作动机构和仿生移动器的制作方法

本发明涉及水下检查和勘查，具体地，涉及作动机构和仿生移动器。

背景技术：

随着仿生动力装置研究的不断深入，水下仿生动力装置在水下搜救、水污染检测以及水下资源勘探等领域发挥着极大的作用。仿生动力装置建立在将鱼类的推进运动简化为理想条件下，鱼鳍运动的周期性、连续性的摆动基础之上。仿生动力装置应用于水下，可以广泛应用于复杂的水下环境和作业要求，因此得到了广泛的研究与发展。

需要一种新型的仿生动力装置，具有简单且稳定的结构，能够满足更多的作业需求。

技术实现要素：

本公开的实施例提供一种作动机构，包括：

第一形状记忆合金元件，由第一形状记忆合金形成并且配置成在通电后发热而变形；

第二形状记忆合金元件，由第二形状记忆合金形成并且配置成在通电后发热而变形；

动作元件，所述动作元件能够围绕一个枢转点枢转并且动作元件的离开连接枢转点的部位布置在第一形状记忆合金元件和第二形状记忆合金元件之间以便第一形状记忆合金元件和第二形状记忆合金元件分别连接动作元件的相对的侧面，

其中第一形状记忆合金元件和/或第二形状记忆合金元件在被通入电流的情况下主动变形以便协同驱动动作元件围绕枢转点往复转动或摆动。

在一个实施例中，第一形状记忆合金元件和第二形状记忆合金元件分别具有弹簧的形状。

在一个实施例中，第一形状记忆合金元件和第二形状记忆合金元件被设置为在通电升温后伸长或缩短，从而第一形状记忆合金元件或第二形状记忆合金元件在被间断地通入电流的情况下主动变形以便协同驱动动作元件围绕枢转点往复转动或摆动；或

第一形状记忆合金元件和第二形状记忆合金元件被设置为在通电升温后伸长或缩短，从而第一形状记忆合金元件和第二形状记忆合金元件在被间断地、交替地通入电流的情况下主动变形以便协同驱动动作元件围绕枢转点往复转动或摆动；或

第一形状记忆合金元件被设置为在通电升温后伸长，和第二形状记忆合金元件被设置为在通电升温后缩短，从而第一形状记忆合金元件和第二形状记忆合金元件在同时被间断地通入电流的情况下主动变形以便协同驱动动作元件围绕枢转点往复转动或摆动。

在一个实施例中，动作元件具有板的形状。

在一个实施例中，作动机构还包括配置成位置固定的第一固定件和第二固定件，第一形状记忆合金元件的一端连接第一固定件，第二形状记忆合金元件的一端连接第二固定件。

本公开的实施例还提供一种包括上述的作动机构的仿生移动器，包括：

仿生形状的框架；和

布置在框架的底部的至少一个所述作动机构。

在一个实施例中，至少一个所述作动机构包括沿仿生移动器的纵向方向布置的用于移动的多个所述作动机构，用于移动的多个所述作动机构每一个能够单独操作以便驱动仿生移动器沿移动。

在一个实施例中，用于移动的多个所述作动机构每一个能够单独操作并且用于移动的多个所述作动机构能够协同操作以便通过用于移动的多个所述作动机构每一个的不同的动作幅度控制仿生移动器的移动方向。

在一个实施例中，用于移动的多个所述作动机构的至少一个在仿生移动器的纵向方向上布置在仿生形状的框架的后部。

在一个实施例中，用于移动的多个所述作动机构的至少一个在仿生移动器的纵向方向上布置在仿生形状的框架的前部。

在一个实施例中，用于移动的多个所述作动机构沿仿生移动器的纵向方向设置在框架的底部并且沿直线布置。

在一个实施例中，至少一个所述作动机构包括在仿生移动器的纵向方向的垂直方向上布置的用于沉浮的多个所述作动机构，用于沉浮的多个所述作动机构，每一个单独操作以便驱动仿生移动器沿仿生移动器的纵向方向的垂直方向沉浮。

在一个实施例中，用于沉浮的多个所述作动机构设置在仿生移动器的两侧。

在一个实施例中，框架是鱼形的封闭的壳体。

在一个实施例中，仿生移动器还包括：

电源，用于提供电力至至少一个所述作动机构；和

控制装置，配置成控制电源供给给至少一个所述作动机构的每一个的电流以控制至少一个所述作动机构的每一个的动作。

在一个实施例中，仿生移动器还包括隔板，至少一个所述作动机构布置在隔板第一侧的框架底部，所述电源和所述控制装置布置在所述隔板的第二侧，第二侧是第一侧的背侧。

在一个实施例中，控制装置配置成通过导通和关断动作控制电源供给至至少一个所述作动机构的每一个的电流使得能够实现给至少一个所述作动机构的每一个提供时序输出的脉冲电流。

附图说明

图1为根据本公开一个实施例的作动机构的示意图；

图2为根据本公开一个实施例的作动机构的示意图；

图3为根据本公开一个实施例的作动机构的示意图；

图4为根据本公开一个实施例的仿生移动器的示意图，其中a示出隔板的第一侧的作动机构的布置，b示出隔板的第二侧的电源和电路板的布置；

图5为根据本公开一个实施例的脉冲电流的示意图；

图6示出根据本公开一个实施例的第一或第二形状记忆合金元件相变温度前后的形状；

图7示出根据本公开一个实施例的仿生移动器的示意的剖视图；

图8示出根据本公开一个实施例的仿生移动器的示意图。

具体实施方式

本公开的实施例提供一种作动机构100，包括：第一形状记忆合金元件11，由第一形状记忆合金形成并且配置成在通电后发热而变形；第二形状记忆合金元件12，由第二形状记忆合金形成并且配置成在通电后发热而变形；动作元件15，所述动作元件15能够围绕一个枢转点16枢转并且动作元件15布置在第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12之间以便第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12分别连接动作元件15的相对的侧面的离开连接枢转点16的部位，其中第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12在被通入电流的情况下交替地主动变形以便协同驱动动作元件15围绕枢转点16往复转动或摆动。

如图1所示，动作元件15可以围绕枢转点16枢转。在一个实施例中，枢转点16可以是例如枢转轴，例如圆柱形的棒状物，动作元件15具有孔，棒状物穿过动作元件15的孔，动作元件15可以围绕棒状物旋转或往复摆动。在一个实施例中，枢转点16可以提供轴承，动作元件15可以连接轴承的内圈，动作元件15可以围绕枢转点16旋转。在其他实施例中，枢转点16可以以其他形式允许动作元件15围绕枢转点16转动或往复摆动。

在一个实施例中，第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12分别具有弹簧的形状。第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12可以由例如镍钛合金形成的，也可以是其他材料形成的形状记忆合金元件。在一个实施例中，镍钛合金作为一种能够在特定温度(相变温度点)以上自动恢复为该特定温度条件下的预定形状的记忆合金，其伸缩率可以在20％以上，疲劳寿命可达1×10⁷次，用镍钛合金制成的弹簧其阻尼特性比普通弹簧高10倍。基于镍钛合金的超弹性特性，通过迅速加热镍钛合金弹簧丝使其迅速获得应力，随后通用冷却方式使其在短时间内失去应力，将电能转化为动能。在本实施例中，镍钛合金在通电之后会发热，因而温度升高，在达到预定温度后恢复在较高温度下设置的形状，例如伸长或伸展的形状(也可以是缩短的形状)，从而通过给第一形状记忆合金元件11和/或第二形状记忆合金元件12通电，可以实现第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12的升温并且伸长或伸展动作(或升温和缩短动作)。当停止给第一形状记忆合金元件11和/或第二形状记忆合金元件12通电，第一形状记忆合金元件11和/或第二形状记忆合金元件12被环境介质(例如液体)迅速降温，从而恢复原始温度下的形状。

在一个实施例中，第一形状记忆合金元件11或第二形状记忆合金元件12可以间断地通电实现动作元件15的动作。例如仅给第二形状记忆合金元件12通电，从而第二形状记忆合金元件12伸长，这样动作元件15被第二形状记忆合金元件12推向左边，如图2所示；随后第二形状记忆合金元件12被断电，第二形状记忆合金元件12温度降低，第二形状记忆合金元件12恢复未升温时的长度。在第一、第二形状记忆合金元件12是弹簧的实施例中，第一形状记忆合金元件11是弹簧，因而允许第二形状记忆合金元件12伸长时被第二形状记忆合金元件12伸长推动的动作元件15压缩，这是有利的。

在一个实施例中，也可以仅给第一形状记忆合金元件11间断地通电实现动作元件15的往复摆动。

在一个实施例中，第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12在通电后缩短，类似地，仅给第二形状记忆合金元件12通电，从而第二形状记忆合金元件12缩短，这样动作元件15被第二形状记忆合金元件12拉向右边，如图3所示；第一形状记忆合金元件11是弹簧，允许被拉长；随后第二形状记忆合金元件12结束通电，因而第二形状记忆合金元件12温度降低，恢复原始长度，动作元件15向左侧摆动。重复给第二形状记忆合金元件12通电，即间断地给第二形状记忆合金元件12通电，可以实现动作元件15的往复摆动。

在一个实施例中，可以间断地给第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12通电，即间断地、交替地给第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12通电，就可以实现动作元件15的左右摆动。当第一形状记忆合金元件11通电伸长时，第二形状记忆合金元件12未通电加热因而降温收缩，从而两者可以协同动作，从而推动动作元件15往复运动。

根据本公开的实施例中，第一、第二形状记忆合金元件12被形成为螺旋状弹簧，具有更长的长度因而具有更显著的随温度发生的长度变化，同时可以被压缩，操作稳定性得以提升。

在本公开的实施例中，第一形状记忆合金元件11设置为在预定温度以上时，具有较长的长度，即第一形状记忆合金元件11通电后，升温和伸长；相反，第二形状记忆合金元件12通电后升温和缩短。在本实施例中，可以交替地或同时间断地给第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12通电，可以实现第一形状记忆合金元件11升温并伸长，同时第二形状记忆合金元件12升温并缩短，两者协同推动动作元件15往复摆动。

在其他实施例中，第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12分别具有各自其他的形状，这并不影响它们工作。例如，如图6所示，第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12在常温下具有圆环的形状(图6的左部分)，直径为d，在通电升温至相变温度以上时，具有预定的压扁的形状(图6的右部分)，如图所示的横向跨度为d(小于d)，从而可以实现通电加热后第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12从直径为d的圆环变形为压扁的形状，横向跨度减小(d-d)。

在其他实施例中，第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12可以具有不同的形状，只要第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12被设置为相变温度前后具有长度的改变。

如图1所示，第一形状记忆合金元件11布置在动作元件15的左侧，第二形状记忆合金元件12布置在动作元件15的右侧，换句话说，第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12将动作元件15夹在两者之间。第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12与动作元件15的连接部位离开动作元件15的与枢转点16连接的部位。这样的布置可以实现第一形状记忆合金元件11和第二形状记忆合金元件12作用在动作元件15上的力产生力矩。

在本公开的实施例中，动作元件15可以具有板的形状，例如桨。在一个实施例中，动作元件15可以是扇形。在一个实施例中，可以是具有曲面的弯板。在一个实施例中，可以是其他形状，可以根据需要设置。

在一个实施例中，作动机构100还包括配置成位置固定的第一固定件13和第二固定件14，第一形状记忆合金元件11的一端连接第一固定件13，第二形状记忆合金元件12的一端连接第二固定件14。在实际应用中，第一固定件13和第二固定件14可以利用整个系统或设备的固定点，并不需要特地设置第一固定件13和第二固定件14。

本公开还提供一种仿生移动器200。仿生的意思是指移动器具有某种生物的形状，例如在液体(例如水)中应用时可以具有鱼的形状，船的形状等，以便减小移动器移动时受到的液体(例如水)的阻力。

仿生移动器200可以包括仿生形状的框架201和至少一个作动机构100，至少一个作动机构100布置在框架201的底部。作动机构100可以是前面实施例中描述的作动机构100。

在一个实施例中，仿生移动器200具有一个作动机构100，作动机构100在仿生移动器200的后部。当作动机构100的动作元件15在仿生移动器200的横向上摆动时可以驱动仿生移动器200在液体中在仿生移动器200的纵向上向前移动。

在一个实施例中，仿生移动器200具有两个作动机构100，两个作动机构100在仿生移动器200的后部，如图8所示。当两个作动机构100的动作元件15在仿生移动器200的横向上摆动时可以驱动仿生移动器200在液体中在仿生移动器200的纵向上向前移动。当两个作动机构100在仿生移动器200后部并排布置时，例如一个作动机构100在左侧，另一个作动机构100在右侧，在左侧的作动机构100的动作元件15比右侧的作动机构100的动作元件15摆动更快时，仿生移动器200向右并向前移动；当右侧的作动机构100的动作元件15比左侧的作动机构100的动作元件15摆动更快时，仿生移动器200向左并向前移动。如图8所示，两个作动机构可以不同；两个作动机构100可以布置在仿生移动器200的后部，并且不对称地布置。在一个实施例这，作动机构100可以包括弹簧形式的第一、第二形状记忆合金元件11、12，也可以包括异形的第一、第二形状记忆合金元件11、12，图8这示出的两个作动机构示意地示出这种情形。

在一个实施例中，仿生移动器200具有多个所述作动机构100，如图4所示，多个作动机构100沿仿生移动器200的纵向方向布置，用于移动仿生器。用于移动的多个所述作动机构100每一个能够单独操作以便驱动仿生移动器200沿移动。在本实施例中，多个所述作动机构100一齐动作，仿生移动器200可以移动；仿生移动器200的多个作动机构100可以通过配合，改变移动方向和速度。例如，在前部的一个作动机构100的动作元件15保持向右偏转，此时其他作动机构100的动作元件15摆动时，仿生移动器200向左移动。在另一情况下，在后部的一个作动机构100的动作元件15保持向右偏转时，其他作动机构100的动作元件15摆动时，仿生移动器200向右移动。根据本公开的实施例，用于移动的多个所述作动机构100每一个能够单独操作并且用于移动的多个所述作动机构100能够协同操作以便通过用于移动的多个所述作动机构100每一个的不同的动作幅度控制仿生移动器200的移动方向。由于每个作动机构100可以单独地动作，因而可以方便地控制仿生移动器200的移动方向和速度。例如，当全部作动机构100同时摆动时，仿生移动器200全速移动，当仅一个作动机构100摆动时，仿生移动器200慢速移动；可以控制摆动的作动机构100的数量和作动机构100摆动的幅度，控制仿生移动器200的移动速度和方向。因而，包括多个作动机构100的仿生移动器200可以实现速度和方向的自我控制。

图4中示出的仿生移动器200仅是一种实施例，在图4的实施例中，仿生移动器200具有四个作动机构100，它们沿仿生移动器200的纵向方向布置，并且沿直线布置。然而，在其他实施例中，仿生移动器200可以有其他布置方式。例如，在仿生移动器200的后部布置一个或多个作动机构100，在仿生移动器200的前部布置一个或多个作动机构100。需要说明的是，此处作动机构100在仿生移动器200的前部或后部指的是仿生移动器200的下部的前部或后部。

例如图4的仿生移动器200可以是鱼形的仿生移动器200，用于在水或其他液体中移动。作动机构100可以漂浮在液体(可以水)中，此时仿生移动器200可以是非密封的结构，即仿生移动器200的框架201具有大体的鱼的形状，框架201具有隔板204，隔板204的下部(隔板204的第一侧)与液体接触，在隔板204的下部布置一个或多个作动机构100，一个或多个作动机构100的第一固定件13和第二固定件14可以是框架201两侧的部位。图4的a部分示出的是仿生移动器200隔板204下部的四个作动机构100的布置方式。

图7示出仿生移动器200的一个部位的示意的剖视图，其中，仿生移动器200的框架201的下部具有框架第一侧201-3和框架第二侧201-4，框架第一侧201-3作为一个或多个作动机构100的第一固定件13，框架第二侧201-4作为一个或多个作动机构100的第二固定件14。框架第一侧201-3和框架第二侧201-4可以是连续延伸的，这样的结构是有利的，框架第一侧201-3和框架第二侧201-4与框架201的隔板204一起限定u形空间，液体在该u形空间内被作动机构100的动作元件15驱动，从仿生移动器200的前部被驱至后部，仿生移动器200获得反作用力得以向前移动。

图4的b部分示出了仿生移动器200的隔板204的上部的布置。在隔板204的上部可以布置电源202和控制装置203。电源202可以是电池组，例如可以充电的电池组。电源202可以是锂电池，可以提高续航能力。控制装置203可以是一个或多个电路板，这些电路板接收电池组的电力，并与每个作动机构100电连接，从而控制每个作动机构100的动作。例如，控制装置203采用导通电阻小、开关速度快(几十纳秒量级)的mosfet开关晶体管作为通电控制器件以获得较准确的通电、加热时间和较大的加热电流。由此，仿生移动器200在充满电后可以根据要求单独在液体内移动，完成所需的作业要求。

仿生移动器200可以漂浮在液体中，也可以悬浮在液体内部，例如水下作业。在一个实施例中，仿生移动器200的框架201具有封闭的结构，例如，框架201是鱼形的封闭的壳体，限定密封的腔体。

电池组和控制装置203被密封在框架201的密封的腔体内部。在本实施例中，仿生移动器200可以在液体的任何位置移动。在本实施例中，仿生移动器200还包括在仿生移动器200的横向(纵向方向的垂直方向)上布置的用于沉浮的多个作动机构201-1、201-2，用于沉浮的多个所述作动机构201-1、201-2每一个单独操作以便驱动仿生移动器200沿纵向方向的垂直方向沉浮。在本实施例中，仿生移动器200不再限于隔板204的上部和下部，因为仿生移动器200可以翻转，用于沉浮的多个作动机构201-1、201-2可以通过协同动作控制仿生移动器200的翻转和平衡。在本实施例中，用于移动的一个或多个作动机构100布置在仿生移动器200的隔板204的外部，即框架201限定的腔体外部，电池组和控制装置203布置在仿生移动器200的内部。用于沉浮的多个所述作动机构201-1、201-2设置在仿生移动器200的两侧。实际上，也可以认为用于沉浮的多个所述作动机构100设置在仿生移动器200的外周面上。用于沉浮的多个所述作动机构201-1、201-2的动作原件可以具有扇形的形状。

在本公开的实施例中，仿生移动器200为非封闭结构时，仿生移动器200在液体(例如水)中漂浮时，可以认为，至少一个所述作动机构100布置在仿生移动器200的隔板204的第一侧，即框架201底部，此时，所述电源202和所述控制装置203布置在所述隔板204的第二侧，第二侧是第一侧的背侧。在本公开的实施例中，仿生移动器200为封闭结构时，仿生移动器200在液体(例如水)中漂浮或悬浮，可以认为，至少一个所述作动机构100布置在仿生移动器200的隔板204的第一侧，即框架201的外部，此时，所述电源202和所述控制装置203布置在所述隔板204的第二侧，即框架201的内部。

图5示出控制装置203提供的电流的波形。控制装置203配置成通过导通和关断动作控制电源202供给至至少一个所述作动机构100的每一个的电流使得能够实现给至少一个所述作动机构100的每一个提供时序输出的脉冲电流。

应注意，措词“包括”不排除其它元件或步骤，措词“一”或“一个”不排除多个；“上”、“下”、“底部”、“上部”、“下部”仅为了表示图示的结构中的部件的方位，而不是限定其绝对方位；“第一”、“第二”用于区分不同部件的名称而不是为了排序或表示重要性或主次分别。另外，权利要求的任何元件标号不应理解为限制本公开的范围。

虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。