一种基于形状记忆合金、爆炸和螺旋桨的七模态混合驱动水下机器人

1.本发明属于软体机器人领域，具体涉及一种基于形状记忆合金、爆炸和螺旋桨的七模态混合驱动水下机器人。


背景技术：

2.传统机器人大多由刚性材料制成，其结构的复杂性、较低的灵活性限制了机器人的工作空间；刚性材料的高重量、大噪音又限制了机器人的操作便捷性。为突破传统机器人领域发展的限制，软体机器人被开发并逐渐发展起来。软体机器人指自身的主体材料往往采用柔性材料制作而成的智能执行设备，能够适应各种非结构化环境，与人类的交互也更安全。使用柔性材料使得软体机器人相比传统机器人具有更高的灵活性，并其具有极大的模仿生物运动的潜力，可与仿生学结合设计研究软体机器人的驱动及工作方式。区别于传统机器人电机驱动，软体机器人的驱动方式主要取决于所使用的变刚度材料；一般有介电弹性体(de)、离子聚合物金属复合材料(ipmc)、形状记忆合金(sma)、形状记忆聚合物(smp)、化学放能反应等等，从响应的物理量暂时分为如下几类:电场、压力、磁场、光、温度。但是，一般软体驱动方式存在一个较大的缺陷就是不能够产生快速与较大的驱动力，爆炸放能使柔性膜大变形驱动可以达到快速响应、高速驱动的目的，但面临不够稳定、难以精确控制的缺点。


技术实现要素：

3.针对现有软体机器人领域存在的问题，本发明提出一种基于形状记忆合金、爆炸和螺旋桨的七模态混合驱动水下机器人。
4.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于形状记忆合金、爆炸和螺旋桨的七模态混合驱动水下机器人，其特征在于，水下机器人为鳐鱼形状，包括形状记忆合金驱动模块、爆炸驱动模块、螺旋桨驱动模块、机器人主体模块和外壳模块；其中形状记忆合金驱动模块、爆炸驱动模块和螺旋桨驱动模块分别位于机器人主体模块的两侧、中后部和前端，外壳模块覆盖于形状记忆合金驱动模块和机器人主体模块的表面；所述记忆合金驱动模块、爆炸驱动模块和螺旋桨驱动模块之间的任意组合使用实现水下机器人七种模态的混合驱动；
5.形状记忆合金驱动模块为鳐鱼的胸鳍部分，在电路的控制下进行加热与冷却，实现胸鳍形态的改变，以带动水下机器人前进；
6.爆炸模块通过化学燃烧反应，产生爆轰波，推动活塞排水，海水对机器人的反作用力使机器人加速前进；
7.螺旋桨驱动模块通过电路控制螺旋桨转动，带动机器人前进；
8.机器人主体模块内含七模态混合驱动的控制电路和重心调节器；
9.外壳模块以基于碳纳米管的人造肌肉作为外部结构，以吸波材料作为表皮材料，
使机器人拥有坚韧稳定和雷达隐形的特性。
10.进一步地，在这七种模态中，其中三种模态为混合驱动水下机器人的正常运行模态：分别是：
11.a.全速前进模式，即形状记忆合金、爆炸、螺旋桨共同驱动模式；
12.b.正常巡航模式，即形状记忆合金驱动模式；
13.c.遇险摆脱模式，即爆炸、螺旋桨共同驱动模式。
14.进一步地，形状记忆合金驱动模块装有形状记忆合金片、隔热弹性体、硅胶蒙皮、弹性鳍面和柔性胸鳍前缘；其中形状记忆合金驱动模块、爆炸驱动模块和螺旋桨驱动模块分别位于机器人主体模块的两侧、中后部和前端，外壳模块覆盖于形状记忆合金驱动模块和机器人主体模块的表面。
15.当机器人处于正常巡航模式时，形状记忆合金片控制柔性胸鳍前缘部分带动弹性鳍面摆动，使机器人保持平稳游动；隔热弹性体隔绝两侧形状记忆合金片间的热传导，并和硅胶蒙皮一起在胸鳍摆动过程中储存与释放弹性势能，提高能量利用效率；当机器人开启遇险摆脱模式时(起步或遇险)时形状记忆合金驱动模块将通过形状记忆合金片的加热变形而蜷缩起来，环抱在机器人主体模块上，最大化地减小阻力，通过爆炸、螺旋桨共同驱动帮助机器人完成弹射。
16.进一步地，形状记忆合金片使用具有双向记忆功能的合金片来模仿鳐鱼胸鳍的变形过程，合金在加热温度超过th时，发生弯曲变形；冷却温度到低于t
l
时，又自动收缩回平直状态；再加热时，再次弯曲；这个过程反复进行带动水下机器人前进，形状记忆合金显示出能分别记忆冷和热状态下原有形状的能力。
17.进一步地，爆炸驱动模块内包括化学燃料储备单元和驱动腔室，其中驱动腔室内包括放能反应激励装置、化学燃料进料口和硅胶柔性膜；化学燃料储备单元通过化学燃料进料口以一定的速率流入液氢和液氧，在驱动腔室中通过放能反应激励装置持续地发生燃烧反应；驱动腔室外壳使用高分子材料构成，重量轻且能起到隔绝燃烧的作用，硅胶柔性膜设置在驱动腔室底部，驱动时腔室内产生的爆轰波使硅胶膜膨胀变形，推动活塞排水，海水对机器人的反作用力使机器人加速。
18.进一步地，机器人主体模块包括锂电池、控制电路和重心调节器；锂电池作为电源，通过控制电路控制形状记忆合金片的通断电以改变形状记忆合金驱动模块的形态，也为螺旋桨转动供电；重心调节器由一对正交的直线步进电机组成，电机带动各自滑台轴向移动，以达到改变水下机器人重心的目的，实现机器人转向及俯仰姿态的切换。
19.进一步地，外壳模块包括外部结构和表皮材料，外部结构采用以碳纳米管为基础的人造肌肉构成，碳纳米管包含在弹性硅橡胶中，表皮材料采用吸波材料制成，利用该吸波材料的介质损耗使电磁波能量转换为其他形式能量，从而达到雷达隐形的目的。
20.本发明的有益效果：提出了一种基于形状记忆合金、爆炸和螺旋桨的七模态混合驱动水下机器人，形状记忆合金驱动、爆炸驱动和螺旋桨驱动三种方式分别具有平稳游动、高加速度和快速游动的优点，本水下机器人具有形状记忆合金驱动、爆炸驱动、螺旋桨驱动、形状记忆合金+爆炸驱动、形状记忆合金+螺旋桨驱动、爆炸+螺旋桨驱动和形状记忆合金+爆炸+螺旋桨驱动总计七种模态的驱动方式，驱动方式多样，机器人在水下能够非常灵活地完成运动。本发明提出的七模态混合驱动水下机器人最大化地开发了水下混合驱动潜
力，给机器人运动控制提供了巨大的可能性与想象空间，机器人具有环境适应性高的优点，能够迅速启动、灵活运动。
附图说明
21.图1为本发明整机外观示意图；
22.图2为本发明形状记忆合金的编程过程和双向记忆效果示意图；
23.图3为本发明形状记忆合金驱动模块局部示意图；
24.图4为本发明运动姿态示意图；
25.图5为本发明控制电路时序示意图；
26.图6为本发明驱动腔室局部示意图；
27.图7为本发明爆炸驱动模块局部示意图；
28.图8为本发明螺旋桨驱动模块局部示意图；
29.图9为本发明重心调节器局部示意图；
30.图10为本发明外壳模块局部示意图；
31.图中：形状记忆合金驱动模块1；爆炸驱动模块2；螺旋桨驱动模块3；机器人主体模块4；外壳模块5；形状记忆合金片101；隔热弹性体102；硅胶蒙皮103；弹性鳍面104；柔性胸鳍前缘105；化学燃料储备单元201；驱动腔室202；放能反应激励装置203；化学燃料进料口204；硅胶柔性膜205；螺旋桨301；锂电池401；控制电路402；重心调节器403；外部结构501；表皮材料502；人造肌肉503；吸波材料504。
具体实施方式
32.以下结合说明书附图来进一步说明本发明。
33.以图1所示为例解释该水下机器人的外观构造。可以看到机器人主要包括形状记忆合金驱动模块1、爆炸驱动模块2、螺旋桨驱动模块3、机器人主体模块4和外壳模块5。其中形状记忆合金驱动模块1、爆炸驱动模块2和螺旋桨驱动模块3分别位于机器人主体模块4的两侧、中后部和前端，外壳模块5覆盖于形状记忆合金驱动模块1和机器人主体模块4的表面；所述记忆合金驱动模块1、爆炸驱动模块2和螺旋桨驱动模块3之间的任意组合使用实现水下机器人七种模态的混合驱动；在这七种模态中，其中三种模态为混合驱动水下机器人的正常运行模态：分别是：
34.a.全速前进模式，即形状记忆合金、爆炸、螺旋桨共同驱动模式；
35.b.正常巡航模式，即形状记忆合金驱动模式；
36.c.遇险摆脱模式，即爆炸、螺旋桨共同驱动模式。
37.以图2所示为例解释该水下机器人形状记忆合金101的编程过程和双向记忆效果。形状记忆合金驱动模块1为鳐鱼的胸鳍部分，在电路的控制下进行加热与冷却，实现胸鳍形态的改变，以带动水下机器人前进；形状记忆合金驱动模块1装有形状记忆合金片101、隔热弹性体102、硅胶蒙皮103、弹性鳍面104和柔性胸鳍前缘105；其中形状记忆合金驱动模块1、爆炸驱动模块2和螺旋桨驱动模块3分别位于机器人主体模块4的两侧、中后部和前端，外壳模块5覆盖于形状记忆合金驱动模块1和机器人主体模块4的表面。形状记忆合金101是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料。
高温下(加热温度超过th)对形状记忆合金101施加荷载使其变形拉直，保持该形状不变冷却至常温(冷却温度到低于t
l
)，再次升温时，形状记忆合金101会在高温下自主变形恢复弯曲状态。形状记忆合金101在高温和低温下呈现两种不同的形状，并且这个过程能够反复进行。机器人中的形状记忆合金片101只需通过通电加热与断电冷却便可发生相应的形变，既可用于加速状态下的变形，也能支持平稳状态下的游动，驱动方便且噪音较低。
38.以图3、图4所示为例解释该水下机器人形状记忆合金驱动模块1在控制电路402控制下改变运动姿态的原理。当机器人处于c遇险摆脱模式，即机器人有加速的需求时(起步或者遇险)，控制电路402会持续通电对形状记忆合金驱动模块1鳍面中的形状记忆合金片101加热使其弯曲，形状记忆合金驱动模块1因此会蜷缩起来，环抱在机器人主体上，最大化地减小阻力，帮助机器人完成弹射，以达到更高速度。遇险摆脱模式的提出放大了爆炸驱动的优势，即高加速度，为特殊场景的应用提供便利，也为水下机器人的发展提供了一种思路。如图5所示，当机器人处于正常巡航模式时，控制电路402会按时序通电对胸鳍前缘部分的形状记忆合金片101周期性差时加热和冷却，控制柔性胸鳍前缘105部分带动弹性鳍面104摆动，使机器人保持平稳游动；控制电路402先对本侧形状记忆合金片101通电加热使其带动形状记忆合金驱动模块1前缘部分弯曲，同时拉伸对侧的形状记忆合金片101；达到最大幅度后本侧断电，恢复后对对侧形状记忆合金片101通电加热使其带动形状记忆合金驱动模块1前缘部分向该侧方向弯曲，同时拉伸本侧的形状记忆合金片101。由此，形状记忆合金驱动模块1前缘部分在两片形状记忆合金片101差时弯曲的带动下能够实现上下柔性摆动运动。在形状记忆合金驱动模块1前缘部分进行差时运动过程中，其中的隔热弹性体102隔绝两侧形状记忆合金片101间的热传导，并和硅胶蒙皮103能够在形状记忆合金片弯曲时存储弹性能，而在形状记忆合金片101回复时释放弹性能，提高能量的利用效率。
39.以图6、图7所示为例解释该水下机器人的爆炸驱动方式。爆炸模块2通过化学燃烧反应，产生爆轰波，推动活塞排水，海水对机器人的反作用力使机器人加速前进；爆炸放能具有反应速度极快、放出大量的热、产生大量的气体的特点，从而使得软体机器人能够在短时间内获得大驱动力。
40.爆炸驱动模块2内包括化学燃料储备单元201和驱动腔室202，其中驱动腔室202内包括放能反应激励装置203、化学燃料进料口204和硅胶柔性膜205；化学燃料储备单元201通过化学燃料进料口204以一定的速率流入液氢和液氧，在驱动腔室202中通过放能反应激励装置203持续地发生燃烧反应；驱动腔室202外壳使用高分子材料构成，重量轻且能起到隔绝燃烧的作用，高分子材料是将三氧化二锑无机阻燃剂添加到聚氯乙烯物质中，得到的聚氯乙烯高分子复合材料。硅胶柔性膜205设置在驱动腔室202底部，驱动开始之后，化学燃料进料口204向驱动腔室202内输入反应原料，放能激励装置203启动腔室202内原料反应，驱动时腔室内产生的爆轰波使硅胶膜205膨胀变形，推动活塞排水，海水对机器人的反作用力使机器人加速。
41.以图8所示为例解释该水下机器人螺旋桨301的驱动方式。螺旋桨驱动模块3通过电路控制螺旋桨转动，带动机器人前进；螺旋桨推进器301可以克服爆炸驱动不够稳定、难以精确控制的缺点。在机器人处于a全速前进模式和c遇险摆脱模式时，螺旋桨301作为辅助驱动手段在控制电路402的控制下旋转，推动机器人前进。
42.以图9所示为例解释该水下机器人重心调节器403的工作原理。机器人主体模块4
内含七模态混合驱动的控制电路和重心调节器；机器人主体模块4包括锂电池401、控制电路402和重心调节器403；锂电池401作为电源，通过控制电路402控制形状记忆合金片101的通断电以改变形状记忆合金驱动模块1的形态，也为螺旋桨301转动供电；重心调节器403由一对正交的直线步进电机组成，电机带动各自滑台轴向移动，以达到改变水下机器人重心的目的，实现机器人转向及俯仰姿态的切换。重心调节器403由一对正交的直线步进电机组成，电机的另一端与机器人的内壁紧密连接，使重心调节器403与机器人保持相对静止。电机带动各自滑台轴向移动，以达到改变机器人在其所处二维平面内重心位置的目的，实现机器人转向及俯仰姿态的切换。
43.以图10所示为例解释水下机器人的外壳构造原理。外壳模块5以基于碳纳米管的人造肌肉作为外部结构，以吸波材料作为表皮材料，使机器人拥有坚韧稳定和雷达隐形的特性。外部结构501采用以碳纳米管为基础的人造肌肉503构成，碳纳米管包含在弹性硅橡胶中，可快速伸缩且极为坚韧；表皮材料502采用吸波材料504制成，覆盖在整个机器人外面(螺旋桨除外)。利用该特殊材料的介质损耗使电磁波能量转换为其他形式能量，从而达到雷达隐形的目的。本机器人所有的外部结构501均由软体材料组成，生物相容性较高，同时也非常坚韧。整体外观为流线型设计，可进一步减小机器人在水中收到的阻力。
44.与现有技术相比：该软体机器人结构相对简单，但能够产生较复杂的运动，且相对于传统的软体机器人，其运动速度快、驱动力大，同时性能更稳定。具体指该软体机器人能够进行高速运动，且因材质的影响具有质量轻、灵活性高能够进行快速响应的优点，且通过其各单元之间的可活动连接装置及驱动腔室的化学反应量的控制分配，能实现瞬间加速、制动以及转向等关键驱动技术。
45.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种基于形状记忆合金、爆炸和螺旋桨的七模态混合驱动水下机器人，其特征在于，水下机器人为鳐鱼形状，包括形状记忆合金驱动模块(1)、爆炸驱动模块(2)、螺旋桨驱动模块(3)、机器人主体模块(4)和外壳模块(5)；其中形状记忆合金驱动模块(1)、爆炸驱动模块(2)和螺旋桨驱动模块(3)分别位于机器人主体模块(4)的两侧、中后部和前端，外壳模块(5)覆盖于形状记忆合金驱动模块(1)和机器人主体模块(4)的表面；所述记忆合金驱动模块(1)、爆炸驱动模块(2)和螺旋桨驱动模块(3)之间的任意组合使用实现水下机器人七种模态的混合驱动；形状记忆合金驱动模块(1)为鳐鱼的胸鳍部分，在电路的控制下进行加热与冷却，实现胸鳍形态的改变，以带动水下机器人前进；爆炸模块(2)通过化学燃烧反应，产生爆轰波，推动活塞排水，海水对机器人的反作用力使机器人加速前进；螺旋桨驱动模块(3)通过电路控制螺旋桨转动，带动机器人前进；机器人主体模块(4)内含七模态混合驱动的控制电路和重心调节器；外壳模块(5)以基于碳纳米管的人造肌肉作为外部结构，以吸波材料作为表皮材料，使机器人拥有坚韧稳定和雷达隐形的特性。2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金、爆炸和螺旋桨的七模态混合驱动水下机器人，其特征在于：在这七种模态中，其中三种模态为混合驱动水下机器人的正常运行模态：分别是：a.全速前进模式，即形状记忆合金、爆炸、螺旋桨共同驱动模式；b.正常巡航模式，即形状记忆合金驱动模式；c.遇险摆脱模式，即爆炸、螺旋桨共同驱动模式。3.根据权利要求2所述的一种基于形状记忆合金、爆炸和螺旋桨的七模态混合驱动水下机器人，其特征在于：形状记忆合金驱动模块(1)装有形状记忆合金片(101)、隔热弹性体(102)、硅胶蒙皮(103)、弹性鳍面(104)和柔性胸鳍前缘(105)；其中形状记忆合金驱动模块(1)、爆炸驱动模块(2)和螺旋桨驱动模块(3)分别位于机器人主体模块(4)的两侧、中后部和前端，外壳模块(5)覆盖于形状记忆合金驱动模块(1)和机器人主体模块(4)的表面。当机器人处于正常巡航模式时，形状记忆合金片(101)控制柔性胸鳍前缘(105)部分带动弹性鳍面(104)摆动，使机器人保持平稳游动；隔热弹性体(102)隔绝两侧形状记忆合金片(101)间的热传导，并和硅胶蒙皮(103)一起在胸鳍摆动过程中储存与释放弹性势能，提高能量利用效率；当机器人开启遇险摆脱模式时(起步或遇险)时形状记忆合金驱动模块(1)将通过形状记忆合金片(101)的加热变形而蜷缩起来，环抱在机器人主体模块(4)上，最大化地减小阻力，通过爆炸、螺旋桨共同驱动帮助机器人完成弹射。4.根据权利要求3所述的一种基于形状记忆合金、爆炸和螺旋桨的七模态混合驱动水下机器人，其特征在于：形状记忆合金片(101)使用具有双向记忆功能的合金片来模仿鳐鱼胸鳍的变形过程，合金在加热温度超过t
h
时，发生弯曲变形；冷却温度到低于t
l
时，又自动收缩回平直状态；再加热时，再次弯曲；这个过程反复进行带动水下机器人前进，形状记忆合金显示出能分别记忆冷和热状态下原有形状的能力。5.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金、爆炸和螺旋桨的七模态混合驱动水下机器人，其特征在于：爆炸驱动模块(2)内包括化学燃料储备单元(201)和驱动腔室
(202)，其中驱动腔室(202)内包括放能反应激励装置(203)、化学燃料进料口(204)和硅胶柔性膜(205)；化学燃料储备单元(201)通过化学燃料进料口(204)以一定的速率流入液氢和液氧，在驱动腔室(202)中通过放能反应激励装置(203)持续地发生燃烧反应；驱动腔室(202)外壳使用高分子材料构成，重量轻且能起到隔绝燃烧的作用，硅胶柔性膜(205)设置在驱动腔室(202)底部，驱动时腔室内产生的爆轰波使硅胶膜(205)膨胀变形，推动活塞排水，海水对机器人的反作用力使机器人加速。6.根据权利要求3所述的一种基于形状记忆合金、爆炸和螺旋桨的七模态混合驱动水下机器人，其特征在于：机器人主体模块(4)包括锂电池(401)、控制电路(402)和重心调节器(403)；锂电池(401)作为电源，通过控制电路(402)控制形状记忆合金片(101)的通断电以改变形状记忆合金驱动模块(1)的形态，也为螺旋桨(301)转动供电；重心调节器(403)由一对正交的直线步进电机组成，电机带动各自滑台轴向移动，以达到改变水下机器人重心的目的，实现机器人转向及俯仰姿态的切换。7.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金、爆炸和螺旋桨的七模态混合驱动水下机器人，其特征在于：外壳模块(5)包括外部结构(501)和表皮材料(502)，外部结构(501)采用以碳纳米管为基础的人造肌肉(503)构成，碳纳米管包含在弹性硅橡胶中，表皮材料(502)采用吸波材料(504)制成，利用该吸波材料的介质损耗使电磁波能量转换为其他形式能量，从而达到雷达隐形的目的。

技术总结
本发明公开了一种基于形状记忆合金、爆炸和螺旋桨的七模态混合驱动水下机器人，形状记忆合金、爆炸和螺旋桨三种驱动方式分别具有平稳游动、高加速度和快速游动的优点，使用三种驱动方式的任意组合来实现水下机器人七种模态的混合驱动。在这七种模态中，其中三种模态为水下机器人的正常运行模态：分别是A.全速前进模式，即形状记忆合金、爆炸、螺旋桨共同驱动模式；B.正常巡航模式，即形状记忆合金驱动模式和C.遇险摆脱模式，即爆炸、螺旋桨共同驱动模式。本发明提出的七模态混合驱动水下机器人最大化地开发了水下混合驱动潜力，给机器人运动控制提供了巨大的可能性与想象空间，机器人具有环境适应性高的优点，能够迅速启动、灵活运动。运动。运动。


技术研发人员：焦鹏程 马众泽 张辰杰 王佳骏
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/18