專利名稱：一種水下微型仿生機器魚的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種仿生、微型機器人，具體地說微型仿生機器魚。
(二)
背景技術：
目前國內外已經或正在研制一些微型仿生機器人，比如一些多足昆蟲，可以 在不規(guī)則地面行走；微型偵査蝴蝶，可以用于敵軍監(jiān)視。這些仿生微型機器昆蟲 的最大特點就是體積小、重量輕、低噪音甚至無噪音。隨著精密加工技術的發(fā)展 和新型智能材料的研發(fā)，國內外一些研究機構開始開拓水下微型潛器的研究領 域。傳統(tǒng)意義上的水下潛器體積巨大，整體機構復雜而且噪音較高，雖然經過多 年不懈完善己經出現不少能夠穩(wěn)定工作又令人滿意的產品，但是它們也只是工作 在空間寬闊的水下領域，水下空隙等區(qū)域卻少有問津。
水下生物的推進方式已經有很多研究者進行系統(tǒng)的分類和總結，推進效率最 高的為擺尾式驅動的魚類，典型代表為金槍魚；而水母和烏賊魚的噴水推進方式 是最簡單的推進方式，也應該給予高度重視。
目前關于仿生魚的公開報道也很多，例如專利申請?zhí)枮?00710071834.1、 名稱為"機器仿生水母"；中國博士學位論文全文數據庫中，2006中公開的"NiTi 記憶合金動態(tài)特性實驗研究及其在仿生機器魚上的應用"；中國優(yōu)秀碩士學位論 文全文數據庫，2007中公開的"基于ICPF的八足水下步行仿生微機器人的研究 與設計"等技術方案等。
(三)

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種體積小，運動靈活，超低噪音并且能在水中能進 行三個自由度的運動，能夠進行簡單的蔽障的一種水下微型仿生機器魚。 本發(fā)明的目的是這樣實現的
它包括一個半球形頭部、 一個軀體和一對推動尾，半球形頭部前端安裝有兩 個微型紅外光電傳感器，軀體連接于半球形頭部和推動尾之間；所述的軀體是由 記憶合金彈簧和記憶合金彈簧外的輕質壓簧組成的伸縮軀體，所述的一對推動尾 是兩片ICPF材料，并排連接于伸縮殼體的兩側；記憶合金彈簧、ICPF分別通過導線與外界電路相連。 本發(fā)明還包括
1、 軀體與半球形頭部、軀體與推動尾之間通過橡膠環(huán)形連接塊連接。
2、 兩個環(huán)形連接塊各半嵌于輕質彈簧的兩端，記憶合金彈簧穿過環(huán)形連接 塊的孔后掛在絕緣棒上，ICPF尾片粘貼在軀體與推動尾之間的橡膠環(huán)形連接塊 外。
3、 半球形頭部腔內黏附有填充物。
4、 在魚體的最外側包裹有塑料薄膜。
5、 所述的記憶合金彈簧為并聯的兩段，兩段記憶合金彈簧外包覆有聚四氟 乙烯薄膜。
6、 在ICPF片末端粘結扇狀硬質料片，導線通過電極夾與ICPF相連。 半球形的頭部前端安裝有兩個微型紅外光電傳感器，用于感受外界障礙物的
接近； 一個伸縮軀體用于改變體積，實現上浮和下潛的動作； 一對推動尾，協(xié)調 動作，實現平面內的前進和轉向。
半球形頭部用于減小水流的阻力，其內腔頂端并排安裝有兩個紅外光電反射 式傳感器。半球形內腔其余部分的空腔用于黏附填充物，作為抵消浮力配重使用。
伸縮殼體通過改變體積來實現魚體在水中的上浮下潛，殼體的伸縮由記憶合 金和輕質彈簧制作的往復驅動機構來控制。
擺動尾由兩片ICPF并排安放于伸縮殼體兩側構成。
該發(fā)明可以在狹小有限空間內進行三自由度的運動，并且可以進行簡單的蔽 障。三自由度運動實現過程為-
1、 上浮狀態(tài)伸縮體全部展開狀態(tài)，這時總體體積最大，魚體浮于貼近水 面的位置；壓簧處于完全放松狀態(tài)，兩根記憶合金彈簧被迫拉長并且沒有電流通
過；ICPF制作的擺尾無運動。
2、 下潛狀態(tài)伸縮體全部或局部收縮狀態(tài)，這時總體體積變小，在總體質 量一定的情況下魚體下沉，向下移動遠離初始漂浮的位置實現垂直方向的運動； 此時兩根記憶合金彈簧被持續(xù)通電，受熱收縮。輸出的拉力迫使壓簧收縮，魚體 體積變小實現下沉；魚體收縮的幅度通過改變記憶合金的電流強度來控制，通電
電流越大，魚體的收縮越明顯，但為保護記憶合金，通電電流不會超過1A;此時ICPF制作的擺動尾不運動。
3、 平面內運動當上浮或下潛運動結束后，微型魚體會停留在水下某一位
置，記憶合金與壓簧保持當時狀態(tài)不變，ICPF同時向內側或外側擺動，夾水推 進實現水平直線運動；左轉時，左側ICPF左擺，右側ICPF不動；右轉時，右側 ICPF右擺，左側ICPF不動。
4、 簡單的垂直方向蔽障在魚體頭部并列安裝兩個微型傳感器，用于感受 正前方障礙物，該傳感器為一種反射式光電開關，包括一個紅外光線發(fā)射端和一 個紅外接收端，發(fā)射端以規(guī)定頻率向前發(fā)射紅外線，當前方出現障礙物，紅外光 線被反射，由接收端接收，產生電信號，通知記憶合金通電，收縮，減小體積， 魚體下沉避開上方障礙。
本發(fā)明有別于傳統(tǒng)的，使用電機制作的驅動機構，該發(fā)明呈現了一種低電壓 驅動的、新型智能材料驅動的、無噪音的，水下微型仿水母式機器魚。是在研究 了一些常見魚類的運動方式后，綜合了水母上浮下潛以及魚類擺尾前進的特點而 設計的。其驅動方式主要參考了擺尾魚類和水母的上浮下潛的運動方式。驅動材 料使用形狀記憶合金SMA(shape memory alloy)和離子聚合物ICPF(ionic conducting polymer film)。
(四)


圖l是本發(fā)明的結構主視圖； 圖2是圖1的側視圖3是本發(fā)明的一種實施方式的軀體部分的連接關系圖； 圖4是本發(fā)明的一種實施方式的推動尾部分的連接關系圖。
(五)
具體實施例方式
下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述
結合圖1合圖2，水下微型仿生機器魚的組成包括一個半球形頭部9、 一個
軀體和一對推動尾，半球形頭部前端安裝有兩個微型紅外光電傳感器l，軀體連
接于半球形頭部和推動尾之間；所述的可伸縮軀體由記憶合金彈簧3和記憶合金 彈簧外的輕質壓簧4組成；所述的一對推動尾是兩片ICPF材料7與扇形塑料薄 片8粘結制成，并排安裝于伸縮殼體的兩側。記憶合金彈簧、ICPF分別通過導 線與外界電路相連。同時結合圖3和圖4，軀體與半球形頭部、軀體與推動尾之間通過橡膠環(huán)形連接塊2、 6連接。環(huán)形連接塊半嵌于輕質彈簧的兩端，記憶合 金彈簧穿過環(huán)形連接塊的孔后掛在絕緣棒ll、 12上，ICPF通過電機夾粘貼在軀 體與推動尾之間的橡膠環(huán)形連接塊外。半球形頭部腔內黏附有填充物。在魚體的 最外側包裹有塑料薄膜5。所述的記憶合金彈簧為并聯的兩段，兩段記憶合金彈 簧外包覆有聚四氟乙烯薄膜。在ICPF片末端粘結扇狀硬質塑料片8，導線13通 過電極夾14與ICPF相連。
整個魚體長以厘米計算，為有纜控制，由極輕導線與外界電路相連。導線極 細極輕且對微型魚體運動的影響幾乎可以忽略。采用的是絲徑0. 2mm的鎳鈦形狀 記憶合金絲制成的直徑為lmm的記憶合金彈簧。用于支撐魚體的輕質壓簧的外直 徑為10mm，長25min。記憶合金與壓簧的連接處為橡膠制成的規(guī)則柱體，截面為 圓環(huán)形，絕緣、易于加工并且便于安裝。該橡膠制品做成的連接塊半嵌于壓簧之 內，壓簧的兩端均包裹在該橡膠柱體的外側，三者在壓縮彈簧形變過程中作為一 個整體運動。為使記憶合金彈簧輸出的力更加明顯，我們將兩段記憶合金并聯使 用，將它們穿過橡膠連接物中的圓孔，貫通于壓縮彈簧的內部，而記憶合金兩端 的接頭掛在絕緣棒上，固定在橡膠接頭的最外側。這樣一來，當記憶合金收縮時 會將壓力傳給橡膠接頭，由橡膠接頭壓縮彈簧，從而改變魚體體積。橡膠接頭并 不柔軟，不會產生明顯形變來損耗記憶合金因收縮產生的壓力。
然后，在魚體的最外側包裹塑料薄膜，緊貼橡膠接頭和壓簧。為解決記憶合 金相互交纏、碰觸壓縮彈簧內壁造成的漏電問題，使用常見的聚四氟乙烯薄膜分 別包裹兩段記憶合金，這種聚四氟乙烯薄膜非常柔軟，輕薄得幾乎透明，并且具 有防水作用。由于記憶合金足夠細，相變溫度較低，外界驅動電壓6V左右就足 夠了。紅外光電反射式傳感器嵌于半球形頭部，有引線與外界相連，其經光線反 射輸出的電信號只用于控制記憶合金的伸縮。頭部填充物選用硅膠，在通電情況 下(電流不超過1A)硅膠只會變軟而不會融化。
最后在伸縮主體尾部添加一對擺動尾，該擺動尾由ICPF材料制成，為增加 該材料的擺動效果。末端粘結扇狀硬質塑料片。ICPF由電極夾持，用輕質導線 與外界相連。
權利要求
1. 一種水下微型仿生機器魚，它包括一個半球形頭部、一個軀體和一對推動尾，半球形頭部前端安裝有兩個微型紅外光電傳感器，其特征是軀體連接于半球形頭部和推動尾之間；所述的軀體是由記憶合金彈簧和記憶合金彈簧外的輕質壓簧構成的伸縮軀體，所述的一對推動尾是兩片并排安放在伸縮殼體兩側ICPF片；記憶合金彈簧、ICPF分別通過輕質導線與外界電路相連。
2、 根據權利要求1所述的一種水下微型仿生機器魚，其特征是軀體與半球形頭部、軀體與推動尾之間通過橡膠環(huán)形連接塊連接。
3、 根據權利要求2所述的一種水下微型仿生機器魚，其特征是兩塊環(huán)形連接塊各半嵌于輕質彈簧的兩端，記憶合金彈簧穿過環(huán)形連接塊的孔后掛在絕緣棒上，ICPF片粘貼在軀體與推動尾之間的橡膠環(huán)形連接塊外。
4、 根據權利要求l、 2或3所述的一種水下微型仿生機器魚，其特征是半球形頭部腔內黏附有填充物。
5、 根據權利要求4所述的一種水下微型仿生機器魚，其特征是在魚體的最外側包裹有塑料薄膜。
6、 根據權利要求5所述的一種水下微型仿生機器魚，其特征是所述的記憶合金彈簧為并聯的兩段，兩段記憶合金彈簧外及與導線接頭處包覆有聚四氟乙烯薄膜。
7、 根據權利要求6所述的一種水下微型仿生機器魚，其特征是在ICPF 片末端粘結扇狀硬質塑料片，導線通過電極夾與ICPF相連。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種水下微型仿生機器魚。它包括一個半球形頭部、一個軀體和一對推動尾。半球形頭部前端安裝有兩個微型紅外光電傳感器，軀體連接于半球形頭部和推動尾之間；所述的軀體是由記憶合金彈簧和套在記憶合金彈簧外的輕質壓簧組成的可伸縮軀體；所述的推動尾是兩片并排安放在伸縮殼體兩側的ICPF魚尾。記憶合金彈簧、ICPF分別通過輕質導線與外界電路相連。本發(fā)明呈現了一種低電壓供電的、新型智能材料驅動的、超低噪音的，水下微型仿生機器魚。本發(fā)明是在研究了一些常見魚類的運動方式后，綜合了水母上浮下潛以及魚類擺尾前進的特點而設計的。
文檔編號B63H1/00GK101293565SQ200810064358
公開日2008年10月29日 申請日期2008年4月23日 優(yōu)先權日2008年4月23日
發(fā)明者葉秀芬, 天 王, 王興梅, 胡婭南, 蘇玉東, 郭書祥 申請人:哈爾濱工程大學