形状记忆合金丝驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，涉及一种机器人。针对现有的水下机器人存在质量大、噪音大等问题，本发明专利技术提供一种水下机器人，它包括本体（１）和胸鳍（２），所述胸鳍（２）包括至少四个与本体（１）连接的胸鳍波动关节（３），在每列相邻两个胸鳍波动关节（３）之间连接有鳍膜（４）；所述胸鳍波动关节（３）是由弹性体（５）、形状记忆合金丝（６）、蒙皮（７）和基体（９）组成，所述弹性体（５）的两面都固定有形状记忆合金丝（６），它们的外面包有蒙皮（７）；所述形状记忆合金丝（６）的端头与导线（８）连接。本发明专利技术具有结构简单，质量小、运动灵活，游动效率较高、简化了控制系统及隐蔽性好的优点，利于推广应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种机器人。
技术介绍
现有的水下机器人一般采用螺旋桨提供动力，采用多个螺旋桨或者采用螺旋桨加舵的方式来实现转弯。螺旋桨一般由电动机或者液压系统加变速机构来驱动，其体积和重量较大，结构复杂，增加了水下机器人的复杂性。而且由于螺旋桨以一定速度转动并搅动海水，在海藻较多的海域有被海藻等缠住的危险。鉴于以上水下机器人的一些问题，科研工作者开始向大自然寻找优秀的水下推进方式。鱼类游动效率高，动作灵活，所以成了广大科研工作者模仿的对象。1994年美国MIT研制成功世界上第一条尾鳍摆动推进的仿生机器鱼RoboTuna之后，世界上多个研究机构相继对仿生机器鱼进行研究，并推出了多种仿生机器鱼。但是这些仿生机器鱼大多属于尾鳍摆动推进的运动方式，采用电机加减速装置的驱动方式，驱动装置质量大、体积大，不够灵活，运行时噪音比较大，而且尾鳍摆动推进仿生鱼单靠尾鳍无法实现倒游和原地转弯。所以一些学者研究尝试以形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)、气动、电流驱动聚合物(Electroactive Polymer，简称EAP)等驱动器来驱动仿生机器鱼，并提出了其它种类的推进方式，如身体波动推进、胸鳍波动推进等等。英国Heriot-Watt University研制了利用气动方式驱动的仿生胸鳍波动推进器。该推进器由八个排成一列的、气动的并联波纹管驱动器(Parellel Bellows Actuators，简称PBA)(“鳍辐肋”)和连在它们之间的柔性材料组成(“鳍膜”)。PBA能够在任何方向的平面上实现弯曲运动。这种机器人机构较为复杂，而且需要气源，辅助装置较多。爱沙尼亚塔尔图大学(Tartu University)研制了利用与生物肌肉有一定相似形的EAP驱动的水下机器人。该水下机器人框架两侧分别均布8个EAP制成的胸鳍，通过胸鳍作波浪式运动产生推力。通过水槽中实验，证明由EAP制成的胸鳍能够推动该机器人前进。该水下机器人的优点是结构简单，质量小，缺点是EAP的输出力比较小，难以使水下机器人达到较高的运行速度。利用电机、气动方式驱动的仿生胸鳍波动推进器结构较为复杂，而利用EAP驱动的仿生胸鳍波动推进器则输出力较小。鳐鱼是海洋中一种特殊的鱼类，它们不是像鲨鱼那样利用尾鳍摆动实现推进或者像鳗鱼那样利用身体波动实现推进，而是利用一对及其发达的、像鸟的翅膀一样的胸鳍波动实现推进。胸鳍以类似于正弦波波动的方式周期性地波动，产生持续的推力，使鳐鱼持续推进，当鳍的波动方向反向，则可以使鳐鱼向相反方向运动。不同种类的鳐鱼游动时沿着身体的轴线方向，在整个鳍的长度方向，有几分之一个到多于一个的波动波长，振幅也有所不同，以达到与其游动速度、生活习惯、生理等最为适合的游动模式。胸鳍的波动推进效率要略低于尾鳍摆动推进，但是这种推进方式灵活，而且可实现后退游动。图1为牛鼻魟，图2为东蟹魟，图3为乌贼。图4为鳍波动的横截面示意图(取一周期正弦波长)，n为自然数。鳐鱼一般游动速度低于3BL/s，BL为Body length，即鱼的体长。鳍的波动推进产生垂直于鳍的根部的力FN和平行于鳍的根部的力FP，如图5所示。图2所示的东蟹魟的尾鳍也有一定的推进作用，而且能作为舵来使用。这种胸鳍游动方式使鳐鱼非常适合潜伏在海底的泥沙中，伪装自己，等待猎物的出现或者避免其它动物的攻击。当要从海地的泥沙中游出时，胸鳍波动，鳐鱼便能从泥沙中游出。某些乌贼也喜好潜伏在泥沙中，以伪装自己。现有的水下机器人或者潜艇最多只能停留在较硬的海底层上，不可能实现用泥沙的伪装。这种潜伏在泥沙中的伪装方式如果能应用在水下机器人中，将使水下机器人的应用范围进一步拓宽，实现潜伏、监测等军事任务或者观察等科学研究的任务。
技术实现思路
针对现有的水下机器人存在质量大、体积大、噪音大，以及结构复杂、输出力小、速度慢的问题，本专利技术提供一种具有较小的体积和质量、结构简单并且无噪音、输出力大、速度快的水下机器人。一种形状记忆合金丝驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，它包括本体1和胸鳍2，所述胸鳍2包括至少四个与本体1连接的胸鳍波动关节3，所有胸鳍波动关节3分成两列且对称分布在本体1的两侧，在每列相邻两个胸鳍波动关节3之间连接有鳍膜4；所述胸鳍波动关节3是由弹性体5、形状记忆合金丝6、蒙皮7和基体9组成，所述弹性体5的两面都固定有形状记忆合金丝6，它们的外面包有蒙皮7，所述弹性体5及形状记忆合金丝6的端头通过基体9固定并与本体1连接；所述形状记忆合金丝6的端头与导线8连接。本专利技术的优点如下(1)结构简单，质量小。(2)用简单的动作的叠加实现了多种游动方式，包括反向游动、原地打转、转弯、上升和下潜等，运动灵活，游动效率较高。(3)由于使用功率密度极高的形状记忆合金作为驱动器，而没有使用电动机、齿轮等传统的体积较大的驱动装置，柔性关节也没有传统的滑动、转动等机构，泥沙等对其动作不会产生影响，使密封变得简单。(4)利用形状记忆合金自身的性质(如电阻等)即可实现反馈功能，不需要额外的检测元件，可以简化控制系统。(5)动作时没有声音，隐蔽性好，可以像鳐鱼一样潜伏在海底沙子中，需要执行任务时波动鳍便可从海底沙子中游出，在军事领域有着良好的前景，因此利于推广应用。附图说明图1为牛鼻魟外形图，图2为东蟹魟外形图，图3为乌贼外形图，图4为鳐鱼鳍波动的推进示意图，图5为鳐鱼鳍波动时的横截面及鳍波动时产生的力的方向示意图，图6是四关节胸鳍波动推进水下机器人外形示意图，图7是图6的俯视图，图8是图6的左视图，图9是胸鳍波动关节动作示意图，图10是具体实施方式一所述胸鳍波动关节3的结构示意图，图11是具体实施方式一所述具有单段胸鳍波动关节3的机器人的外形示意图，图12是四股形状记忆合金丝利用导线16进行串联联接的结构示意图，图13是四股形状记忆合金丝利用导线16进行并联联接的结构示意图，图14是四股形状记忆合金丝由一根形状记忆合金丝弯曲而成的结构示意图，图15是形状记忆合金丝6粘接到弹性体5上的结构示意图，图16是图15的俯视图，图17是图15的侧视图，图18是形状记忆合金丝6镶嵌到弹性体5上的结构示意图，图19是图18的俯视图，图20是图18的侧视图，图21形状记忆合金丝6在弹性体尖端处穿过弹性体5的结构示意图，图22是图21的俯视图，图23是图21的侧视图，图24是利用压板对形状记忆合金丝6进行固定的结构示意图，图25是图24的俯视图，图26是图24的侧视图，图27是形状记忆合金丝6固定到压板上之后再与弹性体5进行固定的结构示意图，图28是图27的俯视图，图29是图27的侧视图，图30是连接有外关节10的胸鳍波动关节3的结构示意图，图31为三个关节的波浪形运动示意图，图32是具体实施方式三所述机器人的装配爆炸示图，其中形状记忆合金丝之间并联联接，图33是具体实施方式三所述机器人的装配爆炸示图，其中形状记忆合金丝之间串联联接，图34是胸鳍关节动作时序示意图，图35是具体实施方式四所述机器人的主视图，图36是图35的俯视图，图37是图35的侧视图，图38是具体实施方式五所述十个单段关节的胸鳍波动推进仿生水下机器人的主视图，图39是图38的俯视图，图40是图38的侧视图，图41是具体实施方式五所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种形状记忆合金丝驱动的胸鳍波动推进仿生水下机器人，它包括本体（１）和胸鳍（２），其特征在于所述胸鳍（２）包括至少四个与本体（１）连接的胸鳍波动关节（３），所有胸鳍波动关节（３）分成两列且对称分布在本体（１）的两侧，在每列相邻两个胸鳍波动关节（３）之间连接有鳍膜（４）；所述胸鳍波动关节（３）是由弹性体（５）、形状记忆合金丝（６）、蒙皮（７）和基体（９）组成，所述弹性体（５）的两面都固定有形状记忆合金丝（６），它们的外面包有蒙皮７，所述弹性体（５）及形状记忆合金丝（６）的端头通过基体（９）固定并与本体（１）连接；所述形状记忆合金丝（６）的端头与导线（８）连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王振龙，杭观荣，曹国辉，王扬威，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]
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