CN109823502A - 一种利用软体驱动舵翼控制水下机器人浮力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用软体驱动舵翼控制水下机器人浮力的方法，该方法利用软体驱动器调节水下机器人舵翼的转角和上下弯曲幅度，从而对水下机器人浮了进行控制，增加水下机器人的运动形式和自由度，增强水下机器人对环境适应能力和生物亲和性；并且该方法将介电弹性体薄膜制作成模块化的软体驱动器，具有大驱动力、高空间利用率、大驱动变形、浮力控制灵敏、易用于集成复杂系统等优点。

Description

一种利用软体驱动舵翼控制水下机器人浮力的方法

技术领域

本发明属于柔性智能器件领域，特别提供了一种利用软体驱动舵翼控制水下机器人浮力的方法。

背景技术

软体机器人驱动不同于传统硬材料机器人的电机、舵机、气泵，其需要有适合的软体材料，并且需要得到软体材料的运动性能，使用合适的一些激励方式来驱动软体材料以实现和生物肌肉相似的运动。如今主流的驱动方式有形状记忆合金驱动、介电高弹体驱动和离子交换聚合物金属复合材料驱动等。

Kovacs等人使用介电高弹体为VHB 4910(3M)先进行预拉伸，后均匀涂覆碳粉颗粒与粘结剂的混合剂，沿着厚度方向堆叠片状的驱动单元，设计了一种多层堆叠式介电高弹体驱动器(Kovacs G,2009)。通过该方式制作的柱形驱动器长度21.2mm，直径20mm。在电压驱动下，无机械负载变形可达-18％；若将两端位移约束，最大输出力可达32N。除了形变大，介电高弹聚合物还具有高弹性能密度、低价、轻质、快速响应、高生物亲和性等优点。

在现有技术中，出现了一些在水下机器人中用柔性材料驱动的例子，例如，CN105083510A公开了一种采用可变形材料及驱动薄膜的水中机器人；CN104309714A公开了一种采用全软材料的柔性智能爬行机器，并且利用智能软材料的本征应变进行驱动；CN206734590U和CN106985988A公开了一种基于介电弹性体的模块化驱动装置；CN108288922A公开了一种仿生柔性摆动致动器。

但现有技术却没有利用柔性材料控制水下机器人上浮力的应用，而水下机器人驱动或运动的关键之一就在于其浮了的灵敏的控制。

本发明利用介电高弹聚合物能在电场下产生大形变的特性制造软体驱动器，并进行模块化设计，便于结合水下机器人结构组装，调节水下机器人舵翼的转角和上下弯曲幅度，产生驱动力，控制水下机器人上浮力，实现多自由度运动和水下多运动形式。

发明内容

本发明的目的是设计了一种具有大驱动力、高空间利用率、大驱动变形、易用于集成的水下机器人软体驱动舵翼，并提供了一种利用该软体驱动舵翼控制水下机器人浮力的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种利用软体驱动舵翼控制水下机器人浮力的方法，包括如下步骤：

步骤1、制作软体驱动舵翼，选择1mm厚的VHB4910作为DE材料，预拉伸比例为3×3.5，采用多点拉伸方式，总共12个拉伸点，匀速拉伸VH薄膜，并粘上ABS框架；将碳膏均匀涂抹在预拉伸的VHB膜上，在涂了电极的那一面盖上另一层VHB膜，并在电极上接出两条锡纸用于外接导线，最后粘上设计好的柔性框架，去除多余的VHB薄膜，制成软体驱动舵翼。

步骤2、软体驱动舵翼制作完成后，将软体驱动舵翼安装在水下航行器的尾部或者成对对称安装在水下航行器的两侧，使舵翼向后下方呈初始弯曲状态。

其中，对所述软体驱动舵翼施加电场激励，在麦克斯韦应力的作用下薄膜厚度减小，长度和宽度增加，薄膜的回复力消失，柔性驱动框架便会在在自己的力矩的作用下恢复自己本身的平面状态，从而使得形变弯曲的角度减小，形成通电状态；断电后，VHB薄膜本身的回复力又使整个结构重新回到初始弯曲状态。

步骤3、当水下航行器向前驱动时，舵翼处于初始弯曲状态，所述舵翼下部水流受到阻滞、速度变慢，舵翼下方压力大于舵翼上方压力，使得在软体舵翼的作用下，水下航行器受到向上的浮力作用。

而需要减弱所述浮力时，对左右软体驱动舵翼通电以施加相同电场激励，使得其薄膜厚度减小，长度和宽度增加，薄膜的回复力变小，柔性驱动框架便会在在自己的力矩的作用下逐渐恢复自己本身的平面状态，此时水流受到的阻滞效果减小，速度减缓的幅度变小，舵翼下方的上浮力变小，当电压激励达到设定的阈值时，柔性驱动框架完全回复平面状态，此时舵翼对沉浮无影响。

进一步，在步骤1中所述的多点拉伸方式具体为：将一张VHB薄膜放到拉膜机的固定架上，每个拉伸点都用夹板固定，然后每个夹板再固定在各自的丝杆上，丝杆转动使得每个夹板匀速往外扩，从而达到拉膜的目的。

本发明与现有技术相比，具有的优点是：

(1)基于DE材料设计独立、模块化的特殊驱动部件，利用介电高弹材料能在电场下产生大形变的特性构造软体驱动舵翼，产生驱动力，模块化的设计也便于整合其它驱动方式的水下机器人；

(2)基于软体驱动器的水下机器人舵翼有利于改善传统水下机器人噪声大、整体抗压和抗冲击能力差、对环境适应能力和生物亲和性差的缺点，实现水下机器人多自由度和多形式运动。

(3)利用软体驱动舵翼对水下机器人浮了进行控制，增加水下机器人的运动形式和自由度，增强水下机器人对环境适应能力和生物亲和性。

附图说明

图1是软体驱动器的水下机器人舵翼的结构示意图。

图2是软体驱动器的水下机器人舵翼的工作模式示意图。

图中：1、DE薄膜，2、舵翼转动中心，3、柔性框架，4、通电状态，5、断电状态即初始弯曲状态。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的利用软体驱动舵翼控制水下机器人浮力的方法具体包括以下步骤：

步骤1、VHB4910预拉伸：选择1mm厚的VHB4910作为DE材料(如图1DE薄膜1)，预拉伸比例为3×3.5，采用多点拉伸方式，总共12个拉伸点；将一张VHB薄膜放到拉膜机的固定架上，每个拉伸点都用夹板固定，然后每个夹板再固定在各自的丝杆上，丝杆转动使得每个夹板匀速往外扩，从而达到拉膜的目的。

然后，粘上ABS框架(如图1柔性框架3)，再将碳膏均匀涂抹在预拉伸的VHB膜上，在涂了电极的那一面盖上另一层VHB膜，并在电极上接出两条锡纸用于外接导线。

最后粘上设计好的柔性框架，去除多余的VHB薄膜，制成软体驱动舵翼，其中2是舵翼转动中心。

步骤2、软体驱动舵翼制作完成后，呈现初始弯曲状态，如图2断电状态5。将软体驱动舵翼安装在水下航行器的尾部或者成对对称安装在水下航行器的两侧，使舵翼向后下方弯曲即呈初始弯曲状态5。

当对软体舵面施加电场激励时，在麦克斯韦应力的作用下薄膜厚度减小，长度和宽度增加，薄膜的回复力消失，柔性驱动框架便会在在自己的力矩的作用下恢复自己本身的平面状态，从而使得形变弯曲的角度减小，如图2通电状态4。

步骤3、当水下航行器向前驱动时，舵翼下部水流受到阻滞、速度变慢，根据伯努利定理，舵翼下方压力大于舵翼上方压力，使得在软体舵翼的作用下，水下航行器收到向上的作用力。

而当需要减小舵翼上浮力时，对左右软体舵面施加相同电场激励时，薄膜厚度减小，长度和宽度增加，薄膜的回复力变小，柔性驱动框架便会在在自己的力矩的作用下逐渐恢复自己本身的平面状态，如图2通电状态4所示，此时水流受到的阻滞效果减小，速度减缓的幅度变小，舵翼下方的压力变小，因此上浮作用减弱。

当电压激励达到设定的阈值时，柔性驱动框架完全回复平面状态，此时舵翼对沉浮无影响。

以上所述，仅是本发明的具体实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种利用软体驱动舵翼控制水下机器人浮力的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、制作软体驱动舵翼，选择1mm厚的VHB4910作为DE材料，预拉伸比例为3×3.5，采用多点拉伸方式，总共12个拉伸点，匀速拉伸VH薄膜，并粘上ABS框架；将碳膏均匀涂抹在预拉伸的VHB膜上，在涂了电极的那一面盖上另一层VHB膜，并在电极上接出两条锡纸用于外接导线，最后粘上设计好的柔性框架，去除多余的VHB薄膜，制成软体驱动舵翼；

步骤2、软体驱动舵翼制作完成后，将软体驱动舵翼安装在水下航行器的尾部或者成对对称安装在水下航行器的两侧，使舵翼向后下方呈初始弯曲状态；其中，对所述软体驱动舵翼施加电场激励，在麦克斯韦应力的作用下薄膜厚度减小，长度和宽度增加，薄膜的回复力消失，柔性驱动框架便会在在自己的力矩的作用下恢复自己本身的平面状态，从而使得形变弯曲的角度减小，形成通电状态；断电后，VHB薄膜本身的回复力又使整个结构重新回到初始弯曲状态；

步骤3、当水下航行器向前驱动时，舵翼处于初始弯曲状态，所述舵翼下部水流受到阻滞、速度变慢，舵翼下方压力大于舵翼上方压力，使得在软体舵翼的作用下，水下航行器受到向上的浮力作用；而需要减弱所述浮力时，对左右软体驱动舵翼通电以施加相同电场激励，使得其薄膜厚度减小，长度和宽度增加，薄膜的回复力变小，柔性驱动框架便会在在自己的力矩的作用下逐渐恢复自己本身的平面状态，此时水流受到的阻滞效果减小，速度减缓的幅度变小，舵翼下方的上浮力变小，当电压激励达到设定的阈值时，柔性驱动框架完全回复平面状态，此时舵翼对沉浮无影响。

2.根据权利要求1所述的基于软体驱动器的水下机器人舵翼制备方法，其特征在于，步骤1中所述的多点拉伸方式具体为：将一张VHB薄膜放到拉膜机的固定架上，每个拉伸点都用夹板固定，然后每个夹板再固定在各自的丝杆上，丝杆转动使得每个夹板匀速往外扩，从而达到拉膜的目的。