一种基于形状记忆合金的水下伸缩装置

1.本发明涉及机器人应用技术领域，尤其涉及一种基于形状记忆合金的水下伸缩装置。


背景技术：

2.软体机器人是一种由各种柔性材料制成的新型机器人，具有无限自由度、连续可变形能力，与传统的刚性机器人相比，它们的环境适应性更强，安全性更高，因此软体机器人制造成本低，机动灵活，体积更小，在许多领域内具有更加广泛的应用。
3.通常，这类机器人可以在一定范围内通过改变自身的形状和尺寸获得驱动力以实现位置移动和形状变化，进而获得一定的功能，例如申请号为：cn201820052096.x的中国发明专利，名称为：一种基于化学放能反应驱动的水下软体机器人，包括反应舱、仿生头部控制舱和保持架，反应舱外表面设置驱动翼，驱动翼通过设置的连杆与弹性设置在保持架上的推动板连接，仿生头部控制舱内设有电化学脉冲驱动装置和原料仓，电化学脉冲驱动装置底部接入反应舱内的驱动发生室，原料仓与驱动发生室之间设有单向阀，驱动发生室底部设有软体驱动膜，软体驱动膜与推动板接触，推动板在弹性和软体驱动膜的作用下在保持架上往复运动，从而驱动驱动翼。本发明将化学放能反应与软体材料结合起来，实现了水下软体机器人的瞬变速运动，即瞬时直线加速启动与瞬时加速转弯等过程，其制动过程中产生的加速度远远高于其他现有软体材料驱动的水下机器人，此结构利用电火花引燃气体原料在电化学脉冲驱动发生室中发生化学放能反应产生的能量作为驱动软体机器人运动的动力，使得期间需要不断消耗混合的原料气体，并将燃烧后产生的能量直接排出。
4.因此，亟需一种基于形状记忆合金的水下伸缩装置，能解决现有技术中通过电火花引燃气体原料发生化学放能反应以产生的能量作为驱动力，从而导致大量的能量浪费的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种基于形状记忆合金的水下伸缩装置，解决现有技术中通过电火花引燃气体原料发生化学放能反应产生的能量作为驱动力，从而导致大量的能量浪费的技术问题。
6.为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种基于形状记忆合金的水下伸缩装置，包括：
7.气囊组件，包括弹性气囊，所述弹性气囊的内部中空，并开设有进气孔和出气孔；
8.伸缩组件，所述伸缩组件内置于所述弹性气囊，所述伸缩组件可沿其设置方向伸长或收缩，用于推动所述弹性气囊的内部体积增大或缩小，当所述伸缩组件伸长时，所述弹性气囊的内部体积增大，并经所述进气孔吸入外部气体，当所述伸缩组件收缩时，所述弹性气囊的内部体积缩小，并将其内部的气体经所述出气孔排出，以产生推动所述弹性气囊沿与其排气方向相反的方向运动的推力。
9.进一步的，所述伸缩组件包括形状记忆合金件和加热件，所述形状记忆合金件内置于所述弹性气囊，并连接于所述弹性气囊的周向内壁，所述加热件连接于所述形状记忆合金件，用于对所述形状记忆合金件进行加热，以使得所述形状记忆合金件因温度升高而伸长。
10.进一步的，所述气囊的周向内壁沿其长度方向开设有至少一个凹槽，所述形状记忆合金件呈螺旋状，并配合嵌设于所述凹槽。
11.进一步的，所述加热件包括电源、开关及温度传感器，所述电源内置于所述弹性气囊，并与所述形状记忆合金件电连接，所述开关与所述形状记忆合金件和所述电源均电连接，用于控制所述电源与所述形状记忆合金件电连接的电路相导通，所述温度传感器内置于所述弹性气囊，所述温度传感器的感应端相对所述形状记忆合金件、控制端与所述开关电连接。
12.进一步的，所述气囊组件还包括排气管，所述排气管插设于所述出气孔，且所述排气管的一端连接于所述弹性气囊，另一端沿远离所述弹性气囊的方向管径逐渐减小，所述排气管的截面呈弧形，且沿靠近所述出气孔的方向其斜率逐渐增大。
13.进一步的，所述排气管具有弹性。
14.进一步的，所述气囊组件还包括进气件，所述进气件包括进气管和进气阀，所述进气管连接于所述进气孔，并经所述进气孔与所述弹性气囊的内部相连通，所述进气阀设置于所述进气管上。
15.进一步的，所述弹性气囊还开设有至少一个水冷孔，所述水冷孔沿所述凹槽的长度方向配合所述凹槽设置。
16.进一步的，所述弹性气囊的材质为硅胶，所述弹性气囊的周向外壁沿其长度方向设置有用于配合所述弹性气囊变形的褶皱。
17.进一步的，还包括至少一个方向调节件，所述方向调节件连接于所述弹性气囊的外壁，并靠近所述出气孔设置，用于改变所述弹性气囊运动的轨迹。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：弹性气囊的内部中空，并分别开设有用于往其内部通入气体的进气孔和用于向其外部排出气体的出气孔，伸缩组件内置于弹性气囊，并可沿其长度方向伸长或收缩，用于推动弹性气囊的内部体积增大或缩小，通过伸缩组件的伸长端的伸长带动弹性气囊的内部空间增大，并经进气孔吸入气体，同时伸缩组件的伸长端的缩短后弹性气囊的内部体积缩小，并经出气孔将其内部的气体排出，以形成推动弹性气囊沿与其排气方向相反的方向运动的推力，从而驱动本装置运动，这样的结构，通过弹性气囊的收缩使得其内部气体排出，以产生反向推力来驱动装置的运动，能解决现有技术中通过电火花引燃气体原料发生化学放能反应以产生的能量作为驱动力，从而导致大量的能量浪费的问题。
附图说明
19.图1是本发明实施例所提供的一种基于形状记忆合金的水下伸缩装置的剖视结构示意图；
20.图2是图1中a处的局部放大示意图；
21.图3是本发明所提供的加热件和形状记忆合金件连接的电路图。
具体实施方式
22.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
23.请参阅图1、图2，本发明提供了一种基于形状记忆合金件21的水下伸缩装置，包括：气囊组件1和伸缩组件2，气囊组件1包括弹性气囊11，弹性气囊11的内部中空，并开设有进气孔和出气孔，伸缩组件2，伸缩组件2内置于弹性气囊11，伸缩组件2可沿其设置方向伸长或收缩，用于推动弹性气囊11的内部体积增大或缩小，当伸缩组件2伸长时，弹性气囊11的内部体积增大，并经进气孔吸入外部气体，当伸缩组件2收缩时，弹性气囊11的内部体积缩小，并将其内部的气体经出气孔排出，以产生推动弹性气囊11沿与其排气方向相反的方向运动的推力。
24.可以理解，弹性气囊11的内部中空，并分别开设有用于往其内部通入气体的进气孔和用于向其外部排出气体的出气孔，伸缩组件2内置于弹性气囊11，并可沿其长度方向伸长或收缩，用于推动弹性气囊11的内部体积增大或缩小，通过伸缩组件2的伸长端的伸长带动弹性气囊11的内部空间增大，并经进气孔吸入气体，同时伸缩组件2的伸长端的缩短后弹性气囊11的内部体积缩小，并经出气孔将其内部的气体排出，以形成推动弹性气囊11沿与其排气方向相反的方向运动的推力，从而驱动本装置运动，这样的结构，通过弹性气囊11的收缩使得其内部气体排出，以产生反向推力来驱动装置的运动。
25.进一步地，本装置中还包括至少一个方向调节件3，方向调节件3连接于弹性气囊11的外壁，并靠近出气孔设置，用于改变弹性气囊11运动的轨迹。
26.可以理解，至少一个方向调节件3设置于弹性气囊11的尾部，用于通过摆动，形成类似于鱼类的尾鳍的作用，以实现弹性气囊11运动方向的改变，从而实现运动轨迹的改变。
27.更进一步的，本装置中方向调节件3为形状记忆合金丝，通过改变其温度来使得其形状进行改变，以形成摆动，此处形状记忆合金丝为本领域技术人员所公知的常规设置，此处不作过多阐述。
28.如图1所示，气囊组件1还包括排气管12和进气件13。
29.其中，排气管12插设于出气孔，且排气管12的一端连接于弹性气囊11，另一端沿远离弹性气囊11的方向横截面积逐渐减小，排气管12的截面呈弧形，且沿靠近出气孔的方向其斜率逐渐增大。
30.可以理解，排气管12远离弹性气囊11的方向管径不断减小，以形成类似于狭管效应的结构，使得经排气管12排出的气体具有更大的动能，从而推动弹性气囊11运动。
31.其中作为一种实施方式，排气管12具有弹性。
32.可以理解，弹性的排气管12形成类似于瓣膜状的结构，当弹性气囊11的内部处于正常状态下，水的压力作用于排气管12的外部，并提供封闭排气管12的压力，当弹性气囊11的内部处于排气状态下，内部气体产生的推力大于水的压力，使得排气管12打开，从而实现弹性气囊11内部气体的单向排出，并防止弹性气囊11外部水的流入。
33.其中，气囊组件1还包括进气件13，进气件13包括进气管131和进气阀132，进气管131连接于进气孔，并经进气孔与弹性气囊11的内部相连通，进气阀132设置于进气管131上。
34.可以理解，进气管131和进气阀132用于配合弹性气囊11的内部体积的扩张，并从
弹性气囊11的外部吸入气体。
35.如图1至图3所示，伸缩组件2包括形状记忆合金件21和加热件22，形状记忆合金件21内置于弹性气囊11，并连接于弹性气囊11的周向内壁，加热件22连接于形状记忆合金件21，用于对形状记忆合金件21进行加热，以使得形状记忆合金件21因温度升高而伸长。
36.可以理解，本装置中通过利用加热件22对形状记忆合金件21进行温度的改变，温度升高后的形状记忆合金件21发现变形并伸长，从而推动弹性气囊11的内部空间增大，同时形状记忆合金件21的温度降低后恢复原来形状，弹性气囊11因弹性恢复力而排出其内部的气体，以推动弹性气囊11运动，此处形状记忆合金件21具有因升温而伸长，因冷却后而缩短的特性，属于本领域技术人员所公知的常规设置，此处不作过多的阐述。
37.进一步地，弹性气囊11的周向内壁沿其长度方向开设有至少一个凹槽111，形状记忆合金件21呈螺旋状，并配合嵌设于凹槽111。
38.可以理解，此处形状记忆合金件21形成类似弹簧的螺旋状结构，以使得形状记忆合金件21的伸长能更好的推动弹性气囊11进行内部空间的膨胀，以到达最佳的吸气效果。
39.其中一种实施方式，加热件22包括电源221、开关222及温度传感器223，电源221内置于弹性气囊11，并与形状记忆合金件21电连接，开关222与形状记忆合金件21和电源221均电连接，用于控制电源221与形状记忆合金件21电连接的电路相导通，温度传感器223内置于弹性气囊11，温度传感器223的感应端相对形状记忆合金件21、控制端与开关222电连接，用于监测形状记忆合金件21的温度，防止形状记忆合金件21因温度过高而失去特性。
40.进一步地，本装置中电源221可选用0～24v可调直流电源，可直接对形状记忆合金件21进行通电加热，此处也可采取间接加热方法，即采用电阻丝缠绕记忆弹簧加热，此处为本领域技术人员所公知的常规设置，不作过多阐述。
41.如图2所示，弹性气囊11还开设有至少一个水冷孔112，水冷孔112沿凹槽111的长度方向配合凹槽111设置。
42.可以理解，当弹性气囊11的内部因膨胀而增大时，水冷孔112因弹性气囊11的弹性和其内部的压力，从水中吸入水，水冷孔112中的水沿凹槽111的长度方向配合设置，用于对螺旋状的形状记忆合金件21进行冷却降温，使其快速冷却，以使得弹性气囊11的内部空间快速缩小，并将其内部的气体快速排出，形成足够大的推力。
43.进一步地，为了保证弹性气囊11具有足够的弹性回复力，弹性气囊11的周向外壁沿其长度方向设置有用于配合弹性气囊11变形的褶皱113，且其材质为硅胶等弹性材料。
44.本发明的具体工作流程，弹性气囊11的内部中空，并分别开设有用于往其内部通入气体的进气孔和用于向其外部排出气体的出气孔，伸缩组件2内置于弹性气囊11，并可沿其长度方向伸长或收缩，用于推动弹性气囊11的内部体积增大或缩小，通过伸缩组件2的伸长端的伸长带动弹性气囊11的内部空间增大，并经进气孔吸入气体，同时伸缩组件2的伸长端的缩短后弹性气囊11的内部体积缩小，并经出气孔将其内部的气体排出，以形成推动弹性气囊11沿与其排气方向相反的方向运动的推力，从而驱动本装置运动，这样的结构，通过弹性气囊11的收缩使得其内部气体排出，以产生反向推力来驱动装置的运动。
45.使用者在使用时，本装置具有两个运动过程，即形状记忆合金件21的伸长与收缩过程。在伸长过程中，启动直流电源对形状记忆合金件21进行加热，形状记忆合金件21温度升至变形温度并伸长，弹性气囊11的内部气腔随之拉长。
46.进一步地，此时由于弹性气囊11的内部气压变低，外部液压将排气口堵住，水无法流入弹性气囊11的内部。当弹簧完全伸长后，加热件22的电路断开，同时随着弹性气囊11的变形水冷孔112吸水，对形状记忆合金件21进行冷却降温，形状记忆合金件21迅速降温收缩，弹性气囊11内部的也随之收缩，内部气体由排气口排出，产生向前的驱动力，这样便完成了一个运动周期，重复上述的两个运动过程，本装置可以进行连续的运动。
47.这样的结构，通过弹性气囊11的收缩使得其内部气体排出，以产生反向推力来驱动装置的运动，能解决现有技术中通过电火花引燃气体原料发生化学放能反应以产生的能量作为驱动力，从而导致大量的能量浪费的问题。
48.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。