一种记忆合金驱动的水下姿态控制装置的制作方法

本发明涉及了一种水下姿态控制装置，尤其涉及了一种记忆合金驱动的水下姿态控制装置。

背景技术：

水下作业非常危险，所以用水下机器人替代人类在水下长时间作业是最为常见的措施。而为了实现诸如用机械臂水下采样等水下作业，水下机器人需具备最基本的姿态控制功能，即能调整水下机器人因作业或受外力而引起的侧倾运动和俯仰运动。

目前，应用最广泛的传统水下姿态控制案例有：通过调整螺旋桨的转速来形成回复力矩；用电机驱动水下装置内部的重物来改变整体重心，形成重力矩；用风机和水泵改变分布在内部的各个平衡舱内气体和水的量，以达到改变重心或浮心，从而形成重力矩或浮力矩等。

由于水下装置不同于潜水艇，考虑到方便运输，水下装置应控制其陆地上的质量；考虑到在水下能自由航行，水下装置应控制其体积；考虑到水下能源供给成本高，水下装置应控制其能耗。现有技术缺少了一种适用于深水的低能耗、不需配置重物、更少占用水下装置体积的姿态控制装置。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题是提供了一种记忆合金驱动的水下姿态控制装置，通过特殊的记忆合金驱动结构控制装置水下体积变化，该装置有高效、低能耗、占用体积小、无需配置重物等优势，且可适用于各种深水环境下工作的水下机器人。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明包括可变浮力舱和可变调整组件，所述可变浮力舱包括缸体、柱塞和储水囊，缸体内部中空形成空腔，缸体空腔中间设有活动通道，活动通道外侧壁开设通孔，柱塞装在缸体中间的活动通道内并和活动通道密封连接，柱塞外端面的缸体活动通道内装有储水囊，储水囊的开口密封连接到通孔的内端面，储水囊经通孔和外界水环境联通，柱塞在活动通道中移动带动储水囊扩张或者收缩；柱塞和缸体周围内壁之间安装连接有至少两个可变调整组件。

所述可变调整组件包括一个记忆合金牵引模块和一个棘条制动模块，记忆合金牵引模块和棘条制动模块均安装于在可变浮力舱上；所述记忆合金牵引模块包括偏置弹簧、牵引记忆合金弹簧、牵引合金丝热交换管和第一供水驱动系统；柱塞的侧壁径向延伸固定有凸耳结构，偏置弹簧和牵引记忆合金弹簧平行安装在缸体靠近通孔一侧方向的内壁和凸耳结构之间，偏置弹簧和牵引记忆合金弹簧轴向均沿柱塞在活动通道的移动方向安装，牵引合金丝热交换管包裹在牵引记忆合金弹簧外，第一供水驱动系统固定在缸体内壁；第一供水驱动系统向牵引合金丝热交换管供冷/热水来驱动牵引记忆合金弹簧的伸缩变形，进而经凸耳结构带动柱塞在活动通道内移动。

所述棘条制动模块包括单向齿、棘爪、套筒、复位弹簧、棘条记忆合金弹簧、棘条合金丝热交换管、第二供水驱动系统；套筒固定在缸体上，套筒侧壁开孔用于穿设布置棘条合金丝热交换管，套筒内安装棘爪，柱塞的侧壁表面设有用于和棘爪配合的单向齿结构；复位弹簧和棘条记忆合金弹簧平行安装在套筒内壁和棘爪之间，偏置弹簧和棘条记忆合金弹簧轴向均垂直于柱塞在活动通道的移动方向安装，棘条合金丝热交换管包裹在棘条记忆合金弹簧外，第二供水驱动系统固定在缸体内壁，第二供水驱动系统向棘条合金丝热交换管供冷/热水来驱动棘条记忆合金弹簧的伸缩变形，进而带动棘爪在套筒内的移动，控制棘爪和单向齿之间啮合或者分离。

在偏置弹簧处于压缩状态时安装上牵引记忆合金弹簧，使得处于压缩状态的偏置弹簧/复位弹簧在牵引记忆合金弹簧不提供压力时辅助推动柱塞，使得储水囊膨胀。

所述的柱塞根据水下安装环境调整不同的形态。

所述的柱塞和缸体周围内壁之间安装连接有多个可变调整组件，多个可变调整组件以柱塞中心轴圆周间隔均布布置。

所述的牵引记忆合金弹簧/棘条记忆合金弹簧均为单程记忆合金弹簧，仅记忆高温下的形状。

本发明可使记忆合金丝相变，从而牵引可变浮力舱改变浮力；水下装置下潜工作时，外界水压一般大于舱内气压，因此与外界联通的储水囊有膨胀趋势，特设计棘条制动模块，基于单向齿和棘爪的啮合，可承受深水压力。

本发明的有益效果如下：

1.本发明采用内置热泵的供水驱动系统来驱动记忆合金丝牵引浮力舱，而热泵系统的制热效率永远大于100％，最高可达200％-300％，电机将电能转化机械能的效率一般在60％上下，因此，相比于传统电机驱动，本发明具有能量转化率高、低能耗等特点；

2.本发明所述记忆合金弹簧相变产生的牵引力非常大，通过冷热水强制换热，效率高，且浮力舱可在短时间内完成控制单元的命令，减少了本发明的响应时间；

3.本发明设有棘条制动模块，整个装置能承受深水压力，可在深水环境正常工作；

4.本发明采用储水囊的设计隔绝外部水域和装置内部，无需做动密封设计，故整体密封处理简单且密封性好。

本发明装置不涉及动密封，故密封处理简单，记忆合金的热驱动响应快，能耗低，适用于深水工作环境。

附图说明

图1为本发明装置结构的总体示意图；

图2为本发明棘条制动模块局部放大示意图；

图3为本发明储水囊4膨胀收缩状态示意图。

附图中各标记的部件如下：1是缸体、2是偏置弹簧、3是柱塞、4是储水囊、5是牵引合金丝热交换管、6是牵引记忆合金弹簧、7是第一供水驱动系统、8是棘条制动模块、9是单向齿、10是棘爪、11是套筒、12是复位弹簧、13是第二供水驱动系统；29是棘条记忆合金弹簧、30是棘条合金丝热交换管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，本发明具体实施包括可变浮力舱和可变调整组件，可变浮力舱包括缸体1、柱塞3和储水囊4，缸体1内部中空形成空腔，缸体1空腔中间设有用于柱塞3直线活动的活动通道，活动通道并未贯通延伸到缸体1两端，活动通道外侧壁开设和外界相通的通孔，柱塞3装在缸体1中间的活动通道内并和活动通道密封连接，柱塞3外端面的缸体1活动通道内装有储水囊4，储水囊4的开口密封连接到通孔的内端面，储水囊4经通孔和外界水环境联通，柱塞3在活动通道中轴向移动带动储水囊4扩张或者收缩；柱塞3和缸体1周围内壁之间安装连接有多个可变调整组件，多个可变调整组件以柱塞3中心轴圆周间隔均布布置。

如图1所示，可变调整组件包括一个记忆合金牵引模块和一个棘条制动模块，记忆合金牵引模块和棘条制动模块均安装于在可变浮力舱上；记忆合金牵引模块包括偏置弹簧2、牵引记忆合金弹簧6、牵引合金丝热交换管5和第一供水驱动系统7；柱塞3的侧壁径向延伸固定有凸耳结构，凸耳结构垂直于柱塞3在活动通道的移动方向延伸，偏置弹簧2和牵引记忆合金弹簧6平行安装在缸体1靠近通孔一侧方向的内壁和凸耳结构之间，偏置弹簧2和牵引记忆合金弹簧6轴向均沿柱塞3在活动通道的移动方向安装，具体实施中牵引记忆合金弹簧6两端通过铰链固定在缸体1和柱塞3凸耳结构上，牵引合金丝热交换管5包裹在牵引记忆合金弹簧6外，第一供水驱动系统7固定在缸体1内壁；第一供水驱动系统7向牵引合金丝热交换管5供冷/热水来驱动牵引记忆合金弹簧6的伸缩变形，如图3所示，进而经凸耳结构带动柱塞3在活动通道内移动。

如图2所示，棘条制动模块8包括单向齿9、棘爪10、套筒11、复位弹簧12、棘条记忆合金弹簧29、棘条合金丝热交换管30、第二供水驱动系统13；套筒11固定在缸体1上，套筒11侧壁开孔用于穿设布置棘条合金丝热交换管30，套筒11内安装棘爪10，柱塞3的侧壁表面设有用于和棘爪10配合的单向齿9结构；复位弹簧12和棘条记忆合金弹簧29平行安装在套筒11内壁和棘爪10之间，偏置弹簧2和棘条记忆合金弹簧29轴向均垂直于柱塞3在活动通道的移动方向安装，具体实施中棘条记忆合金弹簧29两端通过铰链固定在套筒11内壁和棘爪10上，棘条合金丝热交换管30包裹在棘条记忆合金弹簧29外，第二供水驱动系统13固定在缸体1内壁，第二供水驱动系统13向棘条合金丝热交换管30供冷/热水来驱动棘条记忆合金弹簧29的伸缩变形，如图3所示，进而带动棘爪10在套筒11内的移动，控制棘爪10和单向齿9之间啮合或者分离。

具体实施中，上述牵引记忆合金弹簧6、牵引合金丝热交换管5和第一供水驱动系统7构成一个记忆合金驱动系统，棘条记忆合金弹簧29、棘条合金丝热交换管30、第二供水驱动系统13也构成一个记忆合金驱动系统，两个记忆合金驱动系统具体均可采用申请号为201811243443.8、发明名称为一种高能效、高频响的记忆合金驱动系统、申请日为2018.10.24的发明申请中发明内容所记载的记忆合金驱动系统技术方案。

供水驱动系统7/13向合金丝热交换管5/30供热水能驱动记忆合金弹簧6/29收缩，供水驱动系统7/13向合金丝热交换管5/30供冷水能驱动记忆合金弹簧6扩展。在偏置弹簧2处于压缩状态时安装上牵引记忆合金弹簧6，使得牵引记忆合金弹簧6常态下的长度和偏置弹簧2压缩状态下的长度相同，使得处于压缩状态的偏置弹簧2/复位弹簧12在牵引记忆合金弹簧6不提供压力时辅助推动柱塞3，使得储水囊4膨胀，如图3所示。

具体实施中，柱塞3根据水下安装环境调整不同的形态，具体可根据装置所安装的不同水下设备形态进行调整设计。

牵引记忆合金弹簧6/棘条记忆合金弹簧29均为单程记忆合金弹簧，仅记忆预处理过程中高温下的形状，即供水驱动系统7/13向合金丝热交换管5/30供热水。

其中，当合金丝热交换管5通热水时，记忆合金弹簧6受热，发生马氏体到奥氏体的相变，由于形状记忆效应会收缩回原来形状，且该过程产生的回复力远大于复位弹簧12的偏置力，故能拉动棘爪10上升，即完成棘爪10与单向齿9的分离动作。

其中当合金丝热交换管5通冷水时，记忆合金弹簧6遇冷，发生奥氏体到马氏体的相变，马氏体刚度远低于奥氏体，此时会受复位弹簧偏置力而拉长，棘爪10也就实现复位，恢复棘爪10与单向齿9的啮合；单向齿9布置在柱塞3上，与棘爪10配合。

当单向齿9与棘爪10啮合时，柱塞3无法沿轴线向右滑动，可以向左滑动；单向齿9和棘爪10分离时，柱塞3可在水压作用下沿轴线向右滑动。

进一步的，记忆合金弹簧6为单程记忆合金弹簧，即只会记忆预处理过程中高温下的形状。记忆合金弹簧在高温奥氏体状态下刚度大，由于形状记忆效应，在高温下会收缩到预处理时的一个较小的长度，且在奥氏体化过程中会产生很大的回复力，而在低温马氏体状态下刚度低，易变形。

本发明的姿态控制装置具有恒定状态控制过程、增浮力控制过程、减浮力控制过程(浅水)和减浮力控制过程(深水)，具体工作原理如下：

1)恒定状态控制过程：该状态下，单向齿9和棘爪10啮合，承受与外界水域连通的储水囊4的水压，储水囊4体积处于定值，即装置总排水体积处于定值，故本发明提供的浮力为定值。

2)增浮力控制过程：该过程中单向齿9和棘爪10保持啮合分离，第一供水驱动系统7将特定温度的热水通过牵引合金丝热交换管5流经牵引记忆合金弹簧6，使得牵引记忆合金弹簧6受热相变，产生收缩和相应的回复力。由于牵引记忆合金弹簧6的恢复力随着相变程度的增大，而相变程度随着温度的增加而增加，故在实际实施过程中，可以控制第一供水驱动系统7，慢慢增加流经牵引合金丝热交换管5里的热水温度，从而可以对柱塞3产生一个渐增的图1中向左的牵引力。

当该牵引力超过外界水压力时，柱塞3向左滑动，减少储水囊4体积，增加装置总排水体积，提供的浮力增大，达到设定值后，第一供水驱动系统7停止驱动牵引记忆合金弹簧6，此时棘条制动模块开始工作，棘爪10放下，与柱塞3侧壁上的单向齿9配合啮合，可承受与外界水域连通的储水囊4的水压，达到了对棘条记忆合金弹簧29和复位弹簧12的保护作用，并可限制柱塞3图1中向右回弹。

3)减浮力控制过程(浅水)：该过程中外界水压较小，直接控制分离单向齿9和棘爪10，外界水压不足以推动柱塞3向右滑动，此时外界水压可以配合偏置弹簧2的偏置力共同作用，推动柱塞3向右滑动，储水囊4体积增大，装置总排水体积减少，提供的浮力减少，当达到设定值后，通过第二供水驱动系统13控制单向齿9和棘爪10啮合。

4)减浮力控制过程(深水)：该过程中外界水压较大，若直接开启棘条制动模块，缸体受力会因不均而产生一个较大的加速度，缸体运动不稳且可能会对与之相连的牵引记忆合金弹簧6造成损坏。

具体是先使单向齿9和棘爪10啮合，启动第一供水驱动系统7，加热牵引记忆合金弹簧6，使牵引记忆合金弹簧6对柱塞3产生一个渐增的图1中向左的预应力。当预应力值临近外界水压力时，分离单向齿9和棘爪10，此时再适当降低流经牵引合金丝热交换管5的水温，从而适当降低牵引记忆合金弹簧6作用在柱塞3上的预应力，此时与外界水域连通的储水囊4的水压力略大于牵引记忆合金弹簧6预应力，便可平稳地推动柱塞3向右运动，储水囊4体积增大，装置总排水体积减少，提供的浮力减少，当达到设定值后，再通过第二供水驱动系统13控制单向齿9和棘爪10啮合，第一供水驱动系统7停止工作。