一种形状记忆合金驱动的软体机器鱼的制作方法

文档序号:16259191发布日期:2018-12-12 01:18阅读:271来源:国知局
一种形状记忆合金驱动的软体机器鱼的制作方法

本发明涉及水下仿生机器人技术领域,具体涉及一种形状记忆合金驱动的软体机器鱼。

背景技术

自从1994年mit成功研制了世界上第一条真正意义上的摆尾式仿生金枪鱼,国内外都对仿生鱼越来越重视。

国内外已对仿生鱼作了大量研究,在国内中国科学院自动化研究所研究出运用电机控制鱼尾的转动的方法,专利申请号为200410101878.0,名称为“一种仿生机器鱼尾部运动机构设计鱼控制方法”;中科院沈阳自动化研究所研究出辆关节的仿生机器鱼模型。北京航空航天大学机器人研究所研究了机器鳗鱼和机器海豚。在国外,美国东北大学海洋科技中心利用形状记忆合金和连杆机构开发了波动推进的机器鳗鱼;日本东京大学研制了辆关节自推进机器海豚;日本名古屋大学fukuda研制出形状记忆合金驱动微型身体波动式水下推进器和压电陶瓷驱动的双鳍鱼型微机器人。

形状记忆合金(shapememoryalloys,简称sma)是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料,形状记忆合金是目前形状记忆材料中形状记忆性能最好的材料。形状记忆合金在航空航天领域内的应用有很多成功的范例,人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前,将抛物面天线折叠起来装进卫星体内,火箭升空把人造卫星送到预定轨道后,只需加温,折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开,恢复抛物面形状。

目前应用传统的电动、液压、气动等驱动力大的大型机器鱼在速度上有大的优势,然而,为了实现仿生鱼实现多方向行进及转弯,现有技术中的仿生鱼内设置有复杂的连杆或者关节等机械结构,由此造成仿生鱼的体积和重量较大,结构复杂,导致机器人的复杂性大大提高;同时,基于上述复杂结构,仿生鱼的控制复杂,仿生鱼在运行过程中容易出现控制故障,导致仿生鱼无法正常工作,此外,现有的仿生鱼的适用性差,在不同水密度的水域内仿生鱼不能稳定运行,即每一种仿生鱼只能在指定的水域内行进。



技术实现要素:

本发明的目的在于,提供一种形状记忆合金驱动的软体机器鱼,该软体机器鱼适用性强,能够在不同水域内实现鱼身多方向行进和转弯,且控制结构简单,结构稳定性强。

基于此,本发明提供了一种形状记忆合金驱动的软体机器鱼,包括鱼身,两个位于所述鱼身两侧部的胸鳍,位于所述鱼身内部的气囊、电源模块和控制模块;所述鱼身和所述胸鳍均为软体结构,所述鱼身前侧穿设有转轴,两个所述胸鳍分别安装于所述转轴的两端,所述胸鳍侧部设置有用于控制所述鱼身前行的缠绕有电阻丝的记忆合金板,所述转轴的侧壁设置有控制所述转轴自转的记忆合金弹簧,所述记忆合金板和所述记忆合金弹簧分别与所述电源模块电连接,所述电源模块与所述控制模块电连接。

作为优选方案,所述鱼身内设置有骨架板,所述电源模块和所述控制模块安装于所述骨架板上,所述骨架板前侧设置有安装座,所述转轴穿设于所述安装座。

作为优选方案,所述骨架板上固接有至少两个立柱,各所述立柱沿所述转轴的长度方向上均匀分布,所述记忆合金弹簧的两端分别与所述立柱和所述转轴的侧部相连接。

作为优选方案,所述记忆合金弹簧包括相互平行设置的第一记忆合金弹簧和第二记忆合金弹簧,所述第一记忆合金弹簧位于所述立柱的上侧,所述第二记忆合金弹簧位于所述立柱的下侧。

作为优选方案,所述安装座包括弧形座和设置于所述弧形座两侧的连接板,各所述连接板安装于所述骨架板上,所述转轴穿设于所述弧形座,且所述转轴和所述弧形座之间设置有轴承。

作为优选方案,所述转轴的两端均安装有转接板,各所述转接板安装于所述转轴的端面,各所述胸鳍通过所述转接板而与所述转轴相连接,所述记忆合金板的一端固定连接于所述转接板,且各所述转接板与所述转轴的端面形成的夹角θ,其中100°≤θ≤135°。

作为优选方案,所述鱼身的底侧设置有图像收集模块和水流传感器,所述图像收集模块和所述水流传感器分别与所述控制模块电连接。

作为优选方案,所述图像收集模块包括摄像头,所述摄像头可转动地安装于所述鱼身的底侧,所述摄像头的侧部设置有led灯。

作为优选方案,所述鱼身内还设置有无线通信模块,所述控制模块通过所述无线通信模块与终端设备信号连接,所述终端设备包括pc机。

作为优选方案,所述鱼身、所述胸鳍和所述气囊的材质均为硅胶,所述气囊设置于所述鱼身的上侧,且所述气囊设置有与所述鱼身贯通的充气孔。

实施本发明实施例,具有如下有益效果:

1、鱼身内设置有气囊,气囊充气后能够使得该机器鱼更好地游动,通过改变气囊里面的气压来适应不同密度的水,使得机器鱼能够稳定地在水内游行,从而使得该机器鱼能够在不同水域内工作,适用性强;通过在记忆合金板上的电阻丝加热,使得记忆合金板发热产生形变,电阻丝停止加热后记忆合金板冷却能恢复原先形状,周期性加热及冷却记忆合金板从而实现鱼鳍拍动,使机器鱼获得前进的推力,改变使得位于鱼身两侧的胸鳍内记忆合金板的电流大小不同,从而使得两侧的记忆合金板的变形量不同,进而实现鱼身的差速转弯,转轴的侧壁设置有控制转轴自转的记忆合金弹簧,记忆合金弹簧拉动转轴转动,从而使得转轴带动胸鳍转动,从而实现鱼身的上下游动,综上,该机器鱼能够实现六个方向的游行及转向;电源模块为记忆合金板和记忆合金弹簧供电,而控制模块能够控制电源模块的供电情况,从而实现该机器鱼的多方向游动及转弯,整个结构简单且控制方便,稳定性能良好。

2、鱼身内设置有骨架板,电源模块和控制模块安装于骨架板上,骨架板前侧设置有安装座,转轴穿设于安装座,骨架板提供多个安装部位,从而使得整个机器鱼的部件合理安装,且拆装维护更加方便。

3、记忆合金弹簧包括相互平行设置的第一记忆合金弹簧和第二记忆合金弹簧,第一记忆合金弹簧位于立柱的上侧,第二记忆合金弹簧位于立柱的下侧,基于上述结构,第一记忆合金弹簧通电拉伸转轴上侧,第二记忆合金弹簧断电,此时转轴带动发生顺时针转动,相应地,第一记忆合金弹簧断电冷却后恢复原状,第二记忆合金弹簧通电拉动转轴下侧,从而使得转轴发生逆势针转动,上述结构使得转轴顺时针及逆时针转动调节更方便,进而使得鱼身的上下游动控制简单稳定且便捷。

4、鱼身的底侧设置有图像收集模块和水流传感器,图像收集模块和水流传感器分别与控制模块电连接,图像收集模块用于收集水中的图像信息,例如得到水内的障碍物,而水流传感器用于收集水流速度以及方向信息,上述信息传输至控制模块内进行分析处理,控制模块根据上述信息控制记忆合金板和记忆合金弹簧的通电及调控电流大小,从而使得机器鱼在水中稳定游动。

5、鱼身内还设置有无线通信模块,控制模块通过无线通信模块与终端设备信号连接,终端设备包括pc机,通过pc机进行远程控制及监测机器鱼的游行,而pc机也可以实时对机器鱼进行控制,且便于参数的远程调整,使得机器鱼游行更加稳定,且能够实时反馈机器鱼勘测得到的信息。

附图说明

图1为本发明实施例中鱼身内部的结构示意图。

图2为本发明实施例中转轴与胸鳍之间的结构示意图。

图3为本发明实施例中形状记忆合金驱动的软体机器鱼的整体结构示意图。

图4为本发明实施例中控制系统结构示意图。

图中:1-鱼身,2-胸鳍,3-气囊,4-转轴,5-记忆合金板,6-记忆合金弹簧,7-骨架板,8-安装座,9-立柱,10-转接板,11-电源模块,12-控制模块,13-图像收集模块,14-水流传感器,15-无线通信模块,16-终端设备;3a-充气孔,6a-第一记忆合金弹簧,6b-第二记忆合金弹簧,8a-弧形座,8b-连接板。

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作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。

应当理解的是,本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息,但这些信息不应限于这些术语,这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如,在不脱离本发明范围的情况下,“第一”信息也可以被称为“第二”信息,类似的,“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

如图1至图4所示,本实施例提供一种形状记忆合金驱动的软体机器鱼,包括鱼身1,两个位于所述鱼身1两侧部的胸鳍2,位于所述鱼身1内部的气囊3、电源模块11和控制模块12,鱼身1内的气囊3根据需要进行可以充放气,气囊3充气后能够使得该机器鱼更好地游动,通过改变气囊3里面的气压来适应不同密度的水,使得机器鱼能够稳定地在水内游行,从而使得该机器鱼能够在不同水域内工作,适用性强;所述鱼身1和所述胸鳍2均为软体结构,软体结构是指鱼身1和胸鳍2的形态会更像真实的鱼,且保证胸鳍能够进行摆动从而带动鱼身1在水中游动,所述鱼身1前侧穿设有转轴4,两个所述胸鳍2分别安装于所述转轴4的两端,所述胸鳍2侧部设置有用于控制所述鱼身1前行的缠绕有电阻丝的记忆合金板5,通过在记忆合金板5上的电阻丝加热,使得记忆合金板5发热产生形变,电阻丝停止加热后记忆合金板5冷却能恢复原先形状,周期性加热及冷却记忆合金板5从而实现鱼鳍拍动,使机器鱼获得前进的推力,而位于鱼身1两侧的胸鳍2内记忆合金板5的通过电流大小不同时,记忆合金板5的变形量不同,从而实现鱼身1的差速转弯;所述转轴4的侧壁设置有控制所述转轴4自转的记忆合金弹簧6,记忆合金弹簧6拉动转轴4转动,从而使得转轴4带动胸鳍2转动,从而实现鱼身1的上下游动,综上,该机器鱼能够实现六个方向的游行;所述记忆合金板5和所述记忆合金弹簧6分别与所述电源模块11电连接,所述电源模块11与所述控制模块12电连接,电源模块11为记忆合金板5和记忆合金弹簧6供电,而控制模块12能够控制电源模块11的供电情况,从而实现该机器鱼的多方向游动及转弯,本实施例中电源模块11为充电电池,电源模块11上设置有电压放大器,由此放大电压信号,进而使得该机器鱼的游行速度快,而充电电池体积小且电池容量大能够满足机器鱼游行需求,而其他电源结构也在本实施例的保护范围之内。

基于以上技术方案,鱼身1内设置有气囊3,气囊3充气后能够使得该机器鱼更好地游动,通过改变气囊3里面的气压来适应不同密度的水,使得机器鱼能够稳定地在水内游行,从而使得该机器鱼能够在不同水域内工作,适用性强;通过在记忆合金板5上的电阻丝加热,使得记忆合金板5发热产生形变,电阻丝停止加热后记忆合金板5冷却能恢复原先形状,周期性加热及冷却记忆合金板5从而实现鱼鳍拍动,使机器鱼获得前进的推力,改变使得位于鱼身1两侧的胸鳍2内记忆合金板5的电流大小不同,从而使得两侧的记忆合金板5的变形量不同,进而实现鱼身1的差速转弯,转轴4的侧壁设置有控制转轴4自转的记忆合金弹簧6,记忆合金弹簧6拉动转轴4转动,从而使得转轴4带动胸鳍2转动,从而实现鱼身1的上下游动,综上,该机器鱼能够实现六个方向的游行及转向;电源模块11为记忆合金板5和记忆合金弹簧6供电,而控制模块12能够控制电源模块11的供电情况,从而实现该机器鱼的多方向游动及转弯,整个结构简单且控制方便,稳定性能良好。

在本实施例中,所述鱼身1内设置有骨架板7,所述电源模块11和所述控制模块12安装于所述骨架板7上,所述骨架板7前侧设置有安装座8,所述转轴4穿设于所述安装座8,骨架板7提供多个安装部位,从而使得整个机器鱼的部件合理安装,且拆装维护更加方便。进一步地,为了使得记忆合金弹簧6的安装更稳定,所述骨架板7上固接有至少两个立柱9,各所述立柱9沿所述转轴4的长度方向上均匀分布,所述记忆合金弹簧6的两端分别与所述立柱9和所述转轴4的侧部相连接,本实施例中立柱9的数量为两个,由此保证转轴4能够更好地被记忆合金弹簧6拉动的前提下,减少立柱9以及记忆合金弹簧6的数量,从而节省生产成本。

具体地,所述记忆合金弹簧6包括相互平行设置的第一记忆合金弹簧6a和第二记忆合金弹簧6b,所述第一记忆合金弹簧6a位于所述立柱9的上侧,所述第二记忆合金弹簧6b位于所述立柱9的下侧,基于上述结构,第一记忆合金弹簧6a通电拉伸转轴4上侧,第二记忆合金弹簧6b断电,此时转轴4带动发生顺时针转动,相应地,第一记忆合金弹簧6a断电冷却后恢复原状,第二记忆合金弹簧6b通电拉动转轴4下侧,从而使得转轴4发生逆势针转动,上述结构使得转轴4顺时针及逆时针转动调节更方便,进而使得鱼身1的上下游动控制简单稳定且便捷。

优选地,所述安装座8包括弧形座8a和设置于所述弧形座8a两侧的连接板8b,各所述连接板8b安装于所述骨架板7上,所述转轴4穿设于所述弧形座8a,上述结构使得安装座8安装结构更加稳定,在本实施例中连接板8b通过螺钉安装在骨架板7上,拆装维护更方便,且所述转轴4和所述弧形座8a之间设置有轴承,而轴承减少转轴4转动的摩擦力,使得转轴4的转动更省力,提高能源的利用效率。

此外,所述转轴4的两端均安装有转接板10,各所述转接板10安装于所述转轴4的端面,各所述胸鳍2通过所述转接板10而与所述转轴4相连接,所述记忆合金板5的一端固定连接于所述转接板10,转接板10使得记忆合金板5和胸鳍2的安装更加稳定,且使得整个结构的拆装更加方便,且各所述转接板10与所述转轴4的端面形成的夹角θ,其中100°≤θ≤135°,需要指出的是,当上述夹角θ过小时,记忆合金板5容易接触到鱼身1侧壁,且使得胸鳍2的摆动不便,而记忆合金板5设置在胸鳍2和鱼身1之间,当上述夹角θ过大时,机器鱼在水中游动时胸鳍2受到的阻力过大,由此造成机器鱼游动艰难,故采用上述夹角取值范围为优选技术方案。

其中,所述鱼身1的底侧设置有图像收集模块13和水流传感器14,所述图像收集模块13和所述水流传感器14分别与所述控制模块12电连接,图像收集模块13用于收集水中的图像信息,例如得到水内的障碍物,而水流传感器14用于收集水流速度以及方向信息,上述信息传输至控制模块12内进行分析处理,控制模块12根据上述信息控制记忆合金板5和记忆合金弹簧6的通电及调控电流大小,从而使得机器鱼在水中稳定游动。进一步地,所述图像收集模块13包括摄像头,所述摄像头可转动地安装于所述鱼身1的底侧,所述摄像头的侧部设置有led灯,摄像头转动结构使得图像信号的收集更加合理,避免鱼身1侧部的图像未被采集,而led灯提供照明效果,保证摄像头完成图像收集。

在本实例中,所述鱼身1内还设置有无线通信模块15,所述控制模块12通过所述无线通信模块15与终端设备16信号连接,所述终端设备16包括pc机,通过pc机进行远程控制及监测机器鱼的游行,而pc机也可以实时对机器鱼进行控制,且便于参数的远程调整,使得机器鱼游行更加稳定,且能够实时反馈机器鱼勘测得到的信息。

进一步地,所述鱼身1、所述胸鳍2和所述气囊3的材质均为硅胶,而硅胶呈现软质富有弹性,并设定鱼身1和胸鳍2组合呈现鱼的形态,其不溶于水和任何溶剂,无毒无味,化学性质稳定,适用于本软体机器鱼,所述气囊3设置于所述鱼身1的上侧,且所述气囊3设置有与所述鱼身1贯通的充气孔3a,而本实施例中鱼身1通过模具灌胶制成,气囊3设置在鱼身1内部,而本实例中的充气孔3a类似于篮球的充气孔3a,即在充气孔3a底侧设置有硅胶垫,当充气时气针顶开硅胶垫进行充气,而充气结束后硅胶垫顶住充气孔3a的孔口,进而完成气囊3的充放气。

采用本发明实施例的形状记忆合金驱动的软体机器鱼,鱼身1内设置有气囊3,气囊3充气后能够使得该机器鱼更好地游动,通过改变气囊3里面的气压来适应不同密度的水,使得机器鱼能够稳定地在水内游行,从而使得该机器鱼能够在不同水域内工作,适用性强;通过在记忆合金板5上的电阻丝加热,使得记忆合金板5发热产生形变,电阻丝停止加热后记忆合金板5冷却能恢复原先形状,周期性加热及冷却记忆合金板5从而实现鱼鳍拍动,使机器鱼获得前进的推力,改变使得位于鱼身1两侧的胸鳍2内记忆合金板5的电流大小不同,从而使得两侧的记忆合金板5的变形量不同,进而实现鱼身1的差速转弯,转轴4的侧壁设置有控制转轴4自转的记忆合金弹簧6,记忆合金弹簧6拉动转轴4转动,从而使得转轴4带动胸鳍2转动,从而实现鱼身1的上下游动,综上,该机器鱼能够实现六个方向的游行及转向;电源模块11为记忆合金板5和记忆合金弹簧6供电,而控制模块12能够控制电源模块11的供电情况,从而实现该机器鱼的多方向游动及转弯,整个结构简单且控制方便,稳定性能良好。

在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”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发明和简化描述,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发明的限制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

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