一种形状记忆合金驱动的仿生尾鳍制造技术

本发明专利技术公开了一种形状记忆合金驱动的仿生尾鳍，属于水下机器人技术领域。包括：形状记忆合金弹簧，支撑板部件，座体，固定销和蒙皮。支撑板部件由PET薄板和气凝胶构成，PET薄板置于中间，两侧涂敷气凝胶。所述形状记忆合金弹簧对称布置在支撑板部件两侧，支撑板部件的上下两端分别固定连接座体，固定销通过座体上的孔将形状记忆合金弹簧，支撑板部件和座体过盈配合固定连接成一体。本发明专利技术具有柔性好、摆动幅度大、响应时间快、结构简单、可反复使用、成本低、无噪声、无磁性、便于安装等优点。在水下机器人领域有着广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种形状记忆合金驱动的仿生尾鳍
本专利技术涉及水下机器人
，具体涉及一种形状记忆合金驱动的仿生尾鳍。
技术介绍
随着科技的不断发展，人类对海洋资源的开发利用逐渐加深，因此，对于水下机器人的需求与要求也越来越高。作为水下机器人的一个分支，水下仿生机器人随着日益发展的海洋事业活动并同先进制造技术、智能材料的应用等学科，逐渐成为研究的热点。水下仿生机器人是一类以水生生物为仿生原型，模仿其游动或推进模式而设计出的能够实现水下交互作业的机器人，在众多水生生物中，鱼类因其非凡的水下运动能力以及游动时高效、低噪和高机动性的特点倍受各国仿生科研工作者的青睐。水下仿生机器鱼作为一个水下高技术仪器设备的集成体，在军事、民用、科研等领域体现出广阔的应用前景和巨大的潜在价值。水下仿生机器鱼是从模仿鱼类游动开始的，从最初利用电机驱动机械系统模仿鱼类尾部的摆动实现推进，发展到现阶段采用新型仿生材料和新型仿生驱动方式实现推进。提高了仿生机器人的推进效率和运动机动性。目前正向着材料与结构一体化的柔性驱动方向发展。近几十年来，各类性能优异的仿生机器鱼相继问世，大大提高了仿生水下机器人的游动效率、机动性和应对水下复杂环境的能力，充分展示了其广阔的应用前景和潜在价值。1994年，世界上第一条仿生机器鱼在美国麻省理工学院被成功研制，名为“RoboTuna”；2011年，北京航空航天大学机器人所研发的仿生牛鼻鲼样机，采用鳍条式驱动,对鳍条分别布置在身体两侧，每个鳍条通过伺服电动机驱动，其控制系统可实现手动控制、航向控制以及GPS导航游动三种控制模式；2013年，麻省理工学院电气工程与计算机科学系研制了新型气压驱动的仿生机器鱼，该机器鱼同时具备快速加速性能和持续运动能力。研究发现其逃生响应模式下的运动性能和可控性与真实鱼的接近。目前应用传统的电动、液压、气压方式驱动的大中型仿生机器鱼保持着游动速度快、驱动力大等明显的优势，已经在实际应用中发挥了一定的作用，然而在中小型机器鱼的应用上智能材料具有无可比拟的优势。相较于传统的驱动方式，形状记忆合金驱动具有结构简易、柔性好、噪声低以及易于产生复杂运动等优点，因此逐步成为了小型水下仿生机器人驱动器的主要发展趋势。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种形状记忆合金驱动的仿生尾鳍，具有柔性好、摆动幅度大、结构简单、可反复使用、成本低、无噪声、无磁性、便于安装等优点。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案，一种形状记忆合金驱动的仿生尾鳍，其特征在于，包括：形状记忆合金弹簧、支撑板部件、座体、固定销和蒙皮。支撑板部件由PET薄板和气凝胶构成，PET薄板置于中间，两侧涂敷气凝胶。所述形状记忆合金弹簧对称布置在支撑板部件两侧，支撑板部件的上下两端分别固定连接座体，固定销通过座体上的孔将形状记忆合金弹簧、支撑板部件和座体过盈配合固定连接成一体。优选地，所述形状记忆合金弹簧为CuZnAl双程记忆合金材料，采用多次电铸工艺制作而成的平面“S”型弹簧，“S”型弹簧参数构成如下：由5～10个“S”型单元构成，每个单元的间距m为3mm～5mm，优选5mm，每个单元长度L为40mm，每个单元的厚度b为0.03mm～0.09mm，“S”型弹簧的高度h为0.5mm～1.5mm。这是因为“S”型弹簧结构光滑过渡，可反复多次使用性能不下降，“S”型弹簧的刚度最大，且上述参数的选择，使得弹簧通电变形的驱动力和行程的综合性能较好。形状记忆合金弹簧两端具有矩形块，矩形块中间具有通孔，形状记忆合金弹簧表面镀锡，镀锡厚度为0.05mm～0.08mm，一方面锡对形状记忆合金弹簧进行保护，防止腐蚀，另一方面，锡质地柔软，熔点较低，形状记忆合金弹簧受热变形时，锡阻碍变形的抗力小。优选地，所述形状记忆合金弹簧的厚度b为0.05mm，高度为1mm。这是因为目前的电铸工艺，形状记忆合金弹簧的厚度一般不超过0.09mm，形状记忆合金弹簧厚度大，加工工艺费时费力，形状记忆合金弹簧厚度低，形状记忆合金弹簧多次使用后，形状记忆合金弹簧易断裂。同理，形状记忆合金弹簧的高度为1mm的加工和材料性能最优。这是因为目前的电铸工艺，形状记忆合金弹簧的高度一般不超过1.5mm，形状记忆合金弹簧高度高，加工工艺难度大，形状记忆合金弹簧高度低，形状记忆合金弹簧多次使用后，形状记忆合金弹簧易断裂。形状记忆合金弹簧的高度为1mm的加工和材料性能最优。优选地，所述形状记忆合金弹簧为加热时伸长的双程记忆合金弹簧，固定在支撑板部件两侧弹簧的预拉伸量为15％～25％。这是因为“S”型弹簧通电伸长的量为35％～40％。当一侧形状记忆合金弹簧通电伸长，另一侧形状记忆合金弹簧不通电的情况下，通电伸长的形状记忆合金弹簧必然要推动另一侧的形状记忆合金弹簧缩回，若另一侧的形状记忆合金弹簧本身进行预拉伸，则不需要通电形状记忆合金弹簧进行推动，本身的恢复抗力即拉动形状记忆合金弹簧回缩。如此设置，必然提高整个机构的驱动力和响应时间，为了保持机构的对称性，两侧形状记忆合金弹簧通电变形和恢复变形的能力要相一致，因此优选上述范围参数。优选地，所述形状记忆合金弹簧为加热缩短的双程记忆合金弹簧，固定在支撑板部件两侧形状记忆合金弹簧的预压缩量为15％～25％。优选地，所述支撑板部件两侧的形状记忆合金弹簧距离支撑板部件的距离相同，距离为1mm～3mm，进一步的，优选2.4mm。这是因为距离太远，机构变形的驱动力会降低，结构也比较大。距离太近，形状记忆合金弹簧弯曲变形有可能贴到支撑板上，形状记忆合金弹簧有可能刮伤支撑板上的气凝胶。优选地，所述PET薄板的厚度为1mm，气凝胶的厚度为0.3mm～0.5mm。优选地，座体和固定销为酚醛树脂制作而成，蒙皮为油毡材料。优选地，座体中间具有方形凹槽，凹槽的形状与支撑板部件形状相匹配，支撑板部件置于该方形凹槽内。如此设置，是因为支撑板的有效变形部分与形状记忆合金弹簧变形部分保持一致，形状记忆合金弹簧通电变形是从一端的矩形块指向另一端的矩形块，为了提高支撑板的有效变形部分，同时抑制非变形部分，因此支撑板两端置于座体的凹槽内。这样，支撑板的非有效变形部分的刚度比有效变形部分的刚度要大2000倍左右。座体两侧还具有与形状记忆合金弹簧端上矩形块相匹配的凹槽，形状记忆合金弹簧置于该凹槽内。本专利技术的有益技术效果体现在：平时，支撑板部件两侧承受的形状记忆合金弹簧的预拉伸力相同，尾鳍处于平衡状态。当给支撑板部件一侧的形状记忆合金弹簧通电(30V，2A)加热时，在热激励下形状记忆合金弹簧发生相变，另一侧的预拉伸或预压缩的形状记忆合金弹簧具有回复到原长的趋势，尾鳍两侧的形状记忆合金弹簧抗力失衡，带动支撑板部件弯曲变形，因此尾鳍摆向一侧。当通电加热的激励撤去后，尾鳍又能恢复到原来两侧的形状记忆合金弹簧抗力相同的状态，尾鳍重新回到原来平衡状态。支撑板部件选择PET材料作为支撑，是因为PET材料变形性能和恢复性能好，PET薄板两侧涂覆气凝胶，可有效绝热，防止支撑板部件一侧的形状记忆合金弹簧通电加热时，将热量传递到另一侧的形状记忆合金弹簧上。本专利技术在使用时，通过给支撑板部件两侧的形状记忆合金弹簧交替进行通断电，就可以实现尾鳍的连续左右摆动，并且只需要通过调节施加电压和通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种形状记忆合金驱动的仿生尾鳍，其特征在于，包括：形状记忆合金弹簧(1)、支撑板部件(2)、座体(3)、固定销(4)和蒙皮(5)。支撑板部件(2)由薄板和气凝胶构成，薄板材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯材料，薄板置于中间，两侧涂敷气凝胶。所述形状记忆合金弹簧(1)对称布置在支撑板部件(2)两侧，支撑板部件(2)的上下两端分别固定连接座体(3)，固定销(4)通过座体(3)上的孔将形状记忆合金弹簧(1)、支撑板部件(2)和座体(3)过盈配合固定连接成一体。

【技术特征摘要】
1.一种形状记忆合金驱动的仿生尾鳍，其特征在于，包括：形状记忆合金弹簧(1)、支撑板部件(2)、座体(3)、固定销(4)和蒙皮(5)。支撑板部件(2)由薄板和气凝胶构成，薄板材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯材料，薄板置于中间，两侧涂敷气凝胶。所述形状记忆合金弹簧(1)对称布置在支撑板部件(2)两侧，支撑板部件(2)的上下两端分别固定连接座体(3)，固定销(4)通过座体(3)上的孔将形状记忆合金弹簧(1)、支撑板部件(2)和座体(3)过盈配合固定连接成一体。2.如权利要求1所述的一种形状记忆合金驱动的仿生尾鳍，其特征在于：所述形状记忆合金弹簧(1)为CuZnAl双程记忆合金材料，采用多次电铸工艺制作而成的平面“S”型弹簧，“S”型弹簧参数构成如下：由5～10个“S”型单元构成，每个单元的间距m为3mm～5mm，优选5mm，每个单元长度L为40mm，每个单元的厚度b为0.03mm～0.09mm，“S”型弹簧的高度h为0.5mm～1.5mm。形状记忆合金弹簧(1)两端具有矩形块，矩形块中间具有通孔，形状记忆合金弹簧(1)表面镀锡，镀锡厚度为0.05mm～0.08mm。3.如权利要求1或2所述的一种形状记忆合金驱动的仿生尾鳍，其特征在于：所述形状记忆合金弹簧(1)的厚度b为0.05mm，高度为1mm。4.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜登云，
申请(专利权)人：孝感锐创机械科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42