CN108909996B - 一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置 - Google Patents

一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置，包括驱动单元和控制单元；驱动单元包含刚性骨架与柔性蒙皮，柔性蒙皮将刚性骨架包覆形成封闭结构；刚性骨架由形状记忆合金或磁致伸缩材料制成，柔性蒙皮由形状记忆聚合物或形状记忆复合材料制成；控制单元包含若干传感器和决策单元；传感器采集环境信号，决策单元对传感器采集的信号进行分析，对沉浮动作进行决策，通过热、电和/或磁信号对驱动单元进行控制。本发明使用智能主动变形结构代替电机驱动活塞的沉浮系统，结构简单、重量轻，适用于各种小型潜水器；体积改变基于结构的自主变形，无需考虑滑动装配活塞系统的密封需求；运行过程依靠结构自主变形，不存在电机和传动机构运转带来的噪音和振动。

Description

一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置
技术领域
本发明涉及一种潜水器沉浮装置，具体是一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置。
背景技术
近年来随着人类对于江河湖海等水资源的不断开发，自主式水下航行器、无人水下机器人等新型潜水器得到了广泛的应用，在海洋勘探、水下搜寻、军事侦查等方面发挥着巨大的作用。先进潜水器的设计制造是一个涉及多学科交叉的复杂工程，是未来海洋技术发展的重要方向之一。
潜水器在水下垂直面的控制通常通过沉浮装置实现，传统潜水器沉浮装置一般使用电机驱动的空气压缩式变体积系统、螺旋桨式升降系统或带有垂直推进器的升降系统。
文献“专利：超小型浅水机器人的沉浮装置,ZL 2004100179677.”公开了一种包含浮筒和电机的超小型浅水机器人沉浮装置，电机通过传动机构驱动两个活塞运动从而实现机器人的沉浮动作。
然而，上述文献中公开的沉浮装置基于传统的电机驱动活塞的空气压缩式变体积系统，存在以下缺点：电机驱动活塞的变体积沉浮系统中电机和传动系统结构复杂，体积与自重大；活塞与浮筒滑动装配密封要求高；电机和传动系统运转时产生振动和噪音。
发明内容
为了克服现有潜水器沉浮装置存在的问题，本发明提供了一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置。通过智能材料设计制造的主动变形结构实现潜水器自身体积变化，从而做出下沉或上浮动作。相比背景文献中公开的技术，本发明使用智能主动变形结构代替电机驱动活塞的沉浮系统，结构简单、重量轻，适用于各种小型潜水器；该沉浮装置体积改变基于结构的自主变形，无需考虑滑动装配活塞系统的密封需求；该沉浮装置运行过程依靠结构自主变形，不存在电机和传动机构运转带来的噪音和振动。
本发明的技术方案为：
所述一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置，其特征在于：包括基于智能主动变形结构的驱动单元和具有信号采集、智能决策的控制单元；
所述驱动单元包含刚性骨架与柔性蒙皮，均由具有主动变形功能的智能材料制成，柔性蒙皮将刚性骨架包覆形成封闭结构；其中刚性骨架由形状记忆合金或磁致伸缩材料制成，柔性蒙皮由形状记忆聚合物或形状记忆复合材料制成；
所述控制单元包含若干传感器和决策单元；所述传感器采集环境信号，所述决策单元对传感器采集的信号进行分析，对沉浮动作进行决策，并根据决策结果，通过热、电和/或磁信号对驱动单元进行控制。
进一步的优选方案，所述一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置，其特征在于：所述刚性骨架采用由五边形和六边形拼接的球状骨架，骨架材料采用波纹状形状记忆合金杆件。
进一步的优选方案，所述一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置，其特征在于：所述刚性骨架中每三个杆件共用一个端点，通过铆接或者焊接进行连接。
进一步的优选方案，所述一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置，其特征在于：所述柔性蒙皮由形状记忆聚合物制成，柔性蒙皮覆盖在球状骨架上构成封闭球面。
进一步的优选方案，所述一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置，其特征在于：所述控制单元装置在驱动单元外侧，通过线路连接与形状记忆合金骨架组成控制回路。
进一步的优选方案，所述一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置，其特征在于：刚性骨架的形状记忆合金杆件能够在通电条件下受热伸长，并在断电条件下，自然水冷恢复原始长度。
进一步的优选方案，所述一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置，其特征在于：所述控制单元采集的环境信号包括水温、盐度、光照度；输出电信号能够使形状记忆合金骨架和形状记忆聚合物柔性蒙皮组成的驱动单元发生热致变形。
有益效果
本发明的有益效果是：本发明通过智能主动变形结构自主变形实现潜水器的下沉或上浮动作。该沉浮装置包含一个基于智能主动变形结构的驱动单元和一个具有信号采集、智能决策的控制单元，结构简单、重量轻；驱动单元运行时通过自主变形改变体积，无需考虑传统沉浮装置中活塞腔体滑动装配的密封性需求，且不存在电机转动带来的振动和噪音。本发明提出的沉浮装置适用于各类潜水器，尤其适用于对体积、重量和隐蔽性要求较高的小型潜水器。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是基于形状记忆合金主动变形结构的足球状沉浮装置实施例示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的目的是提供了一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置。通过智能材料设计制造的主动变形结构实现潜水器自身体积变化，从而做出下沉或上浮动作。
该沉浮装置包括基于智能主动变形结构的驱动单元和具有信号采集、智能决策的控制单元。所述驱动单元包含刚性骨架与柔性蒙皮，均由具有主动变形功能的智能材料制成，柔性蒙皮将刚性骨架包覆形成封闭结构；其中刚性骨架由具有自主变形能力，可实现主驱动功能的形状记忆合金或磁致伸缩材料制成，柔性蒙皮由具有自主变形能力，可实现辅驱动功能和密封功能的形状记忆聚合物或形状记忆复合材料制成。
所述控制单元包含若干传感器和决策单元；所述传感器采集环境信号，所述决策单元对传感器采集的信号进行分析，对沉浮动作进行决策，并根据决策结果，通过热、电和/或磁信号对驱动单元进行控制。
本实施例中的基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置如图1所示，包含有：一个由波纹状形状记忆合金杆件构成的五边形-六边形拼接球状(足球状)骨架，一个由形状记忆聚合物制成的柔性蒙皮，一个具有传感和决策功能的控制单元。
该沉浮装置的工作原理如下：
装置装配过程中，带有波纹状微结构的形状记忆合金杆件构成五边形-六边形拼接足球状骨架，每三个杆件共用一个端点，通过铆接或者焊接进行连接；由形状记忆聚合物制成的柔性蒙皮覆盖在骨架之上构成封闭球面；控制单元装置在骨架-蒙皮结构之外，通过线路连接与形状记忆合金骨架组成控制回路。
装置工作过程中，控制单元采集环境信号，如水温、盐度、光照度，并进行自适应沉浮动作控制，输出电信号使得形状记忆合金骨架-形状记忆聚合物柔性蒙皮组成的驱动单元发生热致变形。具体来说，波纹状形状记忆合金杆件受热伸长，杆件同比例伸长使得骨架构成的球面包围的体积增大，沉浮装置实现上浮动作，通过设计杆件的波纹微结构，杆件最大伸长长度可达200-300％，由此带来的球体积变化可达到10到30倍；当控制单元切断电信号输入之后，沉浮装置处于自然水冷状态，冷却后杆件伸长恢复原始长度，沉浮装置体积变小，实现下沉动作。沉浮装置工作过程中，形状记忆聚合物柔性蒙皮主要起到球面密封和辅助变形的功能，球体积变大时，蒙皮表面积增大厚度变薄，球体积变小时，蒙皮表面积缩小厚度变厚。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置，其特征在于：包括基于智能主动变形结构的驱动单元和具有信号采集、智能决策的控制单元；
所述驱动单元包含刚性骨架与柔性蒙皮，均由具有主动变形功能的智能材料制成，柔性蒙皮将刚性骨架包覆形成封闭结构；
所述刚性骨架采用由五边形和六边形拼接的球状骨架，骨架材料采用波纹状形状记忆合金杆件；所述刚性骨架中每三个杆件共用一个端点，通过铆接或者焊接进行连接；
所述柔性蒙皮由形状记忆聚合物制成，柔性蒙皮覆盖在球状骨架上构成封闭球面；
所述控制单元包含若干传感器和决策单元；所述传感器采集环境信号，所述决策单元对传感器采集的信号进行分析，对沉浮动作进行决策，并根据决策结果，通过热、电和/或磁信号对驱动单元进行控制。
2.根据权利要求1所述一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置，其特征在于：所述控制单元装置在驱动单元外侧，通过线路连接与形状记忆合金骨架组成控制回路。
3.根据权利要求2所述一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置，其特征在于：刚性骨架的形状记忆合金杆件能够在通电条件下受热伸长，并在断电条件下，自然水冷恢复原始长度。
4.根据权利要求2或3所述一种基于智能主动变形结构的潜水器沉浮装置，其特征在于：所述控制单元采集的环境信号包括水温、盐度、光照度；输出电信号能够使形状记忆合金骨架和形状记忆聚合物柔性蒙皮组成的驱动单元发生热致变形。
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