形状记忆合金丝驱动的波动推进机构

摘要

一种形状记忆合金丝驱动的波动推进机构，它涉及一种推进机构。本发明解决了现有的MPF推进模式运动的波动推进器存在结构复杂、动作噪音大以及运动性能较差的问题。N个第一支架之间竖直设置，每个第一固定轴上均缠绕有第一形状记忆合金丝，每根第一形状记忆合金丝的一端固定在第一摆动块上，每根第一形状记忆合金丝的另一端固定在第一支架上；N个第二支架之间水平设置，每个第三固定轴上缠绕有上下平行设置的两根第三形状记忆合金丝，每根第三形状记忆合金丝的一端固定在第三摆动块上，每根第三形状记忆合金丝的另一端固定在第二支架上。本发明的推进机构结构简单、无噪声、体积小，动作灵活，不易受海底水草等水生植物的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种波动推进机构。

背景技术

随着海洋资源的开发和利用，水下机器人技术受到了科研工作者的广泛关注。传统的水下机器人大都采用耐压壳体结构和螺旋桨推进，机器人运动不够灵活，对环境扰动大，且运动宜受水下水草等水生植物影响。制造技术的发展和仿生学研究的深入推动了仿生水下机器人的研究，仿生水下机器人模仿鱼类等水生生物的推进方式运动，运动灵活，对环境扰动小，不受水生植物影响。

鱼类的推进模式可分为身体/尾鳍推进模式(body and/or caudal fin，BCF)和中央鳍/对鳍推进模式(Median and/or pair fin，MPF)两大类。BCF推进模式游动速度快，但机动性能差。MPF推进模式游动速度慢，但游动稳定性好、机动灵活。针对MPF推进模式的优点，各国学者研制了多种波动推进器。

已有的采用MPF推进模式运动的波动推进器大都采用电机驱动，推进器控制简单，输出功率大，但运动时电机有噪音，且机械结构复杂。采用气动方式推进的波动推进器，可控性好，但结构复杂，需要气源。采用电流驱动聚合物(Electroactive Polymer，EAP)驱动的波动推进器结构简单，质量小，但EAP的输出力较小。采用形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)薄板驱动的波动推进器，通过缠绕在薄板上的电阻丝对SMA进行间接加热，驱动过程中能量损失大，电阻丝与SMA薄板间需要绝缘。

发明内容

本发明的目的是为解决采用MPF推进模式运动的波动推进器存在结构复杂、动作噪音大以及运动性能较差的问题，进而提供了一种形状记忆合金丝驱动的波动推进机构。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

技术方案一：本发明的形状记忆合金丝驱动的波动推进机构包括N个第一摆动模块、N-1块第一柔性蒙皮和2N-2个第一连接轴，每个第一摆动模块包括第一支架、第一转轴、两个第一固定轴、两根第一形状记忆合金丝、第一鳍辐和第一摆动块，N个第一支架之间竖直设置，每个第一支架的后部安装有第一转轴，第一摆动块固套在第一转轴上，第一鳍辐的前端与第一摆动块固接两个第一固定轴安装在第一支架的前部，每个第一固定轴上均缠绕有第一形状记忆合金丝，每根第一形状记忆合金丝的一端固定在第一摆动块上，每根第一形状记忆合金丝的另一端固定在第一支架上；相邻两个摆动模块之间通过两个连接轴连接，相邻两个第一鳍辐上设置有第一柔性蒙皮，N为自然数，且2≤N≤100。

技术方案二：本发明的形状记忆合金丝驱动的波动推进机构包括N个第二摆动模块、N-1块第三柔性蒙皮和2N-2个第二连接轴，每个第二摆动模块包括第二支架、第三转轴、第三固定轴、两根第三形状记忆合金丝、第三鳍辐和第三摆动块，N个第二支架之间水平设置，每个第二支架的后部安装有第三转轴，第三摆动块固套在第三转轴上，第三鳍辐的前端与第三摆动块固接，第三固定轴安装在第二支架的前部，每个第三固定轴上缠绕有上下平行设置的两根第三形状记忆合金丝，每根第三形状记忆合金丝的一端固定在第三摆动块上，每根第三形状记忆合金丝的另一端固定在第二支架上，相邻两个第二摆动模块之间通过两个第二连接轴连接，相邻两个第三鳍辐上设置有第三柔性蒙皮，N为自然数，且2≤N≤100。

本发明具有以下有益效果：本发明利用智能材料形状记忆合金丝作为驱动器，模仿鱼类游动模式中的MPF推进模式，为仿生水下机器人提供了一种灵活的、无噪声的波动推进机构；本发明的推进机构结构简单、体积小，动作灵活，不易受海底水草等水生植物的影响；本发明推进机构通过模块设计可以组合成任意波动鳍辐数量和长度的波动鳍，应用该波动推进机构的仿生水下机器人可以行进在岩石沟缝、水草较多的海域，执行观测、潜伏等任务，利于推广应用。

附图说明

图1是形状记忆合金丝驱动的波动推进机构的主视图，图2是图1的左视图，图3是图1的俯视图，图4是本发明的摆动模块的立式结构立体图，图5是包含两个摆动模块立式结构的波动推进机构立体图，图6是立式摆动模块中形状记忆合金丝布置及连接示意图，图7是单鳍辐立式结构摆动模块示意图，图8是带有复位弹簧的立式结构摆动模块示意图，图9是单鳍辐带有复位弹簧的摆动模块立式结构立体图，图10是本发明的摆动模块卧式结构立体图，图11是包含两个摆动模块卧式结构的波动推进机构立体图，图12是卧式摆动模块中形状记忆合金丝连接示意图，图13是卧式摆动模块中形状记忆合金丝布置示意图，图14是单鳍辐卧式结构摆动模块示意图，图15是带有复位弹簧的卧式结构摆动模块示意图，图16是单鳍辐带有复位弹簧的卧式结构摆动模块示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～9所示，本实施方式的形状记忆合金丝驱动的波动推进机构包括N个第一摆动模块1、N-1块第一柔性蒙皮2和2N-2个第一连接轴3，每个第一摆动模块1包括第一支架4、第一转轴5、两个第一固定轴6-1、两根第一形状记忆合金丝7-1、第一鳍辐8和第一摆动块9，N个第一支架4之间竖直设置，每个第一支架4的后部安装有第一转轴5，第一摆动块9固套在第一转轴5上，第一鳍辐8的前端与第一摆动块9固接两个第一固定轴6-1安装在第一支架4的前部，每个第一固定轴6-1上均缠绕有第一形状记忆合金丝7-1，每根第一形状记忆合金丝7-1的一端固定在第一摆动块9上，每根第一形状记忆合金丝7-1的另一端固定在第一支架4上；相邻两个摆动模块1之间通过两个连接轴3连接，相邻两个第一鳍辐8上设置有第一柔性蒙皮2，N为自然数，且2≤N≤100。

本发明利用形状记忆合金丝7-1的记忆效应，通过记忆合金丝的收缩拉动第一摆动块9绕着第一转轴5转动，从而带动连接在第一摆动块9上的鳍辐8摆动。第一摆动模块1中的形状记忆合金丝都安装在一个平面内，且该安装平面可以与第一支架4的端面成一定的角度。本实施方式结构简单，动作灵活、可靠。

形状记忆合金丝7-1具有单程形状记忆效应。所述形状记忆合金丝不限定材料，只要马氏体相变点Ms和Mf高于环境温度，而马氏体逆相变温度As和Af稍高于环境温度。本实施方式中的第一形状记忆合金丝7-1采用通电加热方式驱动。通过控制记忆合金丝的通电时间可以方便的控制鳍辐的摆动角度。

本实施方式所述第一鳍辐8以差动方式工作，第一形状记忆合金丝7-1分布在第一摆动块9的两端，一侧第一形状记忆合金丝7-1通电收缩拉动第一摆动块9转动带动第一鳍辐8摆动，同时拉长相反侧的第一形状记忆合金丝7-1，第一形状记忆合金丝7-1冷却时，相反侧的第一形状记忆合金丝7-1通电收缩，拉动第一摆动块9向相反侧转动，带动第一鳍辐8向相反侧摆动，然后相反侧的第一形状记忆合金丝7-1冷却。这种差动式的往复运动，带动鳍辐周期摆动。

所述第一鳍辐8的材料为塑料、金属、橡胶或其它刚性较好的细杆，柔性蒙皮可以通过直接粘贴、穿入等方式连接到鳍辐上。该波动推进机构可以放置于封闭壳体中，仅将鳍辐8和柔性蒙皮2至于壳体外。还可以将整个推进机构至于工作介质中，如在液体中工作，为防止记忆合金丝7漏电，在其外面采用热缩管或其它绝缘材料包裹，并在接头处进行防漏电处理。

具体实施方式二：如图9所示，本实施方式每个第一摆动模块1还包括第一复位弹簧10，第一复位弹簧10设置在每个第一摆动块9与每个第一支架4之间。如此设计，第一形状记忆合金丝7-1通电加热，将第一摆动块9拉动到最大摆动位置后，第一记忆合金丝冷却时，第一复位弹簧10带动第一摆动块9使其回复到初始位置。采用第一复位弹簧10提供回复力，使第一摆动块9和第一鳍辐8在摆动过程中能够在第一形状记忆合金丝7冷却时，主动回复到初始位置。使得波动推进机构在停止运动时，所有鳍辐都能够保持在水平位置，便于机构的控制。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图4～6所示，本实施方式所述推进机构还包括N-1块第二柔性蒙皮2-1，所述第一摆动模块1还包括第二转轴5-1、两个第二固定轴6-2、两根第二形状记忆合金丝7-2、第二鳍辐8-1和第二摆动块9-1，每个第一支架4的前部安装有第二转轴5-1，第二摆动块9-1固套在第二转轴5-1上，第二鳍辐8-1的后端与第二摆动块9-1固接，两个第二固定轴6-2安装在第一支架4的后部，每个第二固定轴6-2上缠绕有第二形状记忆合金丝7-2，每根第二形状记忆合金丝7-2的一端固定在第二摆动块9-1上，每根第二形状记忆合金丝7-2的另一端固定在第一支架4上；相邻两个第二鳍辐8-1上设置有第二柔性蒙皮2-1。如此设计，每个第一摆动模块1上的第一鳍辐8和第二鳍辐8-1均可以单独摆动，波动推进机构两侧的柔性蒙皮可以以不同的波动规律运动。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图8所示，本实施方式每个第一摆动模块1还包括第二复位弹簧10-1，每个第二摆动块9-1与每个支架4之间设置有第二复位弹簧10-1。如此设计，使得波动推进机构在停止运动时，所有鳍辐都能够保持在水平位置，便于机构的控制。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：如图10～图16所示，本实施方式所述推进机构包括N个第二摆动模块11、N-1块第三柔性蒙皮12和2N-2个第二连接轴13，其特征在于：每个第二摆动模块11包括第二支架14、第三转轴15、第三固定轴16-1、两根第三形状记忆合金丝17-1、第三鳍辐18和第三摆动块19，N个第二支架14之间水平设置，每个第二支架14的后部安装有第三转轴15，第三摆动块19固套在第三转轴15上，第三鳍辐18的前端与第三摆动块19固接，第三固定轴16-1安装在第二支架14的前部，每个第三固定轴16-1上缠绕有上下平行设置的两根第三形状记忆合金丝17-1，每根第三形状记忆合金丝17-1的一端固定在第三摆动块19上，每根第三形状记忆合金丝17-1的另一端固定在第二支架14上，相邻两个第二摆动模块11之间通过两个第二连接轴13连接，相邻两个第三鳍辐18上设置有第三柔性蒙皮12，N为自然数，且2≤N≤100。

具体实施方式六：如图16所示，本实施方式的每个第二摆动模块11还包括第三复位弹簧20，第三复位弹簧20设置在每个第三摆动块19与每个第二支架14之间。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：如图10～13所示，本实施方式所述推进机构还包括N-1块第四柔性蒙皮12-1，所述第二摆动模块11还包括第四转轴15-1、第四固定轴16-2、两根第四形状记忆合金丝17-2、第四鳍辐18-1和第四摆动块19-1，每个第二支架14的前部安装有第四转轴15-1，第四摆动块19-1固套在第四转轴15-1上，第四鳍辐18-1的后端与第四摆动块19-1固接，第四固定轴16-2安装在第二支架14的后部，每个第四固定轴16-2上缠绕有上下平行设置的两根第四形状记忆合金丝17-2，每根第四形状记忆合金丝17-2的一端固定在第四摆动块19-1上，每根第四形状记忆合金丝17-2的另一端固定在第二支架14上，相邻两个第四鳍辐18-1上设置有第四柔性蒙皮12-1。其它组成及连接关系与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式八：如图15所示，本实施方式每个第二摆动模块11还包括第四复位弹簧20-1，第四复位弹簧20-1设置在每个第四摆动块19-1与每个第二支架14之间。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

工作原理：

形状记忆合金是一种具有形状记忆效应，能感知温度和位移，并能将热能转换成机械能的功能材料。一般金属受到外力作用后，首先发生弹性变形，当外力足够大时，材料变形达到或超过其屈服极限时，金属将产生塑性变形，当应力去除后留下永久变形。对于形状记忆合金而言，当合金处于低温马氏体相时，卸载后同样发生的很大变形，但将其加热到某临界温度(逆相变点)以上时，能够通过逆相变完全恢复其原始形状，这种现象就称之为形状记忆效应(Shape Memory Effect，SME)。形状记忆效应可分为单程形状记忆效应，双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。本发明就是利用了形状记忆合金的上述功能，将其制成形状记忆合金丝作为波动推进机构的驱动器，从而为波动推进机构的运动提供能量。