一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人的制作方法

本发明属于软体机器人领域，具体涉及一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人。

背景技术：

传统刚性机器人具有体积大、重量高、噪声大以及环境适应能力差等缺点，对此，软体机器人作为改善上述缺点的新型智能机器人逐渐发展起来。软体机器人具体是指部分或全部由柔性材料制造而成的具有可控行动的智能执行设备。软体机器人具有灵活的运动潜力和更接近生物动作的仿生潜力，目前软体机器人主要由形状记忆材料、介电高弹体材料、压电陶瓷材料、相应水凝胶材料以及结合特殊驱动方法的普通柔性材料构成，可分别温度、电流、压力和磁场等物理信息进行控制与响应。现有软体机器人的缺点在于无法产生快速与较大驱动力，因此，发明人团队对此提出了使用化学放能反应驱动方式，该驱动方式可在极短时间内产生高于其他软体机器人驱动方式至少10倍的驱动力，并定义该现象为瞬变速驱动方法。同时，发明人团队结合板材料的后屈曲现象进行研究，提出一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人。

技术实现要素：

为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人的技术方案。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人，其特征在于包括

鱼头模块，所述鱼头模块包括鱼头壳体，鱼头壳体内设置刚性放能反应仓、用以向刚性放能反应仓内注入可燃气体的可燃剂存储单元、用以向刚性放能反应仓注入助燃剂的助燃剂存储单元及用以激发刚性放能反应仓内进行化学放能反应的放能反应激励装置，刚性放能反应仓内滑动配合刚性推板；

鱼身模块，所述鱼身模块包括与刚性推板配合连接的柔性鱼骨、设置于柔性鱼骨两侧的约束组件及包覆于柔性鱼骨和约束组件外的柔性鱼皮，约束组件的前端与鱼头壳体相连，所述柔性鱼骨可在刚性推板快速推动时发生后屈曲现象；

鱼尾模块，所述鱼尾模块包括用以与柔性鱼骨和约束组件后端相连的鱼尾固定块。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人，其特征在于所述约束组件包括若干依次铰接的传动件。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人，其特征在于所述传动件包括形变辅助块、设置于形变辅助块一端的铰轴及设置于形变辅助块另一端的铰套，相邻传动件之间通过对应铰套与铰轴的转动配合实现铰接。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人，其特征在于所述柔性鱼皮可通过形变辅助块随柔性鱼骨同时发生后屈曲现象，而后可因弹性恢复形变至初始状态。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人，其特征在于所述鱼骨固定块与刚性推板组成后屈曲反应模组，鱼骨固定块与鱼头壳体的边壁为后屈曲现象的发生提供固定约束。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人，其特征在于所述鱼头壳体内还设置头部控制仓，所述可燃剂存储单元、助燃剂存储单元及放能反应激励装置均设置于头部控制仓内。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人，其特征在于所述鱼头壳体上设置仿生鱼鳔和仿生鱼鳃，两者通过吸水或排水控制机器人浮力。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人，其特征在于所述鱼头壳体上设置用于探测的光学成像模块。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人，其特征在于所述鱼尾模块还包括设置于鱼尾固定块外的鱼尾仿件。

所述的一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人，其特征在于所述柔性鱼骨自前向后纵截面面积逐渐变小。

本发明提出的化学放能反应驱动的一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人可以将瞬间高能的化学放能反应转化为多模态的后屈曲形变，通过释放柔性鱼骨在发生后屈曲形变时存储的弹性势能实现高速摆尾，以实现水下软体机器人瞬间加速的目的。该机器人具有较高的灵活性、环境适应性、质量轻、制造成本低、驱动消耗低等优点，且能够基于不同化学放能反应的程度来控制后屈曲的形变模态，换言之，针对不同的放能程度可实现不同的摆尾动作。该设计的发明，有助于解决水下软体机器人驱动能力低的领域缺点，同时可实现水下瞬变速启动、制动、转向、捕捉以及打击等功能；此外，通过改变柔性鱼骨的结构设计，可以针对不同驱动需求改变模态的预期形变，从而大大提升本设计的实用性。

附图说明

图1为本发明外部结构示意图之一；

图2为本发明内部结构示意图；

图3为本发明去除柔性鱼皮和鱼尾仿件时的结构示意图之一，此时本发明处于未驱动状态；

图4为本发明去除柔性鱼皮和鱼尾仿件时的结构示意图之二，此时本发明处于驱动状态；

图5为本发明外部结构示意图之二；此时本发明处于驱动状态。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图所示，一种基于化学放能反应驱动的仿带鱼高速软体机器人，包括

鱼头模块1，所述鱼头模块1包括鱼头壳体10，鱼头壳体10内设置刚性放能反应仓11、用以向刚性放能反应仓11内注入可燃气体的可燃剂存储单元12、用以向刚性放能反应仓11注入助燃剂的助燃剂存储单元13及用以激发刚性放能反应仓11内进行化学放能反应的放能反应激励装置14，刚性放能反应仓11内滑动配合刚性推板15；

鱼身模块2，所述鱼身模块2包括与刚性推板15配合连接的柔性鱼骨20、设置于柔性鱼骨20两侧的约束组件21及包覆于柔性鱼骨20和约束组件21外的柔性鱼皮22，约束组件21的前端与鱼头壳体10相连，所述柔性鱼骨20可在刚性推板15快速推动时发生后屈曲现象；

鱼尾模块3，所述鱼尾模块3包括用以与柔性鱼骨20和约束组件21后端相连的鱼尾固定块30。

作为优化：所述约束组件21包括若干依次铰接的传动件。

在上述结构中，所述传动件包括形变辅助块210、设置于形变辅助块210一端的铰轴211及设置于形变辅助块210另一端的铰套212，相邻传动件之间通过对应铰套212与铰轴211的转动配合实现铰接。具体的，铰套212的横截面为圆弧结构，该圆弧结构的圆弧范围为180-270°，能够包覆插入的铰轴211。

在上述结构中，所述柔性鱼皮22可通过形变辅助块210随柔性鱼骨20同时发生后屈曲现象，而后可因弹性恢复形变至初始状态。

在上述结构中，所述鱼骨固定块30与刚性推板15组成后屈曲反应模组，鱼骨固定块30与鱼头壳体10的边壁为后屈曲现象的发生提供固定约束。

作为优化：所述鱼头壳体10内还设置头部控制仓16，所述可燃剂存储单元12、助燃剂存储单元13及放能反应激励装置14均设置于头部控制仓16内。

作为优化：所述鱼头壳体10上设置仿生鱼鳔17和仿生鱼鳃18，两者通过吸水或排水控制机器人浮力。具体的，仿生鱼鳃18为能够自动开合的排水口，仿生鱼鳔17为水仓，两者借用潜水艇排水的原理调整机器人的浮力，两者均为公知技术。

作为优化：所述鱼头壳体10上设置用于探测的光学成像模块19，光学成像模块19用于探测。

作为优化：所述鱼尾模块3还包括设置于鱼尾固定块30外的鱼尾仿件31。具体的，鱼尾仿件31与鱼皮22壳体设计成一体。

作为优化：所述柔性鱼骨20自前向后纵截面面积逐渐变小。

作为优化：所述放能反应激励装置14可以为电火花发生器。

需要说明的是，本发明的柔性结构可选用柔性硅胶、柔性橡胶等柔性材料制成。

以图1、图2和图3所示为例解释该软体机器人驱动预备阶段的工作原理，当驱动预备过程开始时，头部控制仓16内的可燃剂存储单元12和助燃剂存储单元13受控同时向刚性放能反应仓11内注入可燃气体（如烷烃类气体）和助燃剂（如氧气），注气完成后受控关闭，并按预计时间激发放能反应激励装置14，放能反应激励装置14产生的电火花可瞬间激发刚性反应仓11内的化学放能反应。反应发生时会在极短时间内产生极高的内部压强，推动刚性推板15向尾部方向位移，柔性鱼骨20前后分别与刚性推板15和鱼骨固定块30固定，即刚性推板15发生位移时，会对柔性鱼骨20施加压力发生后屈曲现象，且后屈曲现象会根据施加压力的不同产生不同模态的形变。同时，柔性鱼骨20的形状为前宽后窄模式，因此发生后屈曲现象时形变剧烈处应在尾部，利于软体机器人运动是剧烈摆尾。同时，为调整机器人浮力，仿生鱼鳃18会根据状况需要开启闭合，将周围水体吸入仿生鱼鳔17或将仿生鱼鳔17中存储的水通过仿生鱼鳃18放出。

以图2、图4和图5所示为例解释该软体机器人驱动过程的工作原理，当柔性鱼骨20发生后屈曲现象时，其变形边界作用在形变辅助块210上，通过铰轴211和铰套212将与柔性鱼骨20相似的形变传递至柔性鱼皮22。因化学放能反应发生的速度远快于材料响应速度，后屈曲现象完全发生后，柔性鱼皮22由后屈曲状态快速形变至初始状态，该过程柔性鱼皮22会释放弹性势能，发生高速摆动现象，该现象会推动周围水体使软体机器人向前游动。

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。

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