一种形状记忆合金驱动的箱鲀型仿生机器鱼

1.本发明涉及水下仿生机器人，尤其涉及一种形状记忆合金驱动的箱鲀型仿生机器鱼。


背景技术：

2.在水下机器人领域中，传统航行器存在推进效率不足、噪声扰动大、易被发现等缺陷。鱼类的游动具有推进效率高、机动性能好、隐蔽性能好等优点，故仿生机器鱼逐渐成为研究的热点。传统的仿生机器鱼内置复杂的机械结构和动力元件，使得仿生机器鱼体积和重量较大，故以形状记忆合金为代表的智能材料驱动仿生机器鱼得到了更多的关注。
3.中国专利cn207860416u公开了一种基于形状记忆合金驱动的尾鳍驱动的仿生鱼，其利用了记忆合金来驱动尾鳍摆动，进而使仿生鱼向前运动，但其控制器对尾鳍的控制并不能还很好地实现控制其摆动方向，并且因记忆合金丝伸缩率、伸缩量小而导致仿生鱼游动速度较慢；中国专利cn108974301a公开了一种形状记忆合金驱动软体胸鳍仿生鱼，其控制结构简单，通过缠绕在记忆合金板的电阻丝来对记忆合金进行加热，进而使鱼游动，并且通过记忆合金弹簧转动鱼鳍进行上浮下沉；但是其使用记忆合金多、结构复杂，会使记忆合金达到相变温度时间增大进而降低了仿生鱼的运动性能。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明旨在提供一种结构简单的基于形状记忆合金驱动可以提高运动性能的箱鲀型仿生机器鱼。
5.技术方案：本发明所述的形状记忆合金驱动的箱鲀型仿生机器鱼，包括仿生鱼基体、胸鳍和柔性蒙皮，所述仿生鱼基体内部设置行程放大机构和记忆合金丝驱动机构，所述行程放大机构两端分别与胸鳍和记忆合金丝驱动机构连接，用于放大记忆合金伸缩量；所述胸鳍为t字型结构，包括连杆、固定连接部和对称设置在固定连接部两侧的上摆动部和下摆动部；上摆动部为z字型结构，两端沿竖向延伸，一端为迎水部，前面呈弧面，背面为平面，另一端为连接部，中间开有凹槽，凹槽两侧凸起设有通孔，用于与固定连接部连接；下摆动部与上摆动部相比，不同之处在于，连接部中间设有带通孔的凸起，用于与固定连接部连接；固定连接部包括凸字形限位块和限位块两端竖向延伸的安装块，安装块用于安装上摆动部和下摆动部；固定连接部的尾端延伸出管状凸台，用于固定连接部与连杆连接，连杆另一端与行程放大机构连接；施加电流时，记忆合金丝驱动机构的形状记忆合金丝加热收缩，行程放大机构运动，带动胸鳍向后摆动，后方水流推动上摆动部和下摆动部的迎水部的背面，胸鳍张开为仿生鱼提供向前的动力；停止施加电流时，形状记忆合金丝冷却恢复原长，记忆合金丝驱动机构的弹簧将滑块和记忆合金丝推至初始位置，行程放大机构运动，带动胸鳍向前摆动，前方水流推动上摆动部和下摆动部的迎水部的正面，鱼鳍闭合，水流对鱼鳍的阻力减小。
6.进一步的，所述记忆合金丝驱动机构包括由形状记忆合金丝和两组对称安装在仿
生鱼基体的z型梁架两侧的滑轨、弹簧、前端弹簧固定部和后端弹簧固定部，滑轨与其配合的滑块上开有通孔，滑块一端固定在对应的行程放大机构上，另一端与前端弹簧固定部连接；弹簧套设在前端弹簧固定部和后端弹簧固定部之间，前端弹簧固定部和后端弹簧固定部均包括开有通孔的凸台和限位柱，限位柱用于固定弹簧和限制弹簧形变，后端弹簧固定部固定在仿生鱼基体尾部的小凸台上，用于限制形状记忆合金丝伸缩方向并限制和固定弹簧；形状记忆合金丝一端固定在滑块上，另一端穿过前端弹簧固定部和后端弹簧固定部的通孔后，通过导线与控制器连接，形成导电通路。
7.进一步的，所述仿生鱼基体为仿箱鲀型，基体头部成拱形向前突出，拱形非封闭端与中间段水平的平面结构相连，尾部呈现梭形结构，从中间段向尾端中间逐渐收缩闭合，两侧为闭合平面，仿生鱼基体内部用于安装行程放大机构，记忆合金丝驱动机构。
8.进一步的，所述仿生鱼基体包括中间鱼体、外板和密封垫，中间鱼体头部为拱形向前突出，尾部为梭形，中间通过上下两个平面过渡连接，中间鱼体内设有z型梁架，两侧均固定有行程放大机构和记忆合金丝驱动机构；中间鱼体向内延伸，延伸部设有用于与外板固定的螺纹孔；中间鱼体内尾部处设有小凸台，用于固定记忆合金丝驱动机构；外板中间靠前部分设有与中间鱼体内贯通的直槽口型的凸台，用于连接胸鳍与柔性蒙皮的安装。
9.进一步的，所述柔性蒙皮为中空漏斗状结构，前端为圆形截面，并向尾部延伸成封闭曲面，柔性蒙皮尾端为直槽口型截面。
10.有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、胸鳍结构使得仿生机器鱼向前运动时，鱼鳍受到水流向前的推力，胸鳍的摆动结构在推力的作用下张开，增加鱼鳍与水的接触面积；鱼鳍回归原位时，受水的阻力影响，胸鳍的摆动结构会自动闭合以达到减小水阻力的目的；2、胸鳍通过单根形状记忆合金丝进行驱动，有利于形状记忆合金丝的快速形变，从而增大仿生鱼运动效率；3、剪叉式行程放大机构，弥补了形状记忆合金丝伸缩率和伸缩量小的不足；4、记忆合金丝会恢复原长时在弹簧的推动下使滑轨的滑块快速回到原始位置，提高了仿生鱼的运动效率。
附图说明
11.图1为本发明的结构示意图；
12.图2为密封垫的结构示意图；
13.图3为中间鱼体的结构示意图；
14.图4为外板的结构示意图；
15.图5为胸鳍的爆炸图
16.图6为胸鳍向后摆动时胸鳍的结构示意图；
17.图7为胸鳍向前摆动时胸鳍的正视图；
18.图8为胸鳍向前摆动时胸鳍的后视图；
19.图9为柔性蒙皮的结构示意图；
20.图10为行程放大机构的结构示意图；
21.图11为记忆合金丝驱动机构的结构示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明作进一步说明。
23.如图1所示，本发明所述仿生鱼包括仿生鱼基体1、胸鳍5、柔性蒙皮4、行程放大机构11、记忆合金丝驱动机构12。仿生鱼基体1为光敏树脂材料经3d打印制成，仿生鱼基体1为仿箱鲀型，头部成拱形向前突出，拱形非封闭端与中间段水平的平面结构相连，尾部呈现梭形结构，从中间段向尾端中间逐渐收缩闭合，两侧为闭合平面。仿生鱼基体1内部用于安装行程放大机构11和记忆合金丝驱动机构12。仿生鱼基体1包括中间鱼体15、外板3和密封垫2，在中间鱼体的两侧各安装一个外板3，并在外板3与中间鱼体15之间加装密封垫2，进而保证基体内部的良好密封。
24.如图2所示，密封垫2为硅胶材质，密封垫2为封闭中空的环形结构，其外轮廓与外板外轮廓相同，密封垫2上布置有一圈通孔，每个布置有通孔的部分会向中间突出一个半圆型弧面，密封垫2安装在中间鱼体15与外板3之间，通过螺钉拧紧后起到鱼体密封的作用。
25.如图3所示，中间鱼体15为光敏树脂材料经3d打印制成，中间鱼体15的内部有一z型梁架14用于两侧安装固定行程放大机构11和记忆合金丝驱动机构12；中间鱼体15周围向内延伸，并在延伸部布置有用于与外板固定的螺纹孔，在中间鱼体15后端设置一个小凸台13，用于固定记忆合金丝驱动机构12。
26.如图4所示，外板3为光敏树脂材料经3d打印制成，外板3整体为一个平面结构，其截面的外形轮廓与中间鱼体15外型轮廓相同，中间靠前部分有一中间镂空的直槽口型凸台31。外板3上的凸台31用于连接胸鳍5与柔性蒙皮4，平台上端布置有通孔，边缘布置有一圈通孔，用于通过螺钉与中间鱼体15连接。
27.如图5至图8所示，胸鳍5整体呈现t字型结构，由四部分组成，分为上摆动部52、下摆动部53、固定连接部51和连杆55。其中上摆动部52、下摆动部53和固定连接部51为光敏树脂材料经3d打印制成，连杆55为铝合金。摆动部52整体呈现z型形状，两端沿竖向延伸，一端为迎水部，前面呈弧面，背面为平面，另一端为连接部，中间开有凹槽，凹槽两侧凸起设有通孔，通孔通过子母铆钉与固定连接部51相连接。下摆动部53与上摆动部52相比，不同之处在于，连接部中间设有带通孔的凸起，通孔通过子母铆钉与固定连接部51相连接；固定连接部51包括凸字形限位块和限位块两端竖向延伸的安装块，安装块上设有通孔用可以通过子母铆钉与上摆动部52和下摆动部53相连接，在尾端突出平台后方突出一管状凸台54，其侧面布置有销钉孔，在插入连杆55后，通过销钉使固定连接部51与连杆55相连接。上摆动部52、下摆动部53和固定连接部51的前迎水面在完全在展开时呈一个弧形，以达到减小水阻力的目的。连杆55为中空金属圆管，前端一侧布置有一销钉孔，中间靠后部分布置一通孔，后端布置一处通孔，连杆55前端与固定连接部51相连接，另一端与外板凸台31、内部行程放大机构11相连接。
28.如图9所示，柔性蒙皮4是由硅胶倒入模具中，凝固后脱模制成，柔性蒙皮4整体为中空漏斗状结构，前端为圆形截面，并向尾部延伸成封闭曲面，尾端为直槽口型截面，柔性蒙皮4的前端与胸鳍5相连接，尾端与外板凸台31相接，将外板的凸台31密封。
29.如图10所示，行程放大机构11由剪叉式结构113和连接体111组成。剪叉式结构113由4根短连杆及4根长连杆组成，4根短连杆两端布置有通孔，4长连杆两端和中间布置有通孔，短连杆布置在剪叉式结构113的两端，每两个短连杆之间的一端通孔通过台阶螺钉112
相连，另一端与长连杆一端通孔通过子母铆钉相连，四根长连杆布置在剪叉式结构113的中间部位，长连杆之间通过三个通孔互相交叉式连接，长连杆的两端通孔通过子母铆钉互相连接，中间通孔利用台阶螺钉112相连。剪叉式结构一端通过台阶螺钉112与连接体111相连，另一端通过台阶螺钉112与滑轨的滑块1221连。连接体111为u型结构，连接体为光敏树脂材料经3d打印制成，其两端和底部布置有通孔。连接体111两端通孔与胸鳍连杆55相连接，底部通孔与剪叉式结构短连杆之间连接处的台阶螺钉112相连接。行程放大装置11作用为放大记忆合金丝伸缩量，当一端的记忆合金丝伸长或收缩时，另一端会通过剪叉式结构将其运动的行程放大两倍，进而达到增大鱼鳍摆动幅度的目的。行程放大装置11将剪叉式结构113安装固定在鱼体的z型梁架14和记忆合金丝驱动机构12上，并利用销钉将行程放大机构11与胸鳍的连杆55相连。
30.如图11所示，记忆合金丝驱动机构12由形状记忆合金丝、滑轨122、前端弹簧固定部123、后端弹簧固定部125和弹簧124组成。形状记忆合金丝长度为200mm，直径为0.3mm，其伸缩率约为5％。形状记忆合金丝一端固定在滑块1221上，另一端穿过前端弹簧固定部123和后端弹簧固定部125的通孔后，通过导线与控制器连接，形成导电通路。滑轨122水平安装在中间鱼体的z型梁架14的水平中间段上，用螺钉将滑轨的滑块的一端螺纹孔121与行程放大机构11的短连杆连接处通孔112固定在一起，用螺钉将滑块的另一端的螺纹孔与前端弹簧固定部123的前端通孔相连。前端弹簧固定部123的前端为一l型凸台，并在l型凸台两端部分设置有通孔，在l型凸台下端有一圆柱体，用于固定弹簧124和限制弹簧124形变。前端弹簧固定部123安装在滑轨的滑块1221上，用于连接形状记忆合金丝和滑轨122，并限制和固定弹簧124。后端弹簧固定部125的前端为一圆柱体，用于固定弹簧和限制弹簧形变，圆柱体后部为一l型凸台，并在两头部分设置有通孔。后端弹簧固定部125安装在鱼体内后部的小凸台13上，用于限制形状记忆合金丝伸缩方向并限制和固定弹簧124。弹簧124套在前端弹簧固定部123和后端弹簧固定部125的中间。形状记忆合金丝内部通有电流时，加热收缩，带动滑轨运动；当停止通电时，记忆合金丝会恢复原长并在弹簧124的推动下将滑块1221和记忆合金丝推动至初始状态，进而使滑轨的滑块1221带动剪叉式结构113进行伸缩，最终达到摆动鱼鳍的目的，使鱼运动。

技术特征：
1.一种形状记忆合金驱动的箱鲀型仿生机器鱼，包括仿生鱼基体(1)、胸鳍(5)和柔性蒙皮(4)，其特征在于，所述仿生鱼基体(1)内部设置行程放大机构(11)和记忆合金丝驱动机构(12)，所述行程放大机构(11)两端分别与胸鳍和记忆合金丝驱动机构连接，用于放大记忆合金伸缩量；所述胸鳍(5)为t字型结构，包括连杆(55)、固定连接部(51)和对称设置在固定连接部(51)两侧的上摆动部(52)和下摆动部(53)；上摆动部(52)为z字型结构，两端沿竖向延伸，一端为迎水部，前面呈弧面，背面为平面，另一端为连接部，中间开有凹槽，凹槽两侧凸起设有通孔，用于与固定连接部(51)连接；下摆动部(53)与上摆动部(52)相比，不同之处在于，连接部中间设有带通孔的凸起，用于与固定连接部(51)连接；固定连接部(51)包括凸字形限位块和限位块两端竖向延伸的安装块，安装块用于安装上摆动部(52)和下摆动部(53)；固定连接部(51)的尾端延伸出管状凸台(54)，用于固定连接部(51)与连杆(55)连接，连杆(55)另一端与行程放大机构(11)连接；施加电流时，记忆合金丝驱动机构(12)的形状记忆合金丝加热收缩，行程放大机构(11)运动，带动胸鳍(5)向后摆动，后方水流推动上摆动部(52)和下摆动部(53)的迎水部的背面，胸鳍(5)张开为仿生鱼提供向前的动力；停止施加电流时，形状记忆合金丝冷却恢复原长，记忆合金丝驱动机构(12)的弹簧将滑块和记忆合金丝推至初始位置，行程放大机构(11)运动，带动胸鳍(5)向前摆动，前方水流推动上摆动部(52)和下摆动部(53)的迎水部的正面，鱼鳍(5)闭合，水流对鱼鳍的阻力减小。2.根据权利要求1所述形状记忆合金驱动的箱鲀型仿生机器鱼，其特征在于，所述记忆合金丝驱动机构(12)包括由形状记忆合金丝和两组对称安装在仿生鱼基体(1)的z型梁架两侧的滑轨(122)、弹簧(124)、前端弹簧固定部(123)和后端弹簧固定部(125)，滑轨(122)与其配合的滑块(1221)上开有通孔，滑块(1221)一端固定在对应的行程放大机构(11)上，另一端与前端弹簧固定部(123)连接；弹簧(124)套设在前端弹簧固定部(123)和后端弹簧固定部(125)之间，前端弹簧固定部(123)和后端弹簧固定部(125)均包括开有通孔的凸台和限位柱，限位柱用于固定弹簧和限制弹簧形变，后端弹簧固定部(125)固定在仿生鱼基体(1)尾部的小凸台上，用于限制形状记忆合金丝伸缩方向并限制和固定弹簧；形状记忆合金丝一端固定在滑块(1221)上，另一端穿过前端弹簧固定部(123)和后端弹簧固定部(125)的通孔后，通过导线与控制器连接，形成导电通路。3.根据权利要求1所述形状记忆合金驱动的箱鲀型仿生机器鱼，其特征在于，所述仿生鱼基体(1)为仿箱鲀型，基体头部成拱形向前突出，拱形非封闭端与中间段水平的平面结构相连，尾部呈现梭形结构，从中间段向尾端中间逐渐收缩闭合，两侧为闭合平面，仿生鱼基体(1)内部用于安装行程放大机构，记忆合金丝驱动机构。4.根据权利要求1所述形状记忆合金驱动的箱鲀型仿生机器鱼，其特征在于，所述仿生鱼基体(1)包括中间鱼体(15)、外板(3)和密封垫(2)，中间鱼体(15)头部为拱形向前突出，尾部为梭形，中间通过上下两个平面过渡连接，中间鱼体(15)内设有z型梁架，两侧均固定有行程放大机构和记忆合金丝驱动机构；中间鱼体(15)向内延伸，延伸部设有用于与外板(3)固定的螺纹孔；中间鱼体(15)内尾部处设有小凸台，用于固定记忆合金丝驱动机构；外板(3)中间靠前部分设有与中间鱼体(15)内贯通的直槽口型的凸台(31)，用于连接胸鳍与柔性蒙皮的安装。5.根据权利要求1所述形状记忆合金驱动的箱鲀型仿生机器鱼，其特征在于，所述柔性蒙皮(4)为中空漏斗状结构，前端为圆形截面，并向尾部延伸成封闭曲面，柔性蒙皮尾端为
直槽口型截面。

技术总结
本发明公开了一种形状记忆合金驱动的箱鲀型仿生机器鱼，包括仿生鱼基体、胸鳍、柔性蒙皮和设于基体内的行程放大机构和记忆合金丝驱动机构，行程放大机构两端分别与胸鳍和记忆合金丝驱动机构连接；胸鳍包括为Z字型结构的上、下摆动部，竖向延伸两端分别为迎水部和连接部，迎水部的前面呈弧面，背面为平面；施加电流时，形状记忆合金丝收缩，行程放大机构带动胸鳍向后摆动，后方水流推动迎水部背面，胸鳍张开为仿生鱼提供向前的动力；停止施加电流时，形状记忆合金丝恢复原长，弹簧将滑块和记忆合金丝推至初始位置，行程放大机构带动胸鳍向前摆动，前方水流推动摆动结构的迎水部的正面，鱼鳍闭合，阻力减小。阻力减小。阻力减小。


技术研发人员：左家铭 苏世杰 周杰 张升鹤 马永良 张鸿源 张建
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.02.01
技术公布日：2023/5/11