CN112644669A - 基于形状记忆合金丝驱动的水下机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于形状记忆合金丝驱动的水下机器人，有一个机架，在机架上面的顶盖上固定有水下摄像机，在机架上处于顶盖的下面装置电气控制器，在机架上装有配重调节块，在机架的四角上分别固定有腿部连接架，腿部连接架铰接大腿，大腿的另一端铰接有小腿；两小腿臂之间的铰接若干可鳍片，小腿和大腿上固定有棘轮和扭簧；有与电气控制器电连接的形状记忆合金丝，形状记忆合金丝一端固定在机架上、另一端连接拉绳，拉绳挂在棘轮上，拉绳上靠近棘轮的位置上固定有绳卡，拉绳的另一端连接有拉簧，拉簧的另一端固定在机架上。本发明以自重实现机器人的水中下潜动作，以形状记忆合金丝作为驱动装置实现机器人的上浮和移动，结构简单而可靠，从而使水下机器人整体体积小，生产成本低，运行噪音小，方便水下探测作业。

Description

基于形状记忆合金丝驱动的水下机器人

技术领域

本发明涉及一种水下探测设备，尤其是一种基于形状记忆合金丝驱动的水下机器人。

背景技术

海洋是全球生态系统的重要组成部分，也是人类社会可持续发展的宝贵财富。当前人类面临着陆地资源短缺、人口膨胀、环境恶化等问题，各个国家把目光都投入了海洋，海洋具有巨大的潜力。其中海洋的生物资源是海洋中重要的资源之一，但是目前的海洋资源探测装置都偏大而且有噪声，使用这样的探测器不利于观察海洋生物最自然的生活状态，为了观测海洋生物最自然状态，减少对海底生物的影响，亟需一种体积小、投资少、灵活方便、噪音小的水下探测装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于形状记忆合金丝驱动的水下机器人，用于水下探测，克服目前海洋资源探测装置体积偏大的缺陷，体积小、投资少、灵活方便、噪音小。

本发明的目的是以如下方式实现的：有一个机架，在机架上面的顶盖上固定有水下摄像机，在机架上处于顶盖的下面装置电气控制器，在机架上装有配重调节块，在机架的四角上分别固定有腿部连接架，腿部连接架铰接大腿，大腿的另一端铰接有小腿；小腿由两个前端固定在一起的小腿臂间隔并排构成，两小腿臂之间的间隙中沿前后铰接若干可被限定摆动一定角度的鳍片，两小腿臂的上端固定一个两端伸出小腿两侧的小腿轴，在小腿轴的一侧固定有处于小腿外侧的棘轮，在小腿轴的另一侧套有处于小腿外侧的扭簧；在腿部连接架上穿有可转动并且两端伸出腿部连接架两侧的大腿轴，在大腿轴上的一侧端固定有棘轮，在大腿轴上另一侧端套有扭簧，在大腿轴分别处于棘轮和扭簧的外端固定有连板，两个连板的另一端可转动地套在小腿轴的外端部，两个连板组成大腿，两个棘轮处于同一连板的内侧，两个扭簧处于另一连板的内侧，两个扭簧一端支撑在连板上而另一端对应支撑在小腿臂和腿部连接架上，棘轮外周上有至少一处突变点并且周向上有沟槽，在大腿连板的内侧设置有可转动的换向轮，在腿部连接架上设置有导向轮；有与电气控制器电连接的形状记忆合金丝，形状记忆合金丝一端固定在机架上、另一端连接拉绳，拉绳通过导向轮支撑导向后挂在换向轮的对侧沟槽后绕在小腿处的棘轮上，然后再挂在换向轮的另一侧上，最后绕在大腿处的棘轮上引出，拉绳的另一端连接有拉簧，拉簧的另一端固定在机架上，拉绳上靠近两棘轮的位置上固定有绳卡。

鳍片的上边两侧通过小腿两侧小腿臂上的销轴与小腿臂铰接在一起，在小腿臂内侧面对应销轴的前上部和后下部固定有对鳍片摆动角度限位的挡块。鳍片的目的是为了当小腿向下运动时张开，增加水流对机器人的反作用力，当小腿向上运动时收缩，减少水流对机器人的反作用力，前上部挡块的目的是为了当水流作用与鳍片使鳍片张开时，保证鳍片运动到最大的张开位置，后下部挡块的目的是为了当水流作用与鳍片使鳍片收缩时，保证鳍片与竖直方向呈一定角度，防止下一次小腿向上运动时鳍片无法展开。

棘轮外周由至少两端渐开线弧形组成，在相邻弧形对接处形成一个沿径向的竖向连接面，棘轮沿厚度的中心一周设有圆弧沟槽，绳卡的圆周弧形与棘轮沟槽底部弧形相适配，并且绳卡至少一端面为平面，该平面用于抵触棘轮的竖向连接面。

绳卡为有中心孔的圆柱体，并在外周上设有与中心孔相通的螺纹孔，在该螺纹孔内旋有顶丝。绳卡通过中心孔套在拉绳上，调整在合适的位置后，旋紧顶丝将其与拉绳固定在一起。

拉绳与形状记忆合金丝之间通过连接器连接在一起，连接器为两端有盲孔的柱状体，在连接器的外周面上分别设有前端进入盲孔的压紧螺钉，拉绳和形状记忆合金丝的端部分别插在连接器两端的盲孔后，通过压紧螺钉压紧，从而将拉绳与形状记忆合金丝连接在一起。

连接器由绝缘材料制成，例如塑料、云母等，这样当拉绳采用钢丝绳时，可以避免加在形状记忆合金丝上的电源通过钢丝绳形成回路。

本设计区别于传统海底探测机器人，采用形状记忆合金丝为驱动，利用其通电收缩的特性，且通电电压不同，收缩速度不同的原理，利用棘轮，将机器人腿部拉起。当拉动超过棘轮角度后，金属丝对腿部不再施加力，利用腿部关节之间的扭簧实现腿部下蹬动作。

机架作为机器人的整体框架，可以采用铝合金或高强度塑料制成，在下水前可以通过加装不同数量的金属垫片作为配重调节块来调整机器人的重力和所受浮力，使机器人受到的浮力略微小于机器人的重力，使机器人可以在水中缓慢地下沉。顶盖上部配有的水下摄像头用于对海洋中生物资源的探测，当然，还可以在顶盖上装置其它传感器用于探测水下其它相关情况。

机器人在水下的动力主要是靠形状记忆合金丝带动大腿和小腿的上下移动实现的，形状记忆合金丝有通电收缩的特性，电源的正负两极分别连接在形状记忆合金丝两端，形状记忆合金丝一端与机架固定，另一端与拉绳连接，当机器人下降到一定深度后，形状记忆合金丝通电开始收缩，形状记忆合金丝拉动拉绳线性移动，拉绳带动绳卡移动，绳卡卡在棘轮的竖向连接面上后带动棘轮转动，由于棘轮分别与小腿和大腿固定在一起，棘轮带动大腿向上转动，小腿向大腿侧靠拢，形状记忆合金丝连接的拉簧被拉伸，套在大腿轴上支撑在大腿与腿部连接架之间的扭簧因为大腿和腿部连接架之间的转动而蓄力，套在小腿轴上支撑在大腿与小腿之间的扭簧因为大腿和小腿之间的转动而蓄力，此时因为水流的作用，鳍片向下摆动，鳍片收缩，被后下部挡块挡住，水流对腿部的反作用力很小，机器人完成蓄力动作。当形状记忆合金丝通电收缩到一定程度后，棘轮转动过了一定角度，此时拉绳上的绳卡脱离棘轮的竖向连接面，不再能挡住棘轮，两个扭簧开始恢复，让大腿和小腿开始向蓄力运动的反方向移动，即大腿向远离机架的方向转动，小腿向远离大腿的方向转动，此时因为水流的作用，鳍片向上摆动一定角度后被鳍片前上部的挡块挡住限位，鳍片完全张开，水流对腿部的反作用力变大，机器人完成蹬腿动作，在水流的作用下机器人上升一段距离；完成蹬腿动作后形状记忆合金丝停止通电，形状记忆合金丝伸展，在形状记忆合金丝连接的拉簧的拉力作用下，绳卡恢复位置，完成恢复动作。

机器人的活动就是靠不断进行蓄力动作、蹬腿动作、恢复动作来实现的，靠对形状记忆合金丝通入不同的电压和电流，实现机器人不同频率的游动，从而实现机器人的上浮和下潜的动作。同时，靠对四条不同腿通入不同电压和电流，实现机器人四条腿不同频率的游动，完成向不同方向游动的动作。

本发明以自重实现机器人的水中下潜动作，以形状记忆合金丝作为驱动装置实现机器人的上浮和移动，结构简单而可靠，从而使水下机器人整体体积小，生产成本低，运行噪音小，方便水下探测作业。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图2是本发明的主视图。

图3是本发明的俯视图。

图4是图3中Ⅰ部分的局部放大图。

图5是本发明中动力传动部分的结构图。

图6是本发明中棘轮的立体图。

图7本发明中小腿的立体图。

图8是本发明中小腿的主视图。

图9是图8中A—A向的剖视图。

图中：1-小腿；2-大腿；3-水下摄像机；4-顶盖；5-电气控制器；6-腿部连接架；7-棘轮 8-换向轮；9-导向轮；10-拉绳；11-连接器；12-拉簧；13-形状记忆合金丝；14-螺栓；15-绳卡；16-销轴；17-扭簧；18-鳍片；19-挡块。

具体实施方式

参照图1—图9，一种基于形状记忆合金丝驱动的水下机器人，有一个机架，在机架上面的顶盖4上固定有水下摄像机3，在机架上处于顶盖4的下面装置电气控制器5，在机架上装有配重调节块，在机架的四角上分别固定有腿部连接架6，腿部连接架6铰接大腿2，大腿2的另一端铰接有小腿1；小腿1由两个前端固定在一起的小腿臂间隔并排构成，两小腿臂之间的间隙中沿前后铰接若干可被限定摆动一定角度的鳍片18，两小腿臂的上端固定一个两端伸出小腿两侧的小腿轴，在小腿轴的一侧固定有处于小腿外侧的棘轮7，在小腿轴的另一侧套有处于小腿1外侧的扭簧17；在腿部连接架6上穿有可转动并且两端伸出腿部连接架6两侧的大腿轴，在大腿轴上的一侧端固定有棘轮7，在大腿轴上另一侧端套有扭簧17，在大腿轴分别处于棘轮7和扭簧17的外端固定有连板，两个连板的另一端可转动地套在小腿轴的外端部，两个连板组成大腿2，小腿轴可以相对大腿2转动，大腿轴可以相对腿部连接架6转动，两个棘轮7处于同一连板的内侧，两个扭簧17处于另一连板的内侧，两个扭簧7一端支撑在连板上而另一端对应支撑在小腿臂和腿部连接架6上，棘轮7外周由两段渐开线弧形组成，在相邻弧形对接处形成一个沿径向的竖向连接面，棘轮7沿厚度的中心一周设有圆弧沟槽，在大腿连板的内侧设置有可转动的换向轮8，在腿部连接架6上设置有导向轮9；有与电气控制器5电连接的形状记忆合金丝13，形状记忆合金丝13一端通过螺栓14固定在机架上，另一端通过连接器11连接拉绳10，连接器11由塑料制成，连接器11为两端有盲孔的柱状体，在连接器11的外周面上分别设有前端进入盲孔的压紧螺钉，拉绳10和形状记忆合金丝13的端部分别插在连接器11两端的盲孔后，通过压紧螺钉压紧。拉绳10通过导向轮9支撑导向后挂在换向轮8的对侧沟槽后绕在小腿1处的棘轮7上，然后再挂在换向轮8的另一侧上，最后绕在大腿1处的棘轮7上引出，拉绳10的另一端连接有拉簧12，拉簧12的另一端通过螺栓14固定在机架上，拉绳10上靠近两棘轮7的位置上固定有绳卡15。绳卡15为有中心孔的圆柱体，绳卡15的圆周弧形与棘轮7沟槽底部弧形相适配，并在外周上设有与中心孔相通的螺纹孔，在该螺纹孔内旋有顶丝。绳卡15通过中心孔套在拉绳10上并通过顶丝顶住拉绳10而固定，顶丝整体沉入在绳卡15体内，不凸出绳卡15表面，鳍片18的上边两侧通过小腿1两侧小腿臂上的销轴16与小腿臂铰接在一起，在小腿臂内侧面对应销轴16的前上部和后下部固定有对鳍片18摆动角度限位的挡块19。

通过加装配重调节块来调整机器人的重力，使机器人在水中受到的浮力略微小于机器人的重力，从而可以在水中缓慢下沉。电源的正负两极分别连接在形状记忆合金丝13两端，当机器人在水中下降到一定深度后，形状记忆合金丝13通电开始收缩，形状记忆合金丝13拉动拉绳10线性移动，绳卡15卡在棘轮7的竖向连接面上后带动棘轮7转动，棘轮7带动大腿2向上转动，小腿1向大腿2侧靠拢，拉簧12被拉伸，大腿2与腿部连接架6、小腿1之间的扭簧17被蓄力，此时鳍片18向下摆动收缩，机器人完成蓄力动作。当形状记忆合金丝13通电收缩到一定程度后，绳卡15脱离棘轮7，两个扭簧17开始还原，带动大腿2向远离机架的方向转动，小腿1向远离大腿2的方向转动，鳍片18向上摆动被挡块19限位，鳍片18完全张开，水流对腿部的反作用力变大，机器人完成蹬腿动作，在水流的作用下机器人上升一段距离；形状记忆合金丝13停止通电，形状记忆合金丝13伸展，在拉簧12作用下绳卡15恢复位置重新卡住棘轮7，完成恢复动作。通过反复的蓄力动作、蹬腿动作、恢复动作来实现机器人的游动，靠对四条腿通入不同电压和电流，实现机器人四条腿不同频率的游动，完成向不同方向游动的目的。

Claims (6)

1.一种基于形状记忆合金丝驱动的水下机器人，有一个机架，在机架上面的顶盖上固定有水下摄像机，在机架上处于顶盖的下面装置有电气控制器，在机架上装有配重调节块，其特征在于：在机架的四角上分别固定有腿部连接架（6），腿部连接架（6）铰接大腿（2），大腿（2）的另一端铰接有小腿（1）：小腿（1）由两个前端固定在一起的小腿臂间隔并排构成，两小腿臂之间的间隙中沿前后铰接若干可被限定摆动一定角度的鳍片（18），两小腿臂的上端固定一个两端伸出小腿两侧的小腿轴，在小腿轴的一侧固定有处于小腿外侧的棘轮（7），在小腿轴的另一侧套有处于小腿外侧的扭簧（17）；在腿部连接架（6）上穿有可转动并且两端伸出腿部连接架（6）两侧的大腿轴，在大腿轴上的一侧端固定有棘轮（7），在大腿轴上另一侧端套有扭簧（17），在大腿轴分别处于棘轮（7）和扭簧（17）的外端固定有连板，两个连板的另一端可转动地套在小腿轴的外端部，两个连板组成大腿（2），两个棘轮（7）处于同一连板的内侧，两个扭簧（17）处于另一连板的内侧，两个扭簧（17）一端支撑在连板上而另一端对应支撑在小腿臂和腿部连接架（6）上，棘轮（7）外周上有至少一处突变点并且周向上有沟槽，在大腿连板的内侧设置有可转动的换向轮（8），在腿部连接架（6）上设置有导向轮（9）；有与电气控制器（5）电连接的形状记忆合金丝（13），形状记忆合金丝（13）一端固定在机架上、另一端连接拉绳（10），拉绳（10）通过导向轮（9）支撑导向后挂在换向轮（8）的对侧沟槽后绕在小腿（1）处的棘轮（7）上，然后再挂在换向轮（8）的另一侧上，最后绕在大腿（2）处的棘轮（7）上引出，拉绳（10）的另一端连接有拉簧（12），拉簧（12）的另一端固定在机架上，拉绳（12）上靠近两棘轮（7）的位置上固定有绳卡（15）。

2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金丝驱动的水下机器人，其特征在于：鳍片（18）的上边两侧通过小腿（1）两侧小腿臂上的销轴（16）与小腿臂铰接在一起，在小腿臂内侧面对应销轴（16）的前上部和后下部固定有对鳍片（18）摆动角度限位的挡块（19）。

3.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金丝驱动的水下机器人，其特征在于：棘轮（7）外周由至少两端渐开线弧形组成，在相邻弧形对接处形成一个沿径向的竖向连接面，棘轮（7）沿厚度的中心一周设有圆弧沟槽，绳卡（15）的圆周弧形与棘轮（7）沟槽底部弧形相适配，并且绳卡（15）至少一端面为平面。

4.根据权利要求3所述的基于形状记忆合金丝驱动的水下机器人，其特征在于：绳卡（15）为有中心孔的圆柱体，并在外周上设有与中心孔相通的螺纹孔，在该螺纹孔内旋有顶丝。

5.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金丝驱动的水下机器人，其特征在于：拉绳（10）与形状记忆合金丝（13）之间通过连接器（11）连接在一起，连接器（11）为两端有盲孔的柱状体，在连接器（11）的外周面上分别设有前端进入盲孔的压紧螺钉，拉绳（10）和形状记忆合金丝（13）的端部分别插在连接器（11）两端的盲孔后，通过压紧螺钉压紧。

6.根据权利要求5所述的基于形状记忆合金丝驱动的水下机器人，其特征在于：连接器（11）由绝缘材料制成。

Images