CN1903657A - 形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人 - Google Patents

Abstract

形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，涉及一种机器人。为解决现有的水下机器人存在结构复杂、质量大、动作噪音大及运动性能较差的问题而提供一种形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，它包括推进器，所述推进器包括支架(10)、形状记忆合金弹簧(5)、运动传递机构(6)和至少四个鳍辐(3)，所述运动传递机构(6)设置在转轴(11)上，形状记忆合金弹簧(5)的一个端头固定在运动传递机构(6)上，形状记忆合金弹簧(5)的另一端固定在支架(10)上。本发明所述水下机器人结构简单，驱动装置所占的体积小，动作灵活。该推进装置不易受浅海区水草等的影响，应用该推进器的水下机器人可以行进在岩石沟缝、水草较多的海域，执行观测、潜伏等任务，利于推广应用。

Description

形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人。

背景技术

世界上第一台水下机器人“Poodle”诞生于1953年，由DimitriRebikoff发明。最初的20多年发展缓慢。20世纪70年代以来，随着海上石油开采的兴起和控制技术的进步，水下机器人的发展掀起了高潮。现有的水下机器人大都采用类似于潜艇的耐压壳结构或者开方式框架结构，运动则是通过螺旋桨和舵来实现，不够灵活，能量利用率低，而且在水草较多的场合，水草易卷到螺旋桨上而困住水下机器人。而水中生物如鱼、蛇是通过身体的摆动来实现其在水中的运动，这种运动方式具有能量转化率高，无噪声推进，适用场合广等优点。所以，国内外竞相研制模仿鱼等水中生物游动的水下仿生机器人。

最初研究的机器鱼以尾鳍摆动推进居多，如由麻省理工学院于1994年模仿蓝鳍金枪鱼设计制造的世界上第一条机器鱼RoboTuna。这条由尾鳍摆动推进的机器鱼长约1.2m，由2843个零件组成，关节式铝合金脊柱，中空聚苯乙烯肋骨，网状泡沫组织，聚氨基甲酸酯弹性纤维纱表皮，内部装有6台2马力的无刷直流伺服电动机、轴承及电路等。该机器鱼在多处理器和高级推进系统的控制下，通过摆动躯体和尾巴，能像真鱼一样游动，速度可达7.2km/h(4kts)。

由于尾鳍摆动推进机器鱼单靠尾鳍不能实现后退游动，这限制了机器鱼在需要后退功能的场合的应用。人们开始探索研制波动推进的机器鱼，如带状波动鳍推进的机器鱼、胸鳍波动推进的仿生水下机器人等等。

美国东北大学(Northwestern University)研制的仿黑鬼鱼(图1)推进的带状鳍波动推进器(图2)。该推进器采用电机驱动，由多根鳍辐和柔性鳍膜组成带状鳍波动器。这种推进器模拟南美的黑鬼鱼(Black ghostknifefish)，这种鱼的带状鳍能在多个方向产生大的加速度，使鱼能够快速到达它的弱电感知器官探测范围内的点。这种仿生带状鳍有潜力应用在需要多运动自由度，高加速度和高效的位置保持的水下机器人上。

爱沙尼亚塔尔图大学(Tartu University)研制了EAP(电流驱动聚合物，Electro-Active Polymer，简称EAP)驱动的水下机器人(图3)。该机器人两侧分别均布8个EAP制成的胸鳍，通过胸鳍作波浪式运动产生推力。为了确保与人工肌肉可靠接触同时也防止离子与聚合体通过肌肉表面的铂层进行交换，采用了0.15μm厚的层压胶布板将它们固定在框架上。胸鳍全长为110mm，每个瓶状的肌肉长为40mm，用橡胶薄片固定在框架上。通过水槽中实验，证明由EAP制成的胸鳍能够推动该机器人前进，通过录像带的观测，该水下机器人的平均速度约为0.005m/s。

上述的仿生水下机器人虽然实现了鱼的游动等仿生功能，但是采用电动机驱动的机器鱼，结构较为复杂，质量较大，动作噪音大，而采用EAP驱动的机器鱼输出力较小，现阶段还难以达到较高的运动性能。

海洋中有一类特殊的动物——乌贼(Cuttlefish)(图4)，它们通过水平的鳍的波动推进和喷射来实现推进。Cuttlefish在身体外套膜周围有窄而长的鳍。利用鳍进行波动推进时，Cuttlefish的鳍按照类似于正弦波的波动实现推进，当两侧的鳍的波动不同时，可实现转弯功能；当鳍的波动反相时，可实现后退功能。鳍还可以实现Cuttlefish的悬浮。由于鳍较窄，而且能在多个方向上产生推力，Cuttlefish可以灵活地在海洋中仅比其身体宽一点的岩石沟壑中任意穿行、前进、后退或转弯，而一般的尾鳍摆动推进的鱼是很难进入这种区域的。如果能利用大能量密度的驱动器模拟Cuttlefish的鳍的波动推进并将其应用到水下机器人上，将拓宽水下机器人的应用场合，但目前为止还没有这样的机器人产生。

发明内容

针对现有的水下机器人存在结构复杂、质量大、动作噪音大及运动性能较差的问题，本发明提供一种结构简单、质量小、无噪音的由形状记忆合金弹簧驱动、模拟乌贼的鳍进行波动推进的水下机器人。一种形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，包括推进器，所述推进器在结构上包括支架10，支架10上并列设有两个转轴11，它还包括形状记忆合金弹簧5、运动传递机构6和至少四个鳍辐3，所有鳍辐分成两列且对称分布在支架10的两侧，每列中的相邻两个鳍辐3之间都连接有柔性蒙皮图24是具体实施方式七所述机器人两个鳍辐的运动时序图，在鳍辐上的箭头表示该鳍辐下一时刻的动作方向，图25所示是五鳍辐波动示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：形状记忆合金是一种具有形状记忆效应，并能感知温度和位移，并能将热能转换成机械能的功能材料。自20世纪60年代初在近等原子比TiNi合金中发现形状记忆效应(SME，Shape Memory Effect)以来，至今发现的形状记忆合金已达几十种之多，其中Ti-Ni和Cu-Zn-Al合金已经进入工业阶段，Cu-Al-Ni和Fe-Mn-Si合金已进入市场引入阶段。形状记忆效应是指某些呈现马氏体相变的合金处于低温相时变形，加热到马氏体逆相变点通过逆相变有马氏体(Martensite)转化为奥氏体(Austenite)，恢复其原始形状的现象。形状记忆效应可分为单程形状记忆效应，双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。本实施方式就是利用了形状记忆合金的上述功能，将其制成形状记忆合金弹簧作为水下机器人的驱动器，从而为水下机器人的运动提供能量。

一种形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，参照图5、图6、图7和图8，机器人整体由本体1、通讯装置17、电源18、沉浮控制系统19、有效载荷20、控制电路21和水平鳍波动推进器2组成，所述推进器在结构上包括支架10，参照图9，支架10上并列设有两个转轴11，参照图10，它还包括形状记忆合金弹簧5、运动传递机构6和至少四个鳍辐3，所有鳍辐分成两列且对称分布在支架10的两侧，每列中的相邻两个鳍辐3之间都连接有柔性蒙皮4，鳍辐与柔性蒙皮4连接即形成鳍。每个鳍辐3的端头都分别固定在各自的运动传递机构6上，所述运动传递机构6设置在转轴11上，形状记忆合金弹簧5的一个端头固定在运动传递机构6上，形状记忆合金弹簧5的另一端固定在支架10上。

该水下机器人可以是有缆机器人也可以是无缆机器人，有缆机器人是通过电缆向机器人提供能源，这种机器人可以不在本体中安装供形状记忆合金驱动器用的电源18。

在不同场合使用的机器人可以使用数量不同的鳍辐，以优化运动。在结构上，形状记忆合金弹簧5和运动传递机构6设置在机器人本体1内，鳍辐3伸出到机器人本体1的外面，本体1的侧面开有供鳍辐3转动的开4，每个鳍辐3的端头都分别固定在各自的运动传递机构6上，所述运动传递机构6设置在转轴11上，形状记忆合金弹簧5的一个端头固定在运动传递机构6上，形状记忆合金弹簧5的另一端固定在支架10上。

本发明利用智能材料形状记忆合金弹簧作为驱动器，模仿乌贼的鳍的波动实现推进，为水下机器人提供了一种新型的、灵活的、无声的推进装置，使该仿生水下机器人结构简单，驱动装置所占的体积小，动作灵活。该推进装置不易受浅海区水草等的影响，应用该推进器的水下机器人可以行进在岩石沟缝、水草较多的海域，执行观测、潜伏等任务，利于推广应用。

附图说明

图1是黑鬼鱼的外形示意图，图2是美国东北大学(NorthwesternUniversity)研制的仿黑鬼鱼推进的带状鳍波动推进器外形示意图，图3是爱沙尼亚塔尔图大学(Tartu University)研制的EAP(电流驱动聚合物，Electro-Active Polymer，简称EAP)驱动的水下机器人外形示意图，图4是乌贼的外形示意图，图5是本发明所述机器人的结构示意图，图6是图5的俯视图，图7是图5的侧视图，图8是本发明所述机器人的立体结构示意图，图9是具体实施方式一所述的不带形状记忆合金弹簧5的推进器的立体结构示意图，图10是从另一角度表示的带形状记忆合金弹簧5结构推进器的立体结构示意图，图11是单侧水平鳍某个波动状态示意图，图12是双面齿条的运动传递机构与形状记忆合金弹簧和鳍辐的连接关系示意图，图13是具体实施方式一所述的鳍辐与柔性蒙皮之间通过粘贴的连接方式示意图，图14是具体实施方式一所述的鳍辐与柔性蒙皮之间通过穿入的连接方式示意图，图15是具体实施方式二所述相对称的两个扇形齿轮分别与一个单面齿条相啮合的结构示意图，图16是具体实施方式三所述杠杆结构的推进器的结构示意图，图17是具体实施方式三所述一条形状记忆合金弹簧同时与两个杠杆进行连接的结构示意图，图18是具体实施方式四所述一条形状记忆合金弹簧只与一个杠杆进行连接的结构示意图，图19是具体实施方式五所述形状记忆合金弹簧绕过滑轮与齿条连接结构示意图，图20是具体实施方式六所述转向舵的结构示意图，图21是具体实施方式七所述机器人的外形示意图，图22是图21的俯视图，图23是图21的侧视图，口；在相邻的鳍辐上连接柔性的蒙皮作为鳍膜，这样鳍辐3在水中波动时就可以产生推力。工作时，鳍辐3、形状记忆合金弹簧5、运动传递机构6都暴露在水中，形状记忆合金在水中散热快，从而可以达到较高的运动频率，但是需要将形状记忆合金弹簧5及与其连接的导线与周围的水进行绝缘，本实施方式的绝缘方式为在形状记忆合金弹簧5及导线的表面涂覆绝缘漆，实际使用中也可以采用包裹橡胶、聚合物、聚四氟乙烯绝缘层的方式进行绝缘。

本实施方式所述形状记忆合金弹簧5是TiNi单程形状记忆合金。实验证明，TiNi单程形状记忆合金的动作循环次数与回复应变量有关，在2％的回复应变量下能循环动作10万次以上。该合金的最大回复应力为60kg/mm²。在具体实施中，所述形状记忆合金弹簧不限定材料，只要马氏体相变点Ms和Mf高于环境温度，而马氏体逆相变温度As和Af稍高于环境温度，不影响电流加热动作即可。

采用本实施方式所述的单程形状记忆合金弹簧作为驱动器使得机器人的推进机构简单而又可靠。形状记忆合金弹簧采用电流加热，加热电流受控制电路控制，控制电路按照每隔一段时间检测一次形状记忆合金弹簧的参数如电阻、温度等，确定形状记忆合金弹簧的状态，然后再控制电流大小或者电流脉冲的宽度来加热形状记忆合金弹簧，使形状记忆合金弹簧继续动作、保持动作或者断电冷却，从而通过运动传递机构来控制鳍辐3实现类似于正弦波的波动。本实施方式所述形状记忆合金弹簧驱动鳍辐的运动传递机构6是齿轮齿条传递机构，参照图9、图10、图12、图15、图19，它的具体结构包括扇形齿轮7和与其啮合的齿条8，所述扇形齿轮7通过孔安装在转轴11上，只有一个转动自由度。扇形齿轮7的后端与鳍辐3固接，齿条8的两端分别通过各自的形状记忆合金弹簧5与支架10连接，构成差动式形状记忆合金弹簧驱动器。工作时，形状记忆合金弹簧5拉动齿条8动作，齿条8拉动扇形齿轮7转动，从而实现鳍辐3的转动。本实施方式所述机器人上不设有偏压弹簧等恢复装置，而是采用了差动式的形状记忆合金弹簧驱动器，即在齿条8的两端分别通过各自的形状记忆合金弹簧5与支架10连接，齿条8一端的形状记忆合金弹簧5受电流加热温度上升到马氏体逆向变之后收缩，产生动作；当形状记忆合金弹簧5冷却需要恢复原长时，通过齿条8另一端的形状记忆合金弹簧5动作使其恢复原长。

本实施方式所述齿条8为双面齿条，参照图12，对称设置的两个扇形齿轮7共用一个双面齿条，这样，同一对鳍辐以相同的动作摆动，机器人能够实现前进，后退，上升，下潜的动作。

图5、图6、图7和图8所示的是十个鳍辐的水平鳍(每侧五个，每个鳍辐单独驱动)的胸鳍波动推进仿生水下机器人，图11是单侧水平鳍某个波动状态示意图，图25所示是五鳍辐波动示意图，其中n为自然数，箭头表示的是该关节下一时刻的运动方向。当每侧的鳍波动成正弦波(可以是几分之一个波长也可以是一个以上波长)的形状时，鳍会产生沿着水下机器人轴线方向的推力，从而推动机器人向前运动，

所述鳍辐的材料为塑料、金属、橡胶或其他刚性较好的细杆，柔性蒙皮可以通过直接粘贴、穿入等方式连接到鳍辐上。具体连接的方式可以是下面的任意一种，也可以是其它能实现连接的任何方式。

(1)粘贴方式：在柔性蒙皮上通过粘接的方式连上内径稍大于鳍辐的套管，套管插在鳍辐外部实现连接，如图13所示；

(2)穿入方式：由两层薄膜互相紧密粘贴，留出插入鳍辐的长条空间，鳍辐插入到这些空间中实现连接，如图14所示。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同之处在于，所述齿条8为单面齿条，参照图15，每个单面齿条与一个扇形齿轮7相啮合，安装时，仅啮合需要传动的鳍辐的扇形齿轮即可，齿条的另一面由支架支持。这种驱动方式使鳍辐的转角与齿条的移动距离成线性关系，有利于控制。

由于每个单面齿条与一个扇形齿轮7相啮合，这样每个鳍辐都单独驱动，使用时就可以控制相对称的两个鳍辐作相同的运动或者有一定相位差的运动，则机器人本体两侧的鳍会按照相同的动作运动或者有一定相位差的动作运动。当两侧的鳍按照相同的动作运动时，机器人实现直线运功，如前进，后退，上升，下潜等等。当两侧的鳍按照一定相位差运动时，可实现转弯。当两侧的鳍的运动完全相反时，可实现原地打转的运动，这是尾鳍摆动推进难以实现的。这种方式可以使波动鳍靠近本体边缘安装，实现多种波动方式，发挥最大效用，并节省本体的空间，以安装更多的有效载荷。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同之处在于，所述运动传递机构6是杠杆传递机构，参照图16、图17和图18，鳍辐3连接到转轴11上，并延伸出一段作为杠杆9，所述杠杆9的上端和下端都通过形状记忆合金弹簧5与支架10连接。由于形状记忆合金弹簧5的一端连接在支架10上，另一端连接到杠杆9上，这样，形状记忆合金弹簧的收缩或伸长即可拉动杠杆转动，进而拉动鳍辐转动。由于杠杆设置在转轴11上，因此杠杆只有一个转动自由度。

本实施方式所述对称设置的两个杠杆9的上端与同一个形状记忆合金弹簧5连接，对称设置的两个杠杆9的下端与同一个形状记忆合金弹簧5连接，其结构如图17所示，即同一条形状记忆合金弹簧5的一端同时连接两个杠杆9，以同时拉动两个鳍辐运动，这样同一对鳍辐以相同的动作摆动，本实施方式控制每个鳍辐转动范围为上下各30°，从而使机器人能够实现前进，后退，上升，下潜的动作。形状记忆合金弹簧5与杠杆9之间可以直接连接，也可以通过连接体15和拉线16进行连接。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同之处在于，每个杠杆9的上端和下端都分别与各自的形状记忆合金弹簧5连接，参照图18，即每个形状记忆合金弹簧5连接杠杆9的那一端只连接一个杠杆，并通过相应的杠杆只拉动相应的一个鳍辐，这样每个鳍辐都单独驱动，使用时就可以控制相对称的两个鳍辐作相同的运动或者有一定相位差的运动，则机器人本体两侧的鳍会按照相同的动作运动或者有一定相位差的动作运动。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一、二、三、四不同之处在于，所述形状记忆合金弹簧5的一端和/或两端通过连接体15和拉线16与运动传递机构6及支架10连接，所述支架10上设有滑轮14，所述拉线16绕过滑轮14后固定在支架10或运动传递机构6上，参照图9、图10、图19。上述结构的目的在于，以齿轮齿条传递机构为例，齿条需要较多的运动空间，如果两个形状记忆合金弹簧直接连在齿条的上方或者下方，可能会使驱动机构在高度方向的尺寸过大。这种情况下形状记忆合金弹簧可以与齿条并行排列，参照图19，齿条前后各有一个形状记忆合金弹簧，滑轮安装在齿条上方，连接在支架上，其轴线平行于齿轮。连接形状记忆合金弹簧的拉线绕过滑轮连接到齿条上，形状记忆合金弹簧的位移输出通过拉线和使拉线转向的滑轮传递给齿条，这样就能减小支架10高度方向的尺寸。所述滑轮也可以用圆杆或其他转向元件代替，都在本发明的保护范围之内。

具体实施方式六：如具体实施方式一、三所述结构，机器人能够实现直线运动，如前进，后退，上升，下潜等等，但若此种结构的机器人需要转弯时，则需要安装转向用的舵。本实施方式即提供一种安装在支架后部的转向舵，参照图9、图10、图21、图22，转向舵在结构上包括一连接在支架上的呈竖直状态的转轴11，参照图20，在转轴11上设有与其垂直的转动杆12，在转动杆12的两端分别连接有形状记忆合金弹簧5，所述形状记忆合金弹簧5的另一端头固定在前端的支架10上，所述转轴11的后端设有与转轴11固定的舵13。

所述转向舵仍由差动式形状记忆合金弹簧驱动器来驱动。舵通过转轴11安装在支架尾部，通过转动杆12在转轴11两侧分别连接了一个形状记忆合金弹簧，构成形状记忆合金弹簧驱动的差动转动关节。当舵需要转动时，如向左转时，左侧的形状记忆合金弹簧加热收缩，拉动舵向左转。当舵需要保持偏转动作时，控制系统控制收缩的形状记忆合金弹簧温度保持不变，以维持收缩的状态使舵保持偏转。当舵要恢复初始的不偏转状态时，右侧的形状记忆合金弹簧加热收缩，并由控制系统控制收缩量，使舵恢复初始的不偏转状态。

具体实施方式七：本实施方式所述仿生水下机器人共有四个鳍辐，本体两侧各有两个，两侧对应的两个鳍辐由同一组形状记忆合金弹簧来驱动，形状记忆合金弹簧与齿条平行排列，以减小高度。形状记忆合金弹簧的输出通过滑轮和拉线与支架和齿条连接，在机器人尾部有舵，舵的结构如图20所示，采用差动式形状记忆合金弹簧驱动器。图21、22、23为该仿生水下机器人的外形图。该机器人鳍的波动模拟1/4个波长的波，一侧的两个鳍辐的运动示意图如图24所示。

Claims (10)

1.一种形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，它包括推进器，其特征在于所述推进器在结构上包括支架(10)，支架(10)上并列设有两个转轴(11)，它还包括形状记忆合金弹簧(5)、运动传递机构(6)和至少四个鳍辐(3)，所有鳍辐分成两列且对称分布在支架(10)的两侧，每列中的相邻两个鳍辐(3)之间都连接有柔性蒙皮(4)，每个鳍辐(3)的端头都分别固定在各自的运动传递机构(6)上，所述运动传递机构(6)设置在转轴(11)上，形状记忆合金弹簧(5)的一个端头固定在运动传递机构(6)上，形状记忆合金弹簧(5)的另一端固定在支架(10)上。

2.根据权利要求1所述的形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于运动传递机构(6)是齿轮齿条传递机构，具体结构包括扇形齿轮(7)和与其啮合的齿条(8)，所述扇形齿轮(7)通过孔安装在转轴(11)上，扇形齿轮(7)的后端与鳍辐(3)固接，齿条(8)的两端分别通过各自的形状记忆合金弹簧(5)与支架(10)连接。

3.根据权利要求2所述的形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于所述齿条(8)为双面齿条，对称设置的两个扇形齿轮(7)共用一个双面齿条。

4.根据权利要求2所述的形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于所述齿条(8)为单面齿条，每个单面齿条与一个扇形齿轮(7)相啮合。

5.根据权利要求1所述的形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于运动传递机构(6)是杠杆传递机构，鳍辐(3)连接到转轴(11)上，并延伸出一段作为杠杆(9)，所述杠杆(9)的上端和下端都通过形状记忆合金弹簧(5)与支架(10)连接。

6.根据权利要求5所述的形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于对称设置的两个杠杆(9)的上端与同一个形状记忆合金弹簧(5)连接，对称设置的两个杠杆(9)的下端与同一个形状记忆合金弹簧(5)连接。

7.根据权利要求5所述的形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于每个杠杆(9)的上端和下端都分别与各自的形状记忆合金弹簧(5)连接。

8.根据权利要求3或6所述的形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于在支架(10)的后部设有转向舵，转向舵在结构上包括一连接在支架上的呈竖直状态的转轴(11)，在转轴(11)上设有与其垂直的转动杆(12)，在转动杆(12)的两端分别连接有形状记忆合金弹簧(5)，所述形状记忆合金弹簧(5)的另一端头固定在前端的支架(10)上，所述转轴(11)的后端设有与转轴(11)固定的舵(13)。

9.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于所述形状记忆合金弹簧(5)的一端和/或两端通过连接体(15)和拉线(16)与运动传递机构(6)及支架(10)连接，所述支架(10)上设有滑轮(14)，所述拉线(16)绕过滑轮(14)后固定在支架(10)或运动传递机构(6)上。

10.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的形状记忆合金弹簧驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，其特征在于在所述形状记忆合金弹簧(5)的表面涂覆绝缘漆或包裹橡胶、聚合物、聚四氟乙烯绝缘层的方式进行绝缘。

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