丝的形状记忆效应，在一定温度条件下，实现相变收缩，来为胸鳍、腹鳍和尾鳍的摆动提供动力源，整个结构简单。其中胸鳍在SMA丝、玻璃纤维板及外层硅胶体的共同作用下，可以实现整体的波浪形摆动、全柔性的自由摆动等。尾鳍部分在SMA与硅胶的作用下可实现半球面内的任意弯曲运动。通过控制基板两侧每根SMA丝的形变量可以实现各种复杂的符合运动。本发明的仿生魟鱼机构，可用于深海勘测、水下侦察和手下救援等相关领域。
附图说明
图1是魟鱼机构结构示意图；
图2是基板结构示意图；
图3是腹鳍结构示意图；
图4是尾鳍结构示意图；
图5是魟鱼机构俯视图；
图6是魟鱼机构侧视图；
图7是魟鱼机构正视图；
图中标号名称：1.控制器，2.基板，3.腹鳍，4.尾鳍， 201.玻璃纤维板，202. 胸鳍SMA丝，203螺栓，205.外层硅胶体，301.鳍状PC板，302.第一端盖，303.第二端盖，304.弹性柱，305腹鳍SMA丝，306螺钉，401尾鳍SMA丝，402间隔片，403锥形硅胶管，404底座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的形状记忆合金丝驱动仿生魟鱼机构的具体技术方案进行描述。
如图1、2、3、4所示，本发明的柔性机械臂机构由胸鳍、两条腹鳍3、尾鳍4、控制器1组成。本发明的一种形状记忆合金丝驱动的仿生魟鱼机构，其特征在于：所述的仿生柔性魟鱼机构包括胸鳍、两条腹鳍3、尾鳍4、控制器1；胸鳍包括基板2和外层硅胶体205；所述外层硅胶体205与基板2相固定；其中基板2为一片玻璃纤维板201，所述控制器1安装于玻璃纤维板201中部，玻璃纤维板201的外部被裁剪成若干玻璃纤维条以实现胸鳍的摆动；每一玻璃纤维条两侧均固定有一根胸鳍SMA丝202；胸鳍SMA丝202两端与所述控制器1连接固定，每根胸鳍SMA丝通过安装在两个玻璃纤维条上的螺栓203固定，并使用硅橡胶粘在玻璃纤维条上。胸鳍SMA丝两端在控制器内通过导线与加热电路连接，通过直接通电加热方式，控制加热时间来控制各条SMA的温度，使得每条SMA发生所需要的相变从而产生所需的收缩量，依此来控制基板2的摆动姿态与摆动角度并带动外层硅胶体205的摆动，从而实现胸鳍部分的运动。
腹鳍3包括一块经成型的鳍状PC板301，鳍状PC板301作为刚性腹鳍；还包括第一端盖302、第二端盖303、弹性柱304、若干腹鳍SMA丝305；第二端盖303与基板2相固定；鳍状PC板301的一端固定于第一端盖302上；第一端盖302和第二端盖303间通过弹性柱304连接。腹鳍SMA丝305的一端与第一端盖302固定，另一端穿过第二端盖303由一个固连在所述基板2上的螺钉306固定后再与所述控制器1连接固定，腹鳍SMA丝305在控制器内与加热电路连接实现对其加热时间的控制从而控制其收缩量用于控制第一端盖302和第二端盖303的相对位置，进而实现腹鳍的运动。
其中尾鳍4由一个底座404、一条锥形硅胶管403、若干间隔片402、若干尾鳍SMA丝401组成；所述间隔片等距布于锥形硅胶管403内，所述锥形硅胶管403的大端安装于所述底座404上，底座404安装于基板2上；所述若干尾鳍SMA丝401均匀分布在锥形硅胶管403内，所述间隔片402均具有用于SMA丝定位的固定孔；每根SMA丝的一端固定于底座的一个固定孔，尾鳍SMA丝401一端固定于底座404，另一端依次穿过所有间隔片后折回，再依次穿过所有间隔片后穿过底座的通孔后与所述控制器1连接固定。每根SMA两端在控制器内通过导线与加热电路连接，通过直接通电加热方式控制其收缩量，从而控制尾鳍4的弯曲方向与弯曲角度。
Claims (2)
1.一种形状记忆合金丝驱动的仿生魟鱼机器鱼，其特征在于：
包括胸鳍、两条腹鳍（3）、一条尾鳍（4）、控制器（1）；
上述胸鳍包括基板（2）和外层硅胶体（205）；所述外层硅胶体（205）与基板（2）相固定；其中基板（2）为一片玻璃纤维板（201），所述控制器（1）安装于玻璃纤维板（201）中部，玻璃纤维板（201）的外部被裁剪成若干玻璃纤维条；每一玻璃纤维条两侧均固定有一根胸鳍SMA丝（202）；胸鳍SMA丝（202）两端与所述控制器（1）连接固定；
上述腹鳍（3）包括一块经成型的鳍状PC板（301），鳍状PC板（301）作为刚性腹鳍；还包括第一端盖（302）、第二端盖（303）、弹性柱（304）、若干腹鳍SMA丝（305）；第一端盖（302）与第二端盖（303）通过弹性柱（304）相连接；第二端盖（303）与基板（2）相固定；鳍状PC板（301）的一端固定于第一端盖（302）上；腹鳍SMA丝（305）的一端与第一端盖（302）固定，另一端穿过第二端盖（303）由一个固连在所述基板（2）上的螺钉（306）固定后再与所述控制器（1）连接固定；
上述尾鳍（4）由一条锥形硅胶管（403）、若干间隔片（402）、若干尾鳍SMA丝（401）组成；所述间隔片布于锥形硅胶管（403）内，所述锥形硅胶管（403）的大端安装于所述底座（404）上，底座（404）安装于基板（2）上；所述若干尾鳍SMA丝（401）均匀分布在锥形硅胶管（403）内，尾鳍SMA丝（401）一端固定于底座（404），另一端依次穿过所有间隔片后折回，再依次穿过所有间隔片后穿过底座的通孔后与所述控制器（1）连接固定。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金丝驱动的仿生魟鱼机器鱼的工作方法，其特征在于包括以下过程：
所述控制器（1）实现对胸鳍SMA丝（202）、腹鳍SMA丝（305）、尾鳍SMA丝（401）加热从而控制其收缩量；
所述胸鳍SMA丝（202）的收缩用于驱动基板（2）上玻璃纤维条的摆动，进而实现外层硅胶体（205）的运动；
所述腹鳍SMA丝（305）的收缩用于驱动第一端盖（302）和第二端盖（303）的相对位置，进而实现腹鳍的运动；
所述尾鳍SMA丝（401）的收缩用于驱动锥形硅胶管（403）的摆动，进而实现尾鳍的运动。
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