(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号CN102114907B (45)授权公告日2013.05.01 (21)申请号201110041539.8 杭观荣等.SMA驱动的仿生机器人研究现状 (22)申请日2011.02.21 及其展望.《微特电机》.2006，（第11期），第48 页. (73)专利权人哈尔滨工业大学 于凯等.仿生双尾推进的试验研究，《哈尔 地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 滨工程大学学报》.2008，第29卷（第3期），第 直街92号 205-208页. (72)发明人杨征保王玉魁王振龙宋超男 王扬威等，微小型水下仿生机器人研究现状 马聪郭程 及发展趋势.《微特电子》.2010，（第12期），第 (74)专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事 66-69页. 务所23109 王振龙等.面向水下无声推进的形状记忆合 代理人刘同恩 金丝驱动柔性鳍单元.《机械工程学报》.2009，第 45卷（第2期），第127-131页， (51)1nt.cl. B63H1/36(2006.01) 审查员李秀芳 (56)对比文件 CN1887646A,2007.01.03,全文. EP1203156A1,2002.05.08,全文， 刘军考等，水下机器人新型仿鱼鳍推进 器.《机器人》.2000第22卷（第5期），第 428-431页. 权利要求书1页说明书3页附图3页 (54)发明名称 可变驱动位置的柔性双驱动仿生鱼 (57)摘要 可变驱动位置的柔性双驱动仿生鱼，它涉及 一种仿生机器鱼，以解决现有仿生鱼的稳定性差， 机动性不好的缺点。本发明的活动尾鳍驱动器和 固定尾鳍驱动器均由弹性基片、鱼尾、硅胶层、形 状记忆合金丝固定座和两根涂有绝缘层的形状记 忆合金丝组成，活动尾鳍驱动器和固定尾鳍驱动 器与仿生鱼本体的纵向中心线平行且相对于仿生 鱼本体的纵向中心线对称设置，两个形状记忆合 金丝固定座分别设置在相应的驱动器安装槽中， 一固定尾鳍驱动器上的形状记忆合金丝固定座通过 体固接，活动尾 状记忆合金丝固定座通过连接片与转动横梁的一 三端固接，转动横梁的另一端与仿生鱼本体上的舵 子机轴固接。本发明用于水下探测和侦查
CN102114907B 权利要求书 1/1页 1.一种可变驱动位置的柔性双驱动仿生鱼，所述仿生鱼包括仿生鱼本体(1)、活动尾 鳍驱动器(3)和固定尾鳍驱动器(4)，活动尾鳍驱动器(3)和固定尾鳍驱动器(4)均由弹 性基片(3-1)、鱼尾(3-2)、硅胶层(3-3)、形状记忆合金丝固定座(3-4)和两根涂有绝缘 层的形状记忆合金丝(3-5)组成，形状记忆合金丝固定座(3-4)一外侧端面上设有夹缝 (3-4-1),弹性基片(3-1)的一端插入形状记忆合金丝固定座(3-4)上的夹缝(3-4-1)中， 弹性基片(3-1)的另一端与鱼尾(3-2)连接，硅胶层(3-3)包裹在弹性基片(3-1)的外表面 上，包裹有硅胶层(3-3)的弹性基片(3-1)的两外侧面上对称设有涂有绝缘层的形状记忆 合金丝(3-5)，其特征在于：弹性基片(3-1)两外侧面上的硅胶层(3-3)上对称设有合金丝 槽(3-3-1)，每个合金丝槽(3-3-1)中装有一根涂有绝缘层的形状记忆合金丝(3-5)，所述 仿生鱼还包括转动横梁(2)、连接片(5)和垫片(6)，仿生鱼本体(1)的尾部设有两个驱动器 安装槽(1-1)，两个驱动器安装槽(1-1)相对于仿生鱼本体(1)的纵向中心线对称设置，活 动尾鳍驱动器(3)和固定尾鳍驱动器(4)与仿生鱼本体(1)的纵向中心线平行且相对于仿 生鱼本体(1)的纵向中心线对称设置，且活动尾鳍驱动器(3)和固定尾鳍驱动器(4)上的形 状记忆合金丝固定座(3-4)分别设置在相应的驱动器安装槽(1-1)中，固定尾鳍驱动器(4) 上的形状记忆合金丝固定座(3-4)通过垫片(6)与仿生鱼本体(1)固接，活动尾鳍驱动器 (3)上的形状记忆合金丝固定座(3-4)通过连接片(5)与转动横梁(2)的一端固接，转动横 梁(2)的另一端与仿生鱼本体(1)上的舵机轴(1-2)固接。 2.根据权利要求1所述可变驱动位置的柔性双驱动仿生鱼，其特征在于：所述转动横 梁(2)为拱形横梁。 2
CN102114907B 说明书 1/3页 可变驱动位置的柔性双驱动仿生鱼 技术领域 [0001] 本发明涉及一种双驱动仿生鱼。 背景技术 [0002]目前在水下探测、侦查应用中，迫切需要一种能在水中或其他液体中平稳、灵活、 机动性高的微小水下机器人。它能在液体环境中被无线驱动，具有很高的机动性和灵活性， 仿生机器鱼就是具有此种功能的微小型装置之一。专利申请号为200610151170.5、公开号 为CN1986330A、公开日为2007年6月27日的发明专利申请公开了一种双尾仿生尾推进 器；该专利申请为双驱动，其原理是通过电机、链轮和曲柄连杆机构带动刚性尾柄摆动，主 要解决了船摇艏的问题：但是，由于该专利申请是电机刚性驱动，存在驱动效率低，噪音大、 机动性差的问题。专利申请号为200610010348.4、公开号为CN1887646.A、公开日为2006 年7月31日的发明专利申请公开了一种形状记忆合金丝驱动的身体波动推进仿生机器鱼： 该专利申请是将形状记忆合金丝贴合于弹性片上，形状记忆合金丝的通电加热变形使弹性 体产生弯曲变形，从而使形状记忆合金丝驱动弹性体波动推进仿生机器鱼。该专利申请虽 具有体积小，结构简单、仿生效果好、无噪声的特点：但是，该形状记忆合金丝驱动的仿生鱼 不能实现频率较高的摆动，且形状记忆合金丝容易过热，疲劳损害较严重，表面的弹性蒙皮 容易被破坏，同时该专利转弯半径相对较大，机动性较差。 发明内容 [0003]本发明的目的是为了解决现有仿生机器鱼稳定性差，机动性不好的问题，提供一 种可变驱动位置的柔性双驱动仿生鱼。 [0004]本发明包括仿生鱼本体、转动横梁、活动尾鳍驱动器、固定尾鳍驱动器、连接片和 垫片，活动尾鳍驱动器和固定尾鳍驱动器均由弹性基片、鱼尾、硅胶层、形状记忆合金丝固 定座和两根涂有绝缘层的形状记忆合金丝组成，形状记忆合金丝固定座一外侧端面上设有 夹缝，弹性基片的一端插入形状记忆合金丝固定座上的夹缝中，弹性基片的另一端与鱼尾 连接，硅胶层包裹在弹性基片的外表面上，弹性基片两外侧面上的硅胶层上对称设有合金 丝槽，每个合金丝槽中装有一根涂有绝缘层的形状记忆合金丝，仿生鱼本体的尾部设有两 个驱动器安装槽，两个驱动器安装槽相对于仿生鱼本体的纵向中心线对称设置，活动尾鳍 驱动器和固定尾鳍驱动器与仿生鱼本体的纵向中心线平行且相对于仿生鱼本体的纵向中 心线对称设置，且活动尾鳍驱动器和固定尾鳍驱动器上的形状记忆合金丝固定座分别设置 在相应的驱动器安装槽中，固定尾鳍驱动器上的形状记忆合金丝固定座通过垫片与仿生鱼 本体固接，活动尾鳍驱动器上的形状记忆合金丝固定座通过连接片与转动横梁的一端固 接，转动横梁的另一端与仿生鱼本体上的舵机轴固接。 [0005]本发明具有以下有益效果：一、由于本发明在仿生鱼本体上设计了活动尾鳍驱动 器和固定尾鳍驱动器，相比现有单驱动的仿生机器鱼的稳定性得到了提高。利用转动横梁 带动活动尾鳍驱动器，实现了反向推进、变换角度推进及急停，使得本发明转弯半径相对较
CN102114907B 说明书 2/3页 小，从而机动性得到提高。二、本发明可利用形状记忆合金自身电阻随温度的变化可实现反 馈控制，不需要额外的传感器件，简化了控制系统，提高了控制精度。三、本发明的仿生鱼结 构简单，只需调整驱动电流的频率和大小就可以实现其控制。可以用成熟的脉冲宽度调制 (PWM)技术进行控制。 附图说明 [0006]图1是本发明的整体结构立体图（图中标记10为密封圈）：图2是活动尾鳍驱动 器3或固定尾鳍驱动器4的主视结构图：图3是形状记忆合金丝固定座3-4的结构立体图； 图4是本发明的双驱动仿生鱼向前游动时，活动尾鳍驱动器3与固定尾鳍驱动器4的位置 状态图：图5是本发明的双驱动仿生鱼转弯时，活动尾鳍驱动器3与固定尾鳍驱动器4的位 置状态图：图6是本发明的双驱动仿生鱼急停时，活动尾鳍驱动器3与固定尾鳍驱动器4的 位置状态图。 具体实施方式 [0007]具体实施方式一：结合图1~图3说明本实施方式，本实施方式包括仿生鱼本体 1、转动横梁2、活动尾鳍驱动器3、固定尾鳍驱动器4、连接片5和垫片6，活动尾鳍驱动器3 和固定尾鳍驱动器4均由弹性基片3-1、鱼尾3-2、硅胶层3-3、形状记忆合金丝固定座3-4 和两根涂有绝缘层的形状记忆合金丝3-5组成，形状记忆合金丝固定座3-4一外侧端面上 设有夹缝3-4-1，弹性基片3-1的一端插入形状记忆合金丝固定座3-4上的夹缝3-4-1中， 弹性基片3-1的另一端与鱼尾3-2连接，硅胶层3-3包裹在弹性基片3-1的外表面上，弹性 基片3-1两外侧面上的硅胶层3-3上对称设有合金丝槽3-3-1，每个合金丝槽3-3-1中装有 一根涂有绝缘层的形状记忆合金丝3-5，仿生鱼本体1的尾部设有两个驱动器安装槽1-1， 两个驱动器安装槽1-1相对于仿生鱼本体1的纵向中心线对称设置，活动尾鳍驱动器3和 固定尾鳍驱动器4与仿生鱼本体1的纵向中心线平行且相对于仿生鱼本体1的纵向中心线 对称设置，且活动尾鳍驱动器3和固定尾鳍驱动器4上的形状记忆合金丝固定座3-4分别 设置在相应的驱动器安装槽1-1中，固定尾鳍驱动器4上的形状记忆合金丝固定座3-4通 过垫片6与仿生鱼本体1固接，活动尾鳍驱动器3上的形状记忆合金丝固定座3-4通过连接 片5与转动横梁2的一端固接，转动横梁2的另一端与仿生鱼本体1上的舵机轴1-2固接。 硅胶层3-3上的合金丝槽3-3-1的作用：由于涂有绝缘层的形状记忆合金丝3-5有合金丝 槽3-3-1的保护，可以减少水来流带走的热量，进而可以实现涂有绝缘层的形状记忆合金 丝3-5的快速加热，保证了在高速来流下本发明依然能正常工作：当形状记忆合金丝达到 相变温度开始产生应变时，涂有绝缘层的形状记忆合金丝3-5就会脱离合金丝槽3-3-1进 入水流中，水作为通用的冷却剂可以很好的将断电需要冷却的涂有绝缘层的形状记忆合金 丝3-5冷却下来，由此实现了活动尾鳍驱动器3和固定尾鳍驱动器4快速冷却和加热，同时 防止了合金丝过热疲劳。 [0008]形状记忆合金丝(SMA丝)是一种智能材料，该材料呈现一种热弹性马氏体式变 化，能够感知温度和位移。一般金属如果受到外力作用产生了塑性变形，当应力去除后将留 下永久变形。而当SMA丝处于低温马氏体相时，卸载后同样会发生很大变形，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。本发明就是利用了
CN102114907B 说明书 3/3页 这一热弹性马氏体式变化，给形状记忆合金丝交替通断电，使记忆合金丝实现相变收缩和 回复，从而产生摆动或波动，实现类鱼游动。 [0009]具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的所述转动横梁2为拱形 横梁。这样设计可以减少转动横梁2的阻力，从而减少了仿生鱼本体1的阻力。其它组成 及连接关系与具体实施方式一相同。 [0010]具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的活动尾鳍驱动器3与 固定尾鳍驱动器4之间的间距大于活动尾鳍驱动器3或固定尾鳍驱动器4最大振幅的2.5 倍。这样设计可以避免两个鱼尾3-2摆动时产生涡流相互干扰。其它组成及连接关系与具 体实施方式一相同。 [0011]本发明的工作原理：首先将固定尾鳍驱动器4上的两根涂有绝缘层的形状记忆合 金丝3-5的端头均穿过固定尾鳍驱动器4上的形状记忆合金丝固定座3-4、垫片6、驱动器 安装槽1-1的端面且分别与仿生鱼本体1内的驱动电路8连接；活动尾鳍驱动器3上的两 根涂有绝缘层的形状记忆合金丝3-5的端头分别通过导线与驱动电路8连接，该导线固定 在转动横梁2上。 [0012](1)、活动尾鳍驱动器3与固定尾鳍驱动器4同向摆动：驱动活动尾鳍驱动器3和 固定尾鳍驱动器4的PWM波相位相同，即实现了尾鳍的同向驱动。 [0013](2)、活动尾鳍驱动器3与固定尾鳍驱动器4相向摆动：驱动活动尾鳍驱动器3和 固定尾鳍驱动器4的PWM波相位相反，即实现了尾鳍的相向驱动。 [0014](3)、转弯：当需要转弯时，如图5所示，启动仿生鱼本体1中的舵机7，舵机7通过 转动横梁2带动活动尾鳍驱动器3绕舵机轴转动，同时将活动尾鳍驱动器3和固定尾鳍驱 动器4上的形状记忆合金丝单侧通电驱动，即活动尾鳍驱动器3和固定尾鳍驱动器4只向 与转弯方向相反的那一侧摆动，从而实现了快速转弯，也可以将固定尾鳍驱动器4不通电 驱动，只是活动尾鳍驱动器3驱动实现快速转弯。 [0015](4)、急停：固定尾鳍驱动器4不通电，因此固定尾鳍驱动器4不动，当活动尾鳍驱 动器3转到仿生鱼本体1的正前方，高频率摆动产生止推力，促使仿生鱼停下来
CN102114907B 说明书附图 1/3页 10 1-2 1-1 6 1-1 4 图1 3-2 5 3-4 3-5 3-3-1 3-3 3-1 3-1 图2 6
CN102114907B 说明书附图 2/3页 3-4 3-4-1 图3 18 1-1 3 得 1-1 4 图4
CN102114907B 说明书附图 3/3页 3 图5 图6