CN216153998U - 一种水下光驱动机构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种水下光驱动机构，为一种仿生机器鱼，其包括躯干、自前至后依次对称设置于躯干两侧的一对结构相同的主鳍和一对结构相同的副鳍，以及与躯干后端连接的尾鳍；所述主鳍和副鳍为板型结构，其呈翼型；所述躯干使用的材料为非亲水性材料；所述主鳍、副鳍和尾鳍使用的材料为由水凝胶光敏材料和热膨胀材料组成的非对称双层复合材料。该水下光驱动机构对光照响应度较高，能够依靠自然光或人工光源，实现在水面的定向驱动和转弯，从而能够作为水下环境监测的驱动机构，装载摄像头等装置实现水下环境监测。
Description
技术领域
本实用新型属于机器人领域，涉及机器人驱动机构，尤其涉及一种基于光敏材料的水下光驱动机构。
背景技术
仿生机器鱼是一类在结构和运动上模仿鱼类的机器人，主要用于对水下环境进行监测。近年来，新型仿生机器鱼的研究成果不断涌现，并基于不同的驱动方式驱使尾鳍按照预定规律摆动，从而在水里进行游动。这些驱动方式包括电机驱动、液压或气压驱动、形状记忆合金(SMA)驱动、介电弹性体(DEs)驱动及离子聚合物金属复合材料(IPMC)驱动等。
然而，前面给出的这些驱动方式均存在一定的问题，例如电机驱动的仿生机器鱼普遍采用多关节传动的刚性结构，结构复杂，噪声与震动较大；液压或气压驱动难以摆脱泵的限制，难以实现无束缚游动；SMA等新型材料存在形变微小和驱动力不足等缺陷，难以精确地模拟鱼类运动，且存在驱动力和驱动速度不足等问题。
实用新型内容
本实用新型的目的旨在针对传统仿生机器鱼存在的驱动结构复杂、难以模拟鱼类形态和运动以及驱动力不足等问题，提供一种结构简单、驱动方便的水下光驱动机构，能够实现在光照射条件下的水下定向移动。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案来实现。
本实用新型提供的水下光驱动机构，为一种仿生机器鱼，其包括躯干、自前至后依次对称设置于躯干两侧的一对结构相同的主鳍和一对结构相同的副鳍，以及与躯干后端连接的尾鳍；所述主鳍和副鳍为板型结构，其呈翼型；所述躯干使用的材料为非亲水性材料；所述主鳍、副鳍和尾鳍使用的材料为由水凝胶光敏材料和热膨胀材料组成的非对称双层复合材料。
上述水下光驱动机构，所述仿生鱼主体外形优选为深海短吻狮子鱼仿生结构。深海短吻狮子鱼具有以下两个特点：(1)骨骼薄，容易弯曲，肌肉组织柔韧，纤维组织细密；(2)鱼皮组织薄，使生理组织充满水分，保持内外压力平衡，抗压能力强。基于上述分析，本实用新型中，所设计的水下光驱动机构也具有鱼状的身体形状。其中，躯干采用非亲水性材料制作，且该非亲水材料具有一定的强度，不易变形，可以采用ABS塑料、PLA塑料、有机玻璃等。主鳍、副鳍和尾鳍为由柔软的非对称双层复合材料制作而成，主要是作为整个可控机器人的驱动部件，这里非对称双层复合材料是由水凝胶光敏材料和热膨胀材料组成的。水凝胶光敏材料优选为IPTS改性的Mxene薄膜(Ying Hu et al,Self-Lovomotive Soft ActuatorBsaed on Asymmetric Microstructural Ti3C2Tx MXene Film Driven by NaturalSunlight Fluctuation,ACS Nano 2021,15,5294-5306)；本实用新型中，IPTS改性的Mxene薄膜特性为，顶部的层间间距较大，亲水性较好，底部层间间距较小，亲水性较差，在水中的时候，由于水分子的吸附作用不对等，顶部的膨胀速率高于底部，整体结构在宏观上会产生向下弯曲的力。热膨胀材料具有较大的热膨胀系数，优选为PE薄膜，PE膜是一种商业上使用的大热膨胀系数(约500×10-6/℃)的聚合物材料。将IPTS改性的Mxene薄膜附着到PE膜上。在水中，IPTS改性的Mxene薄膜由于自身亲水性，吸水向下弯曲，当基于一定强度的光源照射时，IPTS改性的Mxene薄膜吸收的光能转变为热能，经IPTS改性的MXene薄膜的顶部和底部吸附的水分子快速损失，顶部的收缩大于底部的收缩，与此同时，热能进一步传递到PE膜上，PE膜发生热膨胀，使整体结构的弯曲变形达到最大化，使非对称双层复合材料复原。这样，通过微小的固体结构与仿生机器人主体躯干底部的“肌肉”粘接相连，可通过光热转换的方式将光能转化为运动的机械能。
上述水下光驱动机构，所述躯干沿长度方向的截面呈倒梯形结构，其前端面延伸出呈三角形结构的鱼头。
上述水下光驱动机构，所述主鳍上下两个端面与躯干端面平行，其沿周向由衔接在一起的三个侧面构成，其中一侧面与躯干侧面贴合，相邻的两个侧面为相对的弧面；定义主鳍靠近鱼头方向的侧面为上弧面，另外一个相对的侧面为下弧面。这样，主鳍相对于躯干中轴线偏离一定的角度，使主鳍大致向后侧弯曲。进一步地，所述主鳍上弧面两端点位于鱼头的一侧边延长线上，该延长线偏离躯干中轴线的角度(即主鳍偏离躯干中轴线的角度)为40°～50°。
上述水下光驱动机构，所述副鳍的结构与主鳍相似，副鳍上下两个端面与躯干端面平行，其沿周向由衔接在一起的三个侧面构成，其中一侧面与躯干侧面贴合，相邻的两个侧面为相对的弧面；定义副鳍靠近鱼头方向的侧面为上弧面，另外一个相对的侧面为下弧面。进一步地，所述副鳍上弧面两端点位于与鱼头一侧边平行的平行线上，该平行线偏离躯干中轴线的角度(即副鳍偏离躯干中轴线的角度)为40°～50°。
这样，主鳍能够为驱动机器人提供较好的动力。当主鳍偏离躯干中轴线的角度小于40°(例如30°)时，主鳍向后的分力较小；当主鳍偏离躯干中轴线的角度大于50°(例如60°)时，主鳍、副鳍和尾鳍会相聚较近，而且副鳍偏离角度较大时，副鳍的体积如果设计的较小，可能不足以提供实现整个仿生鱼光驱动机构在水面上转弯的动力。
上述水下光驱动机构，所述尾鳍的主体平面形状和躯干相似，其沿长度方向的截面呈倒梯形结构，其前端面面积不大于躯干后端端面面积。当可控机器人运动时，尾鳍会向仿生鱼的底部弯曲(即向下)。
上述水下光驱动机构，为了使可控机器人在水中具有良好的驱动效果，所述仿生鱼主体尺寸需要满足一定的要求。本实用新型中，所述躯干长度、主鳍长度(主鳍上弧面两端点的连线长度)、副鳍长度(副鳍上弧面两端点的连线长度)和尾鳍长度比值为(3～5)：(3～5)：1：1。主鳍和副鳍的两侧弧面曲率为(1/7*10-2～1/8*10-2)m-1。尤其是当所述可控机器人应用于(自然静水或无动力源环境)，所述躯干、主鳍、副鳍和尾鳍的厚度相同或不同，为4～8mm。非对称双层复合材料中热膨胀材料(例如PE薄膜)的厚度为3.8～7.4mm，水凝胶光敏材料(例如IPTS改性的Mxene薄膜)厚度为0.2～0.6mm。
与现有技术相比，本实用新型提供的水下光驱动机构，具有如下十分突出的优点和有益技术效果：
1、本实用新型提供的水下光驱动机构为一种仿生机器鱼，其主鳍、副鳍和尾鳍的材料均为由水凝胶光敏材料和热膨胀材料组成的驱动器，其对光照响应度较高，能够依靠自然光或人工光源，实现在水面的定向驱动和转弯，从而能够作为水下环境监测的驱动机构，装载摄像头等装置实现水下环境监测。
2、本实用新型提供的水下光驱动机构，由于对光度响应较高，因此对环境要求低，且稳定性较好，不需要大功率驱动装置，弱光源环境中也可正常使用。
附图说明
图1为水下光驱动机构的结构示意图；
图中，1-躯干，2-主鳍，3-副鳍，4-尾鳍。
图2为可控机器人仿生鱼主体结构示意图。
图3为非对称双层复合材料结构示意图。
图4为水下光驱动机构在不同环境下的状态示意图(从仿生鱼主体前方看)；其中(a)为初始条件下的仿生鱼主体状态示意图；(b)为吸水达到饱和时仿生鱼主体状态示意图；(c)光照条件下(b)状态的仿生鱼主体复原后的状态示意图。
具体实施方式
以下将结合附图给出本实用新型实施例，并通过实施例对本实用新型的技术方案进行进一步的清楚、完整说明。显然，所述实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本实用新型所保护的范围。
实施例
本实施例提供的水下光驱动机构，如图1所示，为一种深海短吻狮子鱼的仿生机器鱼，其包括躯干1、自前至后依次对称设置于躯干1两侧的一对结构相同的主鳍2和一对结构相同的副鳍3，以及与躯干后端连接的尾鳍4。
如图1所示，躯干1沿长度方向的截面呈倒梯形结构，其前端面延伸出呈三角形结构的鱼头。尾鳍4主体平面形状和躯干相似，其沿长度方向的截面呈倒梯形结构，其前端面面积不大于躯干后端端面面积。主鳍和副鳍均为板型结构，且结构相似，均呈翼型。主鳍2上下两个端面与躯干端面平行，其沿周向由衔接在一起的三个侧面构成，其中一侧面与躯干侧面贴合，相邻的两个侧面为相对的弧面；定义主鳍靠近鱼头方向的侧面为上弧面，另外一个相对的侧面为下弧面。主鳍上弧面两端点位于鱼头的一侧边延长线上，该延迟线偏离躯干中轴线的角度θ1为45°(如图2所示)。副鳍3上下两个端面与躯干端面平行，其沿周向由衔接在一起的三个侧面构成，其中一侧面与躯干侧面贴合，相邻的两个侧面为相对的弧面；定义副鳍靠近鱼头方向的侧面为上弧面，另外一个相对的侧面为下弧面。副鳍上弧面两端点位于与鱼头一侧边平行的平行线上，该平行线偏离躯干中轴线的角度θ2为45°(如图2所示)。
上述水下光驱动机构仿生机器鱼各部分结构主要作用如下：
(1)躯干主要起两方面的作用：一方面是对整个仿生机器人起到支撑作用；另一方面用于连接主鳍、副鳍和尾鳍；
(2)主鳍的主要作用是通过弯曲和回复运动提供主要的驱动力；
(3)副鳍主要作用包括两方面：一方面是通过弯曲和复原提供一定的驱动力；另一方面是通过弯曲和复原的作用使机器人转向。
(4)尾鳍的主要作用包括两方面：一方面用于调整仿生鱼机器人的左右两侧平衡；另一方面用于通过弯曲和复原提供一定的驱动力。
本实施例中，将主鳍/副鳍偏离躯干中轴线的角度为45°，这样可以为仿生鱼主体提供较大的向后分力。
本实施例中仿生鱼主体各部分结构的材料组成如下：
(1)躯干使用的材料为ABS塑料；躯干可以利用密度为1.1g/cm3的ABS塑料经3D打印而成厚度为6mm左右的蜂窝状结构，这是为了方便其浮在水面上。3D打印参数为：单层厚度为0.1～0.3mm；填充密度20～30％；打印速度50mm/s～60mm/s；打印喷嘴温度230℃；热床温度设置为70℃。
(2)主鳍、副鳍和尾鳍使用的材料为由自下而上的PE薄膜和IPTS改性的Mxene薄膜组成的双层材料(如图3所示)，这里的Mxene薄膜指的是Ti3C2Tx薄膜；PE薄膜的厚度为4mm，IPTS改性的Mxene薄膜的厚度为0.2mm。。
本实施例中，仿生鱼主体长度约为8.0cm，其中躯干长度(即倒梯形截面的高)约为5.0cm、尾鳍(即倒梯形截面的高)长度约为2.5cm。主鳍长度约为8.0cm，副鳍长度约为2.5cm。
如图4所示，本实施例提供的水下光驱动机构的驱动原理为：
(1)初始状态时，水下光驱动机构仿生机器鱼如图4(a)所示。
(2)在水中时，主鳍和尾鳍上层IPTS改性的Mxene薄膜吸水溶胀，向下缓慢弯曲(如图4(b)所示)；同时副鳍上层IPTS改性的Mxene薄膜吸水溶胀，向下缓慢弯曲。这是由于置于上部的经IPTS改性的MXene薄膜属于水凝胶材料，它具有良好的亲水性，仿生机器鱼一旦接触到水，便会以相应的速度溶胀并吸收大量的水分子，然而经IPTS改性的MXene薄膜由于顶部和底部的不对称性，与底部相比，顶部具有更大的层间间距和更好的亲水性，因此经IPTS改性的MXene薄膜的顶部可以吸收更多的水分子，导致与底部相比产生更大的溶胀。仿生鱼主体的主鳍和副鳍会以相应的速度向水面下产生缓慢的弯曲变形，尾鳍也会以相应的速度向水面下产生缓慢的弯曲变形。
(3)在自然光(太阳光)或位于仿生机器鱼上方的外来人工光源照射下，被照射的主鳍/副鳍复原形状(如图4(c))，主鳍、副鳍和尾鳍会对水产生一个向后的推进力合力，相应地，水会给仿生鱼主体一个向前的同样大小的合力，这个合力可以推动仿生鱼主体以相应的速度快速向前移动；同时，调整照射单侧副鳍光源的亮度变化，还可以提供仿生机器鱼转向的驱动力。这是由于IPTS改性的MXene薄膜在宽波长范围(400～780nm)内表现出高光吸收和出色的内部光热转换能力(效率接近100％)，当给予一定强度的光源(自然光或人工光源)照射时，经IPTS改性的MXene薄膜的顶部和底部吸附的水分子快速损失，导致层间间距减小，从而导致薄膜进行复原性质的收缩变形，由于层间间距的不对称性，顶部的收缩大于底部的收缩，导致整个薄膜进行复原性的弯曲变形，弯曲方向朝向顶部；与此同时，热能进一步传递到PE膜上，PE膜发生热膨胀，使整体结构的弯曲变形达到最大化；此时复原性弯曲变形的速度与之前吸水时相比，明显要快于之前吸水时的，因此，仿生机器鱼的主鳍、副鳍和尾鳍会对水产生一个向后的推进力合力，相应地，水会给仿生鱼主体一个向前的同样大小的的合力，这个合力推动仿生鱼主体以相应地速度快速向前移动。
(4)当仿生机器鱼主鳍/副鳍接收到的自然光光强变化或者将人工光源关闭，主鳍、副鳍将再次吸水溶胀，向下缓慢弯曲。这是由于经IPTS改性的MXene薄膜重新吸收周围的水分子，复原到原来的形状，由于这个过程与光照失水的过程相比，其速度较为缓慢，对于仿生鱼主体位移的影响基本可以忽略不计。
总体来看，水下光驱动机构仿生机器鱼会在自然光或人工光源的控制下，会在水中像狮子鱼一样实现一定方向的快速移动。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。
Claims (9)
1.一种水下光驱动机构，其特征在于，为一种仿生机器鱼，包括躯干（1）、自前至后依次对称设置于躯干（1）两侧的一对结构相同的主鳍（2）和一对结构相同的副鳍（3），以及与躯干后端连接的尾鳍（4）；所述主鳍和副鳍为板型结构，其呈翼型；所述躯干使用的材料为非亲水性材料；所述主鳍、副鳍和尾鳍使用的材料为由水凝胶光敏材料和热膨胀材料组成的非对称双层复合材料；所述水凝胶光敏材料为IPTS改性的Mxene薄膜，所述热膨胀材料为PE膜，所述IPTS改性的Mxene薄膜附着到PE膜上。
2.根据权利要求1所述水下光驱动机构，其特征在于，所述躯干（1）沿长度方向的截面呈倒梯形结构，其前端面延伸出呈三角形结构的鱼头。
3.根据权利要求1或2所述水下光驱动机构，其特征在于，所述主鳍（2）上下两个端面与躯干端面平行，其沿周向由衔接在一起的三个侧面构成，其中一侧面与躯干侧面贴合，相邻的两个侧面为相对的弧面。
4.根据权利要求3所述水下光驱动机构，其特征在于，主鳍上弧面两端点位于鱼头的一侧边延长线上，该延长线偏离躯干中轴线的角度为40°~50°。
5.根据权利要求1或2所述水下光驱动机构，其特征在于，所述副鳍（3）上下两个端面与躯干端面平行，其沿周向由衔接在一起的三个侧面构成，其中一侧面与躯干侧面贴合，相邻的两个侧面为相对的弧面。
6.根据权利要求5所述水下光驱动机构，其特征在于，副鳍上弧面两端点位于与鱼头一侧边平行的平行线上，该平行线偏离躯干中轴线的角度为40°~50°。
7.根据权利要求1或2所述水下光驱动机构，其特征在于，所述尾鳍（4）沿长度方向的截面呈倒梯形结构，其前端面面积不大于躯干后端端面面积。
8.根据权利要求7所述水下光驱动机构，其特征在于，所述躯干长度、主鳍长度、副鳍长度和尾鳍长度比值为（3~5）：（3~5）：1：1。
9.根据权利要求8所述水下光驱动机构，其特征在于，所述躯干、主鳍、副鳍和尾鳍的厚度相同或不同，为4~8mm；非对称双层复合材料中热膨胀材料的厚度为3.8~7.4mm，水凝胶光敏材料厚度为0.2~0.6mm。
Priority Applications (1)
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| CN202122192403.9U CN216153998U (zh) | 2021-09-10 | 2021-09-10 | 一种水下光驱动机构 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114954876A (zh) * | 2022-05-20 | 2022-08-30 | 嘉兴学院 | 一种仿生柔体鱼、仿生柔体鱼的制备和驱动方法 |
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2021
- 2021-09-10 CN CN202122192403.9U patent/CN216153998U/zh active Active
Cited By (2)
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| CN114954876A (zh) * | 2022-05-20 | 2022-08-30 | 嘉兴学院 | 一种仿生柔体鱼、仿生柔体鱼的制备和驱动方法 |
| CN114954876B (zh) * | 2022-05-20 | 2023-08-18 | 嘉兴学院 | 一种仿生柔体鱼、仿生柔体鱼的制备和驱动方法 |
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