CN114084323A - 可折展微型水下机器人及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可折展微型水下机器人及其工作方法，包括可折展水翼模块、控制模块、浮力调节模块、储能驱动模块以及水下机器人壳体；储能驱动模块包括电机组、转动连接块以及蓄电池；可折展水翼模块通过转动连接块安装在水下机器人壳体两侧，可折展水翼模块与电机组电连接；控制模块、浮力调节模块以及蓄电池安装在水下机器人壳体上。本发明提供的微型水下机器人集波浪能发电和扑翼驱动功能于一体，具有体积小、续航能力强、隐蔽性高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及微型水下机器人技术领域，具体地，涉及一种可折展微型水下机器人其工作方法，尤其是一种基于记忆合金的水面波捕能及扑翼运动一体化可折展微型水下机器人。
背景技术
微型水下机器人作为一类特殊的水下潜器，具备体积小、隐蔽性强、成本低等特点，相较于大中型水下机器人，在开展狭窄水域勘探、军事性无人监测等水下任务时表现出了更强的机动性和隐蔽性，但受限于内部空间大小，微型水下机器人无法携带足够的能源以执行长时间、大范围的水下作业。因此解决微型水下机器人的持续能源供给问题，将极大地提高其运动能力和活动范围，增强其水下作业能力。
现有技术中的微型水下机器人无法在电力耗尽后获得持续的能源供给，自身续航能力受限于机载蓄电池的容量，因此在执行长时间的水下任务时，需要进行频繁的回收布放。与此同时，现有的微型水下机器人由于内部空间有限，多利用螺旋桨推进实现上浮下潜运动，无法维持稳定的下潜深度且存在耗能较高的问题，在续航时间和运动能力方面存在待改进之处。
公开号为CN110775233A的专利文献公开了一种具有滑翔、扑翼运动的仿生柔体潜水器；由主体、联翼、扑翼，镁钛电池组、扑翼骨架、驱动电机、电池仓和电子仓组成；主体两侧分别连接有第一、第二联翼和第一、第二扑翼，通信天线位于主体尾部上方，摄像机位于主体前部下方；四个钓钩依质心均布设置在主体上部；电池仓和电子仓位于主体内后部，且分别固连有二次锂电池组用于给系统提供电源，镁钛电池组设置在两联翼内部，利用海水发电并给二次锂电池组充电；两扑翼通过连杆机构和翼型框架组成扑翼骨架，并通过电机带动轮盘上的钢丝带动骨架动作。但是该专利文献仍然存在续航时间短，运动性能差的缺陷。
公开号为CN113548146A的专利文献公开了一种基于潮流能的自供能水下机器人，包括第一舱体、第二舱体、叶轮和发电机构；第一舱体内设有开闭机构，开闭机构用于驱动第一舱体与第二舱体分离和闭合；第二舱体内设有收放机构，收放机构与叶轮联动，收放机构用于驱动叶轮移进和移出第二舱体；叶轮的周侧活动连接有多片叶片，以使多片叶片具备往内收纳和往外伸展的状态，且叶轮与多片叶片之间均连接有弹性件，在叶轮移出第二舱体时，弹性件用于带动多片叶片变为往外伸展的状态；发电机构与叶轮联动，发电机构在叶轮的驱动下发电，以供自供能水下机器人使用。公开号为CN112977776A的专利文献公开了一种多段组合式及翼展折叠式水下机器人与运动方式，属于水下机器人应用技术领域。水下机器人由艏段、左右泵推段、上下泵推段、配重段、翼展段、控制段以及螺旋桨推进段组成，前一段与后一段之间通过橡胶圈进行密封防水；摄像头安装于上述艏段中，无线通信模块、GPS/北斗定位模块、陀螺仪等模块安装于上述控制段中。但是上述专利文献仍然存在续航时间短，运动性能差的缺陷。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可折展微型水下机器人及其工作方法。
根据本发明提供的一种可折展微型水下机器人，包括可折展水翼模块、控制模块、浮力调节模块、储能驱动模块以及水下机器人壳体；所述储能驱动模块包括电机组、转动连接块以及蓄电池；
所述可折展水翼模块通过所述转动连接块安装在所述水下机器人壳体两侧，所述可折展水翼模块与所述电机组电连接；
所述控制模块、所述浮力调节模块以及所述蓄电池安装在所述水下机器人壳体上；
所述可折展水翼模块具备折叠和展开两种状态：在展开状态下，所述可折展水翼模块通过捕获波浪能驱动所述电机组发电，所述电机组对所述蓄电池充电供能；在折叠状态下，所述电机组驱动所述可折展水翼模块实现扑翼运动。
优选的，所述可折展水翼模块包括第一杆件、第二杆件、第三杆件、薄膜、第一双程记忆合金以及第二双程记忆合金；
所述第一杆件的一端和所述第二杆件的一端铰接连接，所述第一双程记忆合金设置在所述第一杆件和所述第二杆件的连接处；所述第一杆件(11)的另一端固定在所述转动连接块(5)上；
所述第二杆件的另一端和所述第三杆件的一端铰接连接，所述第二双程记忆合金设置在所述第二杆件和所述第三杆件的连接处；
所述薄膜包覆在所述可折展水翼模块上，所述薄膜的一端与所述水下机器人壳体、所述转动连接块连接。
优选的，所述浮力调节模块包括保持架、第一单程记忆合金、挡环、第二单程记忆合金以及水囊；
所述挡环的一端与所述保持架通过所述第一单程记忆合金连接，所述挡环的另一端与所述保持架通过所述第二单程记忆合金连接；
所述挡环设置在所述保持架的外侧，所述水囊设置在所述保持架的内部。
优选的，所述保持架的外侧壁上分布设置有四道沟槽，所述沟槽一侧为锯齿状端面，所述沟槽的另一侧为平滑端面。
优选的，所述第一单程记忆合金与所述挡环、所述保持架的连接点以螺旋方式交错排列；
所述第二单程记忆合金与所述挡环、所述保持架的连接点以螺旋方式交错排列。
优选的，所述储能驱动模块还包括第一电池保持架和第二电池保持架；
所述蓄电池通过所述第一电池保持架和所述第二电池保持架固定在所述水下机器人壳体的尾部。
优选的，所述控制模块、所述浮力调节模块以及所述蓄电池依次安装在所述水下机器人壳体的头部、中部和尾部。
本发明还提供一种基于上述的可折展微型水下机器人的工作方法，包括如下步骤：
步骤1：当微型水下机器人位于水面下时，控制模块向浮力调节模块的第二单程记忆合金发送电信号，使第二单程记忆合金加热收缩，浮力调节模块的挡环在第二单程记忆合金的驱动下向右移动，并与浮力调节模块的保持架的锯齿状端面接触，浮力调节模块的第一单程记忆合金随挡环的移动而自由变形，浮力调节模块的水囊在挡环驱动下体积减小，向外排水使得微型水下机器人上浮；
步骤2：微型水下机器人上浮至水面后，控制模块停止加热第二单程记忆合金，挡环在水压作用下贴合在锯齿状端面上，实现自锁，同时控制模块停止加热可折展水翼模块的第一双程记忆合金和可折展水翼模块的第二双程记忆合金，可折展水翼模块进入展开状态，并在波浪激励力下绕电机组的电机主轴作往复摆动运动，驱动电机组旋转发电；
步骤3：当微型水下机器人完成捕能发电后，控制模块向第一单程记忆合金发送电信号，使第一单程记忆合金加热收缩，挡环在第一单程记忆合金的驱动下向左移动，并与保持架的平滑端面接触，第二单程记忆合金随挡环的移动而自由变形，水囊在挡环驱动下体积增大，向内注水使得微型水下机器人下潜，同时控制模块加热第一双程记忆合金和第二双程记忆合金，可折展水翼模块进入收缩状态，在电机组的主动驱动下，可折展水翼模块作往复摆动运动以实现微型水下机器人的扑翼运动。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的微型水下机器人集波浪能发电、扑翼驱动、浮力调节功能于一体，具有结构紧凑、体积小、耗能低、续航能力强等特点，可在复杂狭窄水域中执行长时间的隐蔽性勘探作业；
2、本发明提供的浮力调节模块通过并联单程记忆合金弹簧的方式提高装置的输出力，同时采用两组单程记忆合金弹簧分别实现浮力的增大和减小，响应快速且在切断电源后仍具备自锁能力，可在较大范围内调整并保持水下机器人的下潜深度；
3、本发明提供的基于双程记忆合金的可折展水翼模块，在展开状态下有助于增加微型水下机器人捕获波浪能的有效面积，提高发电效率，同时在折叠状态下可显著降低扑翼运动所需的驱动力，提升机器人的续航能力；
4、本发明的浮力调节模块采用单程记忆合金，可主动调节微型水下机器人的浮力，可折展水翼模块采用双程记忆合金，可在折叠状态和展开状态间切换，在展开状态下，可折展水翼模块通过捕获波浪能对蓄电池充电供能，在折叠状态下，可折展水翼模块由电机组驱动实现扑翼运动。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的可折展微型水下机器人的内部结构示意图；
图2为本发明的可折展微型水下机器人捕能状态下的侧面示意图
图3为本发明的可折展微型水下机器人运动状态下的侧面示意图；
图4为本发明的可折展微型水下机器人的浮力调节模块的整体结构示意图；
图5为本发明的可折展微型水下机器人的浮力调节模块内部结构的爆炸图；
图6为本发明的可折展微型水下机器人实现波浪能捕获的运动示意图；
图7为本发明的可折展微型水下机器人实现扑翼驱动的运动示意图。
图中示出：
可折展水翼模块1 转动连接块5
第一杆件11 浮力调节模块6
第二杆件12 保持架61
第三杆件13 第一单程记忆合金62
薄膜14 挡环63
第一双程记忆合金15 第二单程记忆合金64
第二双程记忆合金16 水囊65
控制模块2 蓄电池7
水下机器人壳体3 第一电池保持架8
电机组4 第二电池保持架9
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例提供一种可折展微型水下机器人，包括可折展水翼模块1、控制模块2、浮力调节模块6、储能驱动模块以及水下机器人壳体3,储能驱动模块包括电机组4、转动连接块5以及蓄电池7。可折展水翼模块1通过转动连接块5安装在水下机器人壳体3两侧，可折展水翼模块1与电机组4电连接，控制模块2、浮力调节模块6以及蓄电池7依次安装在水下机器人壳体3的头部、中部和尾部。可折展水翼模块1具备折叠和展开两种状态：在展开状态下，可折展水翼模块1通过捕获波浪能驱动电机组4发电，电机组4对蓄电池7充电供能；在折叠状态下，电机组4驱动可折展水翼模块1实现扑翼运动。储能驱动模块还包括第一电池保持架8和第二电池保持架9，蓄电池7通过第一电池保持架8和第二电池保持架9固定在水下机器人壳体3的尾部。
可折展水翼模块1包括第一杆件11、第二杆件12、第三杆件13、薄膜14、第一双程记忆合金15以及第二双程记忆合金16。第一杆件11的一端和第二杆件12的一端铰接连接，第一双程记忆合金15设置在第一杆件11和第二杆件12的连接处，第一杆件11的另一端固定在转动连接块5上，第二杆件12的另一端和第三杆件13的一端铰接连接，第二双程记忆合金16设置在第二杆件12和第三杆件13的连接处，薄膜14包覆在可折展水翼模块1上，薄膜14的一端与水下机器人壳体3、转动连接块5连接。
浮力调节模块6包括保持架61、第一单程记忆合金62、挡环63、第二单程记忆合金64以及水囊65。挡环63的一端与保持架61通过第一单程记忆合金62连接，挡环63的另一端与保持架61通过第二单程记忆合金64连接，挡环63设置在保持架61的外侧，水囊65设置在保持架61的内部。保持架61的外侧壁上分布设置有四道沟槽，沟槽一侧为锯齿状端面，沟槽的另一侧为平滑端面。第一单程记忆合金62与挡环63、保持架61的连接点以螺旋方式交错排列，第二单程记忆合金64与挡环63、保持架61的连接点以螺旋方式交错排列。
本实施例还提供一种基于上述的可折展微型水下机器人的工作方法，包括如下步骤：
步骤1：当微型水下机器人位于水面下时，控制模块2向浮力调节模块6的第二单程记忆合金64发送电信号，使第二单程记忆合金64加热收缩，浮力调节模块6的挡环63在第二单程记忆合金64的驱动下向右移动，并与浮力调节模块6的保持架61的锯齿状端面接触，浮力调节模块6的第一单程记忆合金62随挡环63的移动而自由变形，浮力调节模块6的水囊65在挡环63驱动下体积减小，向外排水使得微型水下机器人上浮；
步骤2：微型水下机器人上浮至水面后，控制模块2停止加热第二单程记忆合金64，挡环63在水压作用下贴合在锯齿状端面上，实现自锁，同时控制模块2停止加热可折展水翼模块1的第一双程记忆合金15和可折展水翼模块1的第二双程记忆合金16，可折展水翼模块1进入展开状态，并在波浪激励力下绕电机组4的电机主轴作往复摆动运动，驱动电机组4旋转发电；
步骤3：当微型水下机器人完成捕能发电后，控制模块2向第一单程记忆合金62发送电信号，使第一单程记忆合金62加热收缩，挡环63在第一单程记忆合金62的驱动下向左移动，并与保持架61的平滑端面接触，第二单程记忆合金64随挡环63的移动而自由变形，水囊65在挡环63驱动下体积增大，向内注水使得微型水下机器人下潜，同时控制模块2加热第一双程记忆合金15和第二双程记忆合金16，可折展水翼模块1进入收缩状态，在电机组4的主动驱动下，可折展水翼模块1作往复摆动运动以实现微型水下机器人的扑翼运动。
实施例2：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
如图1所示，本实施例提供一种基于记忆合金的水面波捕能及扑翼运动一体化可折展微型水下机器人，包括可折展水翼模块1、控制模块2、浮力调节模块6、储能驱动模块以及水下机器人壳体3。其中，储能驱动模块包括电机组4、转动连接块5以及蓄电池7。
可折展水翼模块1对称安装在水下机器人壳体3的两侧，第一杆件11与转动连接块5铰接连接，转动连接块5与电机组4的电机主轴连接，控制模块2、浮力调节模块6和蓄电池7依次安装在水下机器人壳体3的头部、中部和尾部。
储能驱动模块还包括第一电池保持架8和第二电池保持架9,蓄电池7通过第一电池保持架8和第二电池保持架9固定在水下机器人壳体3的尾部。
如图2和图3所示，可折展水翼模块1包括第一杆件11、第二杆件12、第三杆件13、薄膜14、第一双程记忆合金15以及第二双程记忆合金16。第一杆件11和第二杆件12铰接连接，在连接处安装有第一双程记忆合金15，第二杆件12和第三杆件13铰接连接，在连接处安装有第二双程记忆合金16。在未加热时，低温下的第一双程记忆合金15和第二双程记忆合金16保持展开形状，可折展水翼模块1处于展开状态；在加热后，高温下的第一双程记忆合金15和第二双程记忆合金16保持弯曲形状，可折展水翼模块1处于折叠状态。
薄膜14包覆在可折展水翼模块1上，且薄膜14的一端与水下机器人壳体3和转动连接块5连接，当可折展水翼模块1折叠时，薄膜14处于收缩状态，当可折展水翼模块1展开时，薄膜14处于张开状态。
如图4和图5所示，浮力调节模块6包括保持架61、第一单程记忆合金62、挡环63、第二单程记忆合金64以及水囊65。保持架61的外侧均匀分布有四道沟槽，沟槽的一侧为锯齿状端面，另一侧为平滑端面，挡环63通过四道沟槽嵌套在保持架61的外侧，可沿沟槽相对于保持架61作直线运动，水囊65设置在保持架61的内部，水囊65的右端与保持架61的右端固定连接，且左端与挡环63的右端固定连接，可随挡环63一同沿沟槽作直线运动。在优选例中，水囊65可由防水布或塑料薄膜制成。
第一单程记忆合金62和第二单程记忆合金64均是由一根单程记忆合金丝绕制的弹簧状结构，在低温下，弹簧状结构可在外力作用下自由变形，在高温下，弹簧状结构恢复收缩状态。在优先例中，三根第一单程记忆合金62和三根第二单程记忆合金64均匀分布在保持架61的外侧，第一单程记忆合金62的一端与保持架61的左端连接，另一端与挡环63的左端连接，且两处的连接点以螺旋方式交错排列，第二单程记忆合金64的一端与保持架61的右端连接，另一端与挡环63的右端连接，且两处的连接点以螺旋方式交错排列。
工作原理：
如图6所示，当微型水下机器人位于水面下时，控制模块2向第二单程记忆合金64发送电信号，使其加热收缩，挡环63在第二单程记忆合金64的驱动下向右移动，并与保持架61的锯齿状端面接触，此时低温下的第一单程记忆合金62随挡环63的移动而自由变形，水囊65在挡环63驱动下体积减小，向外排水使得微型水下机器人上浮。微型水下机器人上浮至水面后，控制模块2停止加热第二单程记忆合金64，挡环63在水压作用下贴合在锯齿状端面上，实现自锁；同时控制模块2停止加热第一双程记忆合金15和第二双程记忆合金16，可折展水翼模块1进入展开状态，并在波浪激励力下绕电机组4的电机主轴作往复摆动运动，驱动电机组4旋转发电。
如图7所示，当微型水下机器人完成捕能发电后，控制模块2向第一单程记忆合金62发送电信号，使其加热收缩，挡环63在第一单程记忆合金62的驱动下向左移动，并与保持架61的平滑端面接触，此时低温下的第二单程记忆合金64随挡环63的移动而自由变形，水囊65在挡环63驱动下体积增大，向内注水使得微型水下机器人下潜；同时控制模块2加热第一双程记忆合金15和第二双程记忆合金16，可折展水翼模块1进入收缩状态，在电机组4的主动驱动下，可折展水翼模块1作往复摆动运动以实现微型水下机器人的扑翼运动。
本发明提供的微型水下机器人集波浪能发电和扑翼驱动功能于一体，具有体积小、续航能力强、隐蔽性高的特点。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (8)
1.一种可折展微型水下机器人，其特征在于，包括可折展水翼模块(1)、控制模块(2)、浮力调节模块(6)、储能驱动模块以及水下机器人壳体(3)；所述储能驱动模块包括电机组(4)、转动连接块(5)以及蓄电池(7)；
所述可折展水翼模块(1)通过所述转动连接块(5)安装在所述水下机器人壳体(3)两侧，所述可折展水翼模块(1)与所述电机组(4)电连接；
所述控制模块(2)、所述浮力调节模块(6)以及所述蓄电池(7)安装在所述水下机器人壳体(3)上；
所述可折展水翼模块(1)具备折叠和展开两种状态：在展开状态下，所述可折展水翼模块(1)通过捕获波浪能驱动所述电机组(4)发电，所述电机组(4)对所述蓄电池(7)充电供能；在折叠状态下，所述电机组(4)驱动所述可折展水翼模块(1)实现扑翼运动。
2.根据权利要求1所述的可折展微型水下机器人，其特征在于，所述可折展水翼模块(1)包括第一杆件(11)、第二杆件(12)、第三杆件(13)、薄膜(14)、第一双程记忆合金(15)以及第二双程记忆合金(16)；
所述第一杆件(11)的一端和所述第二杆件(12)的一端铰接连接，所述第一双程记忆合金(15)设置在所述第一杆件(11)和所述第二杆件(12)的连接处；所述第一杆件(11)的另一端固定在所述转动连接块(5)上；
所述第二杆件(12)的另一端和所述第三杆件(13)的一端铰接连接，所述第二双程记忆合金(16)设置在所述第二杆件(12)和所述第三杆件(13)的连接处；
所述薄膜(14)包覆在所述可折展水翼模块(1)上，所述薄膜(14)的一端与所述水下机器人壳体(3)、所述转动连接块(5)连接。
3.根据权利要求1所述的可折展微型水下机器人，其特征在于，所述浮力调节模块(6)包括保持架(61)、第一单程记忆合金(62)、挡环(63)、第二单程记忆合金(64)以及水囊(65)；
所述挡环(63)的一端与所述保持架(61)通过所述第一单程记忆合金(62)连接，所述挡环(63)的另一端与所述保持架(61)通过所述第二单程记忆合金(64)连接；
所述挡环(63)设置在所述保持架(61)的外侧，所述水囊(65)设置在所述保持架(61)的内部。
4.根据权利要求3所述的可折展微型水下机器人，其特征在于，所述保持架(61)的外侧壁上分布设置有四道沟槽，所述沟槽一侧为锯齿状端面，所述沟槽的另一侧为平滑端面。
5.根据权利要求3所述的可折展微型水下机器人，其特征在于，所述第一单程记忆合金(62)与所述挡环(63)、所述保持架(61)的连接点以螺旋方式交错排列；
所述第二单程记忆合金(64)与所述挡环(63)、所述保持架(61)的连接点以螺旋方式交错排列。
6.根据权利要求1所述的可折展微型水下机器人，其特征在于，所述储能驱动模块还包括第一电池保持架(8)和第二电池保持架(9)；
所述蓄电池(7)通过所述第一电池保持架(8)和所述第二电池保持架(9)固定在所述水下机器人壳体(3)的尾部。
7.根据权利要求1所述的可折展微型水下机器人，其特征在于，所述控制模块(2)、所述浮力调节模块(6)以及所述蓄电池(7)依次安装在所述水下机器人壳体(3)的头部、中部和尾部。
8.一种基于权利要求1至7任一项所述的可折展微型水下机器人的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：当微型水下机器人位于水面下时，控制模块(2)向浮力调节模块(6)的第二单程记忆合金(64)发送电信号，使第二单程记忆合金(64)加热收缩，浮力调节模块(6)的挡环(63)在第二单程记忆合金(64)的驱动下向右移动，并与浮力调节模块(6)的保持架(61)的锯齿状端面接触，浮力调节模块(6)的第一单程记忆合金(62)随挡环(63)的移动而自由变形，浮力调节模块(6)的水囊(65)在挡环(63)驱动下体积减小，向外排水使得微型水下机器人上浮；
步骤2：微型水下机器人上浮至水面后，控制模块(2)停止加热第二单程记忆合金(64)，挡环(63)在水压作用下贴合在锯齿状端面上，实现自锁，同时控制模块(2)停止加热可折展水翼模块(1)的第一双程记忆合金(15)和可折展水翼模块(1)的第二双程记忆合金(16)，可折展水翼模块(1)进入展开状态，并在波浪激励力下绕电机组(4)的电机主轴作往复摆动运动，驱动电机组(4)旋转发电；
步骤3：当微型水下机器人完成捕能发电后，控制模块(2)向第一单程记忆合金(62)发送电信号，使第一单程记忆合金(62)加热收缩，挡环(63)在第一单程记忆合金(62)的驱动下向左移动，并与保持架(61)的平滑端面接触，第二单程记忆合金(64)随挡环(63)的移动而自由变形，水囊(65)在挡环(63)驱动下体积增大，向内注水使得微型水下机器人下潜，同时控制模块(2)加热第一双程记忆合金(15)和第二双程记忆合金(16)，可折展水翼模块(1)进入收缩状态，在电机组(4)的主动驱动下，可折展水翼模块(1)作往复摆动运动以实现微型水下机器人的扑翼运动。
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