CN112171639B - 一种应用于深海的软体人工肌肉驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应用于深海的软体人工肌肉驱动器，包括形状记忆合金丝(SMA)、流体填充物、柔性管、陶瓷片、密封胶、导线和金属管，所述形状记忆合金丝设置于所述柔性管中，流体填充物设置在柔性管中，所述柔性管设置在两片带孔的陶瓷片之间，所述金属管固设于记忆形状合金丝的两端，所述陶瓷片、柔性管和金属管之间通过密封胶连接，所述导线从形状记忆合金丝两端引出。本发明利用形状记忆合金材料通过温度变化相变驱动变形的特性，实现了深海耐压的形状记忆合金丝(SMA)线性驱动器。
Description
技术领域
发明涉及机器人驱动器技术领域，尤其涉及一种软体人工肌肉驱动器。
背景技术
传统的水下深海机器人结构通常由电机、活塞、关节、铰链等构件组装而成，动力足、功率大、性能成熟。但是同样存在很多缺点，例如笨重、安全系数低、环境适应性差、可靠性低、传动效率低下、噪声大等。在深海环境中，极端的水压与温度环境对水下机器人带来了巨大挑战，对传统硬质水密外壳系统、电动机以及传动机构带来了极大的负担。
厚重的硬质耐压外壳极大增加了水下机器人的技术复杂度、结构尺寸与整体质量。自然界中水下生物柔软的身体、优良的灵活性和强大的环境适应性为水下机器人的发展提供了新思路，软体机器人技术的发展也为更好的设计水下仿生机器人提供了基础支撑。软体机器人作为一类新型机器人，具有结构柔软度高、环境适应性好、隐蔽性强、功能多样等特点，有着十分广阔的研究和应用前景。主要由可以承受大变形的弹性材料构成，可以连续变形，具有极高的自由度。
发明内容
本发明克服克服现有深海装备、电机通常需要厚重的耐压壳或压力补偿装置，灵活性差，经济成本高的不足，提供可应用于深海极端压力环境下的软体人工肌肉驱动器，以达到优化提升驱动器的综合性能。
为解决上述技术问题，本发明提供一种应用于深海的软体人工肌肉驱动器，包括形状记忆合金丝(SMA)1、流体填充物2、柔性管3、陶瓷片4、密封胶5、导线6和金属管 7，所述形状记忆合金丝1设置于所述柔性管3中，流体填充物2设置在柔性管3中，所述柔性管3设置在两片带孔的陶瓷片4之间，所述金属管7固设于记忆形状合金丝1的两端，所述陶瓷片4、柔性管3和金属管7之间通过密封胶5连接，所述导线6从形状记忆合金丝 1两端引出。
优选的，所述形状记忆合金丝1为一根或多根组成。
优选的，所述形状记忆合金丝1为镍钛合金丝
优选的，所述流体填充物2为液体或惰性气体。
优选的，所述柔性管3为硅胶管。
优选的，所述陶瓷片4的形状为圆形或方形。
优选的，所述金属管7为不锈钢毛细管。
优选的，所述密封胶5为硫化硅橡胶。
本发明利用形状记忆合金材料通过温度变化相变驱动变形的特性，实现了深海耐压的SMA线性驱动器。
本发明由形状记忆合金丝(SMA丝)和液体填充物通过硅胶管包裹密封而成，给形状记忆合金丝(SMA丝)两段施加载荷使其变形，通过给形状记忆合金丝(SMA丝)两端通直流电电阻加热，实现变形恢复，产生驱动力和驱动位移。
本发明所取得的有益技术效果是：
1.本发明利用形状记忆合金热致相变产生变形的特性，实现了应用于深海的可以产生较大输出力的SMA线性驱动器；摒弃厚重的耐压壳保护，使驱动器完成压力的自平衡；保持其相应的静态特性和动态特性处于所需工作状态范围，使该软体驱动器具有全海深的工作范围；
2.本发明由柔性材料刚度较高的硬质部件组成，即使受到巨大的外压、冲击，结构都不会损坏；结构材料的稳定性和抗腐蚀性极其优良，且质轻价廉，可大量地应用于深海探测装置上；
3.本发明软体驱动器没有传动机构或回转机构，运行时几乎没有噪声，能满足特定的深海装备的需求；
4.本发明的SMA线性驱动器可单独运行，也可进行串联和/或并联，从而实现负载的作动；
5.本发明可实现单向的线性驱动，也可配合偏置弹簧或者偏置负载实现双向的可逆运动；
6.本发明可根据想达到低能耗或者快响应的需求，使用不同的流体填充物。
附图说明
图1是本发明的应用于深海的SMA线性驱动器示意图；
图2是本发明的一种具体实施方式的示意图。
附图中：1-形状记忆合金丝，2-流体填充物，3-柔性管，4-陶瓷片，5-密封胶，6-导线，7-金属管，8-软体人工肌肉驱动器，9-偏置弹簧，10-海水。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种应用于深海的软体人工肌肉驱动器，包括形状记忆合金丝(SMA)1、流体填充物2、柔性管3、陶瓷片4、密封胶5、导线6和金属管7，所述形状记忆合金丝1设置于所述柔性管3中，流体填充物2设置在柔性管3中，所述柔性管3 设置在两片带孔的陶瓷片4之间，所述金属管7固设于记忆形状合金丝1的两端，所述陶瓷片4、柔性管3和金属管7之间通过密封胶5连接，所述导线6从形状记忆合金丝1两端引出。
所述形状记忆合金丝(SMA丝)1采用镍钛合金丝，为温控形状记忆合金材料，其在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状。
所述形状记忆合金丝(SMA丝)1一般需要给它施加一个偏置的力，来产生初始的伸长，并在断电时恢复变形。如图2所示，通过偏置弹簧9对SMA驱动器产生初始变形，对SMA驱动器通电加热产生收缩变形，断电降温后偏置弹簧9的偏置力将SMA驱动器拉回初始变形的位置，以此产生双向的可逆变形。
所述流体填充物2采用导热性好或者隔热性好的液体，可使SMA驱动器分别具有响应快和能耗低的优点。若使其满足较短响应时间的需求，优选硅油，可以实现降低冷却时间，在高压下防止硅胶管过度变形，挤出空气让SMA隔绝氧以避免腐蚀。
所述形状记忆合金丝(SMA丝)1可以是单根也可以是多根组合而成，根数越多，输出力越大。
所述密封胶5均匀涂覆在硅胶管3和带孔圆陶瓷片4和不锈钢毛细管7接合处，并全部包裹住导线裸露出的铜丝，作用为实现水密，避免在接头处发生阳极氧化，防止腐蚀。作为优选，采用硫化硅橡胶作为密封胶。
所述不锈钢毛细管7应采用合适的尺寸，使其恰好能套住SMA丝两端，并将其与形状记忆合金丝(SMA丝)1压紧，起到固定两端的作用。
所述带孔圆陶瓷片4具有较高的刚度，抗冲击性能好，耐氧化，作用是作为连接件，与所需要驱动的结构相连。
本发明所述的应用于深海的形状记忆合金丝(SMA丝)线性驱动器可以单独运行，也可自由地进行串联和/或并联，实现复杂的作动。
如图2所示，通过偏置弹簧9对形状记忆合金丝(SMA丝)驱动器的拉力产生初始变形，对形状记忆合金丝(SMA丝)驱动器通电加热，达到相变温度后产生收缩变形，断电降温后弹簧9的偏置力将形状记忆合金丝(SMA丝)驱动器拉回初始变形的位置，以此产生双向的可逆变形。
所示形状记忆合金丝(SMA丝)丝1采用市售的镍钛合金丝。将形状记忆合金丝(SMA丝)插入硅胶管中，先在一端套上带孔圆陶瓷片，然后在末端套上不锈钢毛细管7，并将其与形状记忆合金丝(SMA丝)夹紧以起到固定的作用，防止陶瓷片脱落，再在不锈钢毛细管与带孔圆陶瓷片之间焊上导线，最后在硅胶管和带孔圆陶瓷片和不锈钢毛细管接合处涂覆硫化硅橡胶，使一端完全密封，这样就完成了一端的制作，接下来向硅胶管中充适量硅油，使其填满管内，然后重复之前的操作制作另一端。密封胶尽量不要过量，达到密封效果即可，以免影响陶瓷片的连接在作用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (1)
1.一种应用于深海的软体人工肌肉驱动器，其特征在于，包括形状记忆合金丝(1)、流体填充物(2)、柔性管(3)、陶瓷片(4)、密封胶(5)、导线(6)和金属管(7)，所述形状记忆合金丝(1)设置于所述柔性管(3)中，流体填充物(2)设置在柔性管(3)中，所述柔性管(3)设置在两片带孔的陶瓷片(4)之间，所述金属管(7)固设于形状记忆合金丝(1)的两端，所述陶瓷片(4)、柔性管(3)和金属管(7)之间通过密封胶(5)连接，所述导线(6)从形状记忆合金丝(1)两端引出；所述形状记忆合金丝(1)为一根或多根组成；所述形状记忆合金丝(1)为镍钛合金丝；述流体填充物(2)为液体或惰性气体；所述柔性管(3)为硅胶管；所述陶瓷片(4)的形状为圆形或方形；所述金属管(7)为不锈钢毛细管；所述密封胶(5)为硫化硅橡胶，所述流体填充物可采用高导热性或高隔热性的流体。
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