一種水中機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水中機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著仿生學(xué)、機(jī)器人學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)、新型材料科學(xué)、自動(dòng)控制理論等學(xué)科的 不斷進(jìn)步，以及海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和軍事需求的增加，科研工作者把目光投向了長期生活在 水下的各種生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究上。與此同時(shí)，經(jīng)過幾億年的進(jìn)化以后，魚類具備了非常出 色的水下游動(dòng)能力，不僅可以長時(shí)間巡游保持低能耗、高效率，而且表現(xiàn)出良好的機(jī)動(dòng)性。 [0003]目前廣泛應(yīng)用的水下航行器基本都是采用螺旋槳推進(jìn)，由于在螺旋槳尾部的水流 分離、漩渦多、氣泡大等原因造成明顯的能量損失，其推進(jìn)效率只能達(dá)到40% ;而魚類推進(jìn) 效率可以達(dá)到80%以上。
[0004] 隨著近年來仿生生物學(xué)的應(yīng)用，魚類水下游動(dòng)的高機(jī)動(dòng)性，高效率，以及對(duì)環(huán)境擾 動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)在水下航行器備受推崇，且在民用、軍事領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
[0005] 目前常規(guī)類型的仿生機(jī)器魚大多采用剛性結(jié)構(gòu)，包含齒輪、鏈條等剛性傳動(dòng)構(gòu)件， 其動(dòng)力機(jī)構(gòu)大部分米用電機(jī)。
[0006] 如公開號(hào)為1939805A的中國專利申請(qǐng)公開了一種仿生機(jī)器魚，該仿生機(jī)器魚包 括魚殼體、胸鰭、尾部、探測(cè)部分、控制部分和浮力調(diào)節(jié)裝置，魚殼體與胸鰭和尾部通過傳動(dòng) 裝置連接，其中，胸鰭裝在與魚殼體兩側(cè)，與胸鰭之間動(dòng)以齒輪作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在步進(jìn)電機(jī) 的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和拍動(dòng)，尾部裝在魚殼體形成魚的尾鰭，尾部與魚殼體之間通過傳動(dòng)桿 連接，在直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)上下拍動(dòng)。
[0007] 該仿生機(jī)器魚通過傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力傳導(dǎo)，因此傳動(dòng)效率低，且采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)噪 聲大隱蔽性很差。不僅如此，由于為硬質(zhì)（剛性）結(jié)構(gòu)，受到外界沖擊時(shí)易產(chǎn)生錯(cuò)位，損壞 等缺點(diǎn)，整體抗壓和沖擊能力差，不能壓縮變形，對(duì)環(huán)境使能能力很差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有的機(jī)器魚整體抗壓和沖擊能力差，不能壓縮變形，對(duì)環(huán)境使能能力很差 的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種水中機(jī)器人。
[0009] -種水中機(jī)器人，包括軀干，軀干安裝有推進(jìn)鰭以及擺動(dòng)舵，所述軀干的材質(zhì)為可 形變材料，所述軀干上貼覆有使軀干發(fā)生形變的驅(qū)動(dòng)薄膜。
[0010] 本發(fā)明的軀干可以為硅膠、聚二甲基硅氧烷等材料制備。
[0011] 驅(qū)動(dòng)薄膜是利用智能軟材料的本征應(yīng)變產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，智能軟材料是指在外加激勵(lì) (不包含力場(chǎng)），例如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、光場(chǎng)、電磁場(chǎng)、熱磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生的自由形變相 對(duì)顯著并且肉眼可見的特殊材料，其為一種柔性材料，力學(xué)特性偏軟，剛度和模量很小，其 自由形變可恢復(fù)；本征應(yīng)變是指材料在外加激勵(lì)，例如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、光場(chǎng)、電磁場(chǎng)、熱磁 場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的形變，這種形變不需要依賴外界的力載荷，也即這種形變是材料本身產(chǎn) 生的，例如熱脹冷縮現(xiàn)象，這種形變產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力能使柔性智能機(jī)器魚器的柔性框架產(chǎn)生 周期性的形變，從而獲得流體周期性的驅(qū)動(dòng)力。
[0012] 作為優(yōu)選，本發(fā)明中所涉及的本征應(yīng)變?yōu)殡妶?chǎng)作用，即驅(qū)動(dòng)薄膜在驅(qū)動(dòng)電壓的作 用下使軀干發(fā)生形變。在使用時(shí)，需要外加驅(qū)動(dòng)電壓。
[0013] 驅(qū)動(dòng)薄膜在驅(qū)動(dòng)電壓的作用下發(fā)生形變（收縮和舒張）進(jìn)而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，由于軀 干的材質(zhì)為可變形材料，因此，隨著驅(qū)動(dòng)薄膜的形變軀干也會(huì)隨之形變，進(jìn)而帶動(dòng)安裝在軀 干上的推進(jìn)鰭動(dòng)作。
[0014] 推進(jìn)鰭有兩片，對(duì)稱分布在軀干兩側(cè)。每片推進(jìn)鰭包括：
[0015] 支撐骨架，一端固定在軀干上部，另一端向外延伸；
[0016] 隨動(dòng)膜，頂沿連接在支撐骨架上，底部逐漸朝軀干下部收攏。
[0017] 支撐骨架相對(duì)于隨動(dòng)膜的較硬，因此，當(dāng)推進(jìn)鰭動(dòng)作時(shí)，支撐架通在驅(qū)動(dòng)薄膜的伸 縮形變作用下上、下?lián)鋭?dòng)，此時(shí)，由于流體作用力，相對(duì)較軟的隨動(dòng)膜的形狀會(huì)發(fā)生變形而 產(chǎn)生水平的作用力，以推進(jìn)機(jī)器人前進(jìn)。
[0018] 作為優(yōu)選，本發(fā)明中支撐骨架材質(zhì)的剛度至少為隨動(dòng)膜材質(zhì)剛度的1000倍。
[0019] 為提高驅(qū)動(dòng)薄膜的驅(qū)動(dòng)力，所述軀干帶有鏤空區(qū)域，所述驅(qū)動(dòng)薄膜繃設(shè)在該鏤空 區(qū)域。
[0020] 所述驅(qū)動(dòng)薄膜包括至少一層上、下表面均覆有電極層的介電彈性體薄膜。
[0021] 介電彈性體薄膜越厚，形變量越大，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力也越大，但是由于受到介電彈性 體薄膜在高壓作用下才能發(fā)生形變，且對(duì)厚度過大時(shí)，即使施加大的驅(qū)動(dòng)電壓也只能發(fā)生 較小的形變。因此，為克服單層介電彈性體薄膜的驅(qū)動(dòng)能力有限的問題，通過疊加多層以提 高驅(qū)動(dòng)薄膜的整體驅(qū)動(dòng)力。
[0022] 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，驅(qū)動(dòng)薄膜中介電彈性體薄膜的厚度可根據(jù)機(jī)器人的尺寸調(diào)整，通 常尺寸越大，需要的驅(qū)動(dòng)力也越大，所需要的介電彈性體薄膜的層數(shù)也越多。
[0023] 所述驅(qū)動(dòng)薄膜中每層介電彈性體薄膜均處于等雙軸預(yù)拉伸狀態(tài)，預(yù)拉伸前的厚度 為1mm。預(yù)拉伸的拉伸比為3X3,可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況調(diào)整。
[0024] 作為優(yōu)選，相鄰兩層介電彈性體薄膜中，上層介電彈性體薄膜下表面的電極層與 下層介電彈性體薄膜下表面的電極層共用。
[0025] 本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)薄膜在實(shí)際使用時(shí)，針對(duì)任意一層介電彈性體薄膜，在其上、下表面 的電極層上施加驅(qū)動(dòng)電壓（本實(shí)施例為驅(qū)動(dòng)電壓大小為6kV~9kV)，通過外加驅(qū)動(dòng)電源提 供。
[0026] 當(dāng)有多層（至少兩層）介電彈性體薄膜時(shí)，施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，將所有極性相同的電 極層并聯(lián)后連接至驅(qū)動(dòng)電源的兩端。
[0027] 由于采用高壓驅(qū)動(dòng)，為避免漏電，所述驅(qū)動(dòng)薄膜上、下表面均設(shè)有絕緣保護(hù)層。
[0028] 本發(fā)明的擺動(dòng)舵為固定在軀干的兩側(cè)，擺動(dòng)舵靠近軀干的一端設(shè)有線圈，軀干與 擺動(dòng)舵的連接處的兩側(cè)分別設(shè)有永磁鐵，通過控制線圈的上電流的方向，控制擺動(dòng)舵的擺 動(dòng)方向從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。
[0029] 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還可以在軀干上設(shè)置有浮力裝置，以調(diào)節(jié)機(jī)器人的浮力大小。
[0030] 本發(fā)明中所有部件之間的連接均通過澆注或黏貼的方式實(shí)現(xiàn)。
[0031] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的水中機(jī)器人具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0032] (1)不需要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)力的使用效率高；
[0033] (2)不需要采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，噪聲小，隱蔽性強(qiáng)；
[0034] (3)為柔性結(jié)構(gòu)，整體抗壓和沖擊能力強(qiáng)，不能壓縮變形，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力很強(qiáng)。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本實(shí)施例的水中機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖2為本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面將結(jié)合符合和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0038] 如圖1所示，本實(shí)施例的機(jī)器人，包括：軀干1，軀干安裝有推進(jìn)鰭2以及擺動(dòng)舵3， 軀干1上貼覆有使軀干