专利名称：形状记忆合金丝驱动的身体波动推进仿生机器鱼的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人。
背景技术：
仿生机器鱼就是参照鱼类游动的推进机理，利用机械、电子元器件或智能材料来实现水下推进功能的运动装置。仿生鱼在海洋勘探、管道检测、以及军事和娱乐中的广泛应用使得对它的研究也越来越深入，而一些智能材料(如形状记忆合金)所具有的特点又为研制高仿真性、低噪声的仿生鱼提供了一个新的思路。
根据鱼的游动所依靠的生理部位和推进原理，可以将鱼的游动分为两大类BCF类和MPF类，BCF—尾鳍(body and/or caudal fin)，这类鱼主要依靠身体和尾部的摆动来游动，MPF——腹鳍(median and/or paired fin)，这类鱼依靠身体中部的腹鳍来游动。
尾鳍摆动的关节型机器人一般采用伺服电机驱动，如哈尔滨工程大学的三关节仿生金枪鱼、中国科学院自动化研究所的四关节仿生草鱼、北京航空航天大学机器人研究所的六关节仿生鳗鱼均由电机驱动，每个关节里都有一台直流伺服电机。哈尔滨工程大学研制的“仿生—I”机器鱼，采用蜗轮蜗杆传动控制其尾部摆动，所产生的游动方式类似于金枪鱼。中国科学院自动化研究所设计的仿生机器鱼玩具以草鱼为设计原型，采用新月形尾鳍驱动，鱼的尾部用4个铰链机构来实现摆动，在驱动电机的带动下，通过改变相邻关节夹角的大小来产生推进运动。
这些结构普遍存在的问题就是结构复杂、体积较大、成本较高。在机动性要求高的场合，大的结构显然不能满足要求。不仅如此，所采用的电机驱动方式造成的噪声比较大，在用于海洋生物考察或者军事侦察方面时显然不能满足要求。
发明内容
针对现有机器人存在结构复杂、体积较大、成本高以及噪声大的问题，本发明提供一种结构简单、体积小、成本低及无噪音的机器人。
一种形状记忆合金丝驱动的身体波动推进仿生机器鱼，它包括刚性鱼头1和与其相连接的尾鳍推进机构2，所述尾鳍推进机构2在结构上包括尾巴3和至少一个摆动关节4；每个摆动关节4包括弹性片5和固定在弹性片5两侧的形状记忆合金丝6，在它们的外面包裹有弹性蒙皮7；在相邻两个摆动关节4之间以及刚性鱼头1与摆动关节4之间都通过基体板8连接。
本发明具有以下优点1.一般来说，对形状记忆合金丝的利用都采取直接利用其变形产生的拉力拉拽的方式。而本发明则把形状记忆合金丝贴合于弹性片上，利用其变形使弹性体产生弯曲变形，这样就大大减少了空间，为制成微小型仿生机器鱼提供了便利，经试验，利用本技术方案最小可以做成长度小于5cm的微小仿生鱼，并且具有极好的仿生效果。2.本发明可以根据鱼游动方式的不同任意选择摆动关节的个数，方便的实现对不同的鱼的游动方式的仿真。3.本发明由于没有电机等装置，而只是用电源给形状记忆合金丝供电，这样可以实现零噪声推进。4.由于本发明结构比较简单，因此制作起来容易，制作成本很低。5.实际使用时，只需通过调节外部电源的电压以及通电的时间就可以方便的改变尾鳍摆动的频率和摆动的幅度，从而达到仿生鱼游动速度的控制，因此具有方便操纵的优点，利于推广应用。
图1是具体实施方式
一所述结构示意图，图2是具体实施方式
二所述不同的鱼的类型所具有的不同游动方式示意图，图3是四个关节的仿鳗状鱼机器人在一个周期内身体波动的动作时序图，图4是仿生Carangiform式游动的具有两个摆动关节机器鱼的结构示意图，图5是具体实施方式
三所述具有两个摆动关节的机器鱼关节摆动动作时序图，图6是具体实施方式
四所述只有一个摆动关节的机器鱼关节摆动动作时序图，图7是具体实施方式
五所述机器鱼的结构示意图，图8是具体实施方式
五所述机器鱼的装配爆炸视图，图9是刚性鱼头与基体板的连接示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一形状记忆合金丝(SMA丝)是一种智能材料，这种材料呈现一种热弹性马氏体式变化，即低于一定的转变温度时它们是柔性的，因其处于马氏体相，从而可以容易变形。当其温度上升到转变温度以上时，该材料恢复到其奥氏体相和以前的形状，并因而产生较大的力。同样地，形状记忆合金丝在马氏体相时可以容易沿其轴向伸展并保持伸展状态，在其被加热到转变温度以上时，会沿其轴向恢复到伸展以前的状态，即收缩恢复，并产生较大的力。
本发明就是利用形状记忆合金丝的这种收缩效应工作的，具体结构如下形状记忆合金丝驱动的身体波动推进仿生机器鱼，它包括刚性鱼头1和与其相连接的尾鳍推进机构2，参照图1，在刚性鱼头1内装有电源装置9、控制装置10、传感装置11、通讯装置12和沉浮装置13；所述尾鳍推进机构2在结构上包括尾巴3和至少一个摆动关节4，尾巴3用塑料片制成新月形状，以使所述机器鱼具有更好的仿生性。每个摆动关节4包括弹性片5和固定在弹性片5两侧的形状记忆合金丝6，在它们的外面包裹有弹性蒙皮7；在相邻两个摆动关节4之间以及刚性鱼头1与摆动关节4之间都通过基体板8连接，可以使形状记忆合金丝的端头穿过基体板8后与导线连接；对于有多个摆动关节的，由于每个摆动关节上都有一个弹性片和固定在弹性片两侧的形状记忆合金丝，实际应用时，各个形状记忆合金丝需要与不同的导线连接以方便对各摆动关节的控制。本实施方式中，将所述摆动关节4整体制成薄板状，具有弯曲更容易的优点，从而可以更好地实现发明目的。
由于对钛镍合金材料的形状记忆合金丝的研究和使用比较成熟，因此本实施方式所使用的形状记忆合金丝采用钛镍合金材料，其截面形状可以是圆形、矩形或方形，也可以是其它形状，都不影响本发明目的的实现；也可以选择其它的形状记忆合金材料制成本发明所述形状记忆合金丝，也都能够实现本发明的目的，因此都在本发明的保护范围之内。形状记忆合金丝需要进行通电才可以加热进而产生变形，对其进行供电的一种方式是采用外部电源接上长的细导线与形状记忆合金丝连接，其优点是外部电压方便调节，这样对记忆合金丝的长度局限性不大，进而对仿生鱼的长度局限性也不大，但它同时存在的缺点是，游动时有外部导线的干扰，不能大范围内自由游动。另外一种供电方式为在刚性鱼头内设置电池给记忆合金丝供电，其优点是可以自由游动，缺点是由于电池电压固定，为使形状记忆合金丝能够尽快加热变形而又不致使电流过大，必须把形状记忆合金丝控制在一定长度之内，这也就限制了所作的机器鱼的长度。在实际使用时可以根据不同的需要选择不同的供电方式。由于记忆合金丝都处于水中，因此实际使用时必须对其进行绝缘，即要使形状记忆合金丝与水绝缘，又要使弹性片两侧的形状记忆合金丝之间绝缘，本实施方式直接利用蒙皮7的包裹实现形状记忆合金丝与水的绝缘，所述蒙皮7为一层弹性薄膜；所用的弹性片为有弹性的塑料片，可以实现形状记忆合金丝之间的绝缘，实际应用中，也可以选择具有弹性的其它绝缘片制成本发明所述的弹性片，都可以实现所述目的；另外，对于形状记忆合金丝与水之间的绝缘方式还可以选择在形状记忆合金丝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，也都在本发明的保护范围之内。
本实施方式中，将形状记忆合金丝6固定于弹性片5上，用通电的方式给形状记忆合金丝6加热，当其温度超过转变温度时，形状记忆合金丝6收缩，但由于它是固定在弹性片5上的，其产生的收缩的力必然带动弹性片5产生弯曲变形，这也就达到了使弹性片5摆动的目的。而如果在弹性片5的两面都布上形状记忆合金丝6，通过对两侧的形状记忆合金丝6分时顺序通电加热就会实现弹性片5的双向摆动，这样就达到了仿生鱼身体波动的目的。当把它置于水中时，通过身体波动产生与水的反作用力就可以推动整条仿生鱼向前游动。实际使用时，可以通过单片机控制通电的时间和通电的间隔，这样就可以控制身体波动的频率和摆动的幅度，从而达到对仿生鱼游动速度的控制。
具体实施方式
二生物学家根据鱼类本身的外形、尾鳍推进结构的长度和摆动的力量对鱼的游动方式进行简单分类，具体可以分为三种(参照图2)a.Anguilliform(鳗状的)通过整体身躯肌肉的波动来游动，像鳗鱼一样；b.Carangiform通过尾鳍和与尾部相连的身躯摆动来游动，像鲑鱼，金枪鱼，旗鱼；c.Ostraciifrom只通过尾鳍的摆动而不利用身体摆动而进行泳动。
实际使用时，可以通过改变弹性片5和刚性鱼头1之间的长度比以及增减弹性片的摆动关节数来分别仿生各种类型的游动方式。本实施方式所述仿生鱼即仿生Anguilliform式的游动，即制成较小的刚性鱼头1和较长的尾鳍推进机构2，将尾鳍推进机构制成较长的方式可以是加长单个弹性片5的长度，也可以采用增加摆动关节的个数来实现，这样就可以使机器鱼像鳗鱼一样通过整个身体的波动来游动。图3为仿Anguilliform的四个摆动关节的仿生鱼在一个周期内身体波动的动作时序图。
具体实施方式
三本实施方式是仿生Carangiform式游动的具有两个摆动关节的机器鱼，具体结构见图4，它的推进方法见图5所示关节摆动动作时序图，它的前一个关节用于转向，后一个关节用于推进。图5所示时序图中的动作状态a为初始状态；b、c为一组，是仿生鱼向下侧转弯时的游动状态；d、e为一组，是仿生鱼向上侧转弯时的游动状态。
具体实施方式
四本实施方式是将机器鱼制成短的尾鳍推进机构和大的刚性鱼头，具体结构如图1所示，这样可以仿生Ostraciifrom式的游动，由于尾鳍推进机构小而鱼头大，所以游动中的身体波动即形成了尾鳍摆动。仿Ostraciifrom(尾鳍游动鱼)的仿生鱼关节摆动动作时序图如图6所示，其中的动作，a为初始状态，b为给一侧的形状记忆合金丝通电时的状态，c为结束通电冷却后的状态，d为向另一侧记忆合金丝通电时的状态。
具体实施方式
五本实施方式是对本发明所述机器鱼的详细说明，结合图7、图8、图9。
1、厚1.5mm的基体板8两块；2、厚0.5mm的塑料薄片作为弹性片5一个；3、尾巴3一个；4、0.2mm形状记忆合金丝6两根；5、刚性鱼头1一个；6、厚0.2mm的弹性蒙皮一块。
制成如图7所示的形状。下面结合图8、图9说明它们之间的连接关系a.两根形状记忆合金丝6穿过弹性片5上的四个小孔，分别置于弹性片的两侧，以使形状记忆合金丝6实现固定。
b.将形状记忆合金丝6的两头穿过基体板8上的小孔并焊死以实现固定，同时在两个焊点上接出一段导线以便给形状记忆合金丝6通电。
c.把形状记忆合金丝6拉直后将基体板8粘在弹性片5上。
d.在设置了形状记忆合金丝的弹性片5外面裹一层弹性蒙皮，既可以把形状记忆合金丝6固定在弹性片5上，又能使形状记忆合金丝6很好的绝缘，以便实现水下作业。
e.基体板8和刚性鱼头1上都开有Φ2的小孔，用螺钉将它们固定在一起。
f.将尾巴3用胶带粘在密封后的弹性片5上。
g.刚性鱼头1中的空腔用来放置电源及控制电路，来达到控制机器鱼游动的目的。
权利要求
1.一种形状记忆合金丝驱动的身体波动推进仿生机器鱼，其特征在于它包括刚性鱼头(1)和与其相连接的尾鳍推进机构(2)，所述尾鳍推进机构(2)在结构上包括尾巴(3)和至少一个摆动关节(4)；每个摆动关节(4)包括弹性片(5)和固定在弹性片(5)两侧的形状记忆合金丝(6)，在它们的外面包裹有弹性蒙皮(7)；在相邻两个摆动关节(4)之间以及刚性鱼头(1)与摆动关节(4)之间都通过基体板(8)连接。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金丝驱动的身体波动推进仿生机器鱼，其特征在于所述摆动关节(4)整体呈薄板状。
全文摘要
形状记忆合金丝驱动的身体波动推进仿生机器鱼，涉及一种机器人。针对现有机器人存在结构复杂、体积较大、成本高以及噪声大的问题，本发明提供一种结构简单、体积小、成本低及无噪音的形状记忆合金丝驱动的身体波动推进仿生机器鱼，它包括刚性鱼头(1)和与其相连接的尾鳍推进机构(2)，所述尾鳍推进机构(2)在结构上包括尾巴(3)和至少一个摆动关节(4)；每个摆动关节(4)包括弹性片(5)和固定在弹性片(5)两侧的形状记忆合金丝(6)，在它们的外面包裹有弹性蒙皮(7)；在相邻两个摆动关节(4)之间以及刚性鱼头(1)与摆动关节(4)之间都通过基体板(8)连接。本发明具有体积小、结构简单、仿生效果好、无噪声、方便操纵的优点，利于推广应用。
文档编号B63H1/36GK1887646SQ200610010348
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月31日 优先权日2006年7月31日
发明者王振龙, 李健, 杭观荣 申请人:哈尔滨工业大学