一种用于运动控制的方向舵

1.本发明涉及方向舵技术领域，特别是涉及一种用于运动控制的方向舵。


背景技术：

2.对于水下滑翔机而言，方向舵是实施运动控制的重要部件。方向舵普遍采用电机驱动或者液压驱动，传动机构较为复杂，难以满足深水潜航的密封及耐压要求。
3.随后发展出如申请号为2020103583498、申请日为2020.04.29的中国发明专利技术，其公开了一种仿生飞鱼滑翔翼及其制造方法，该仿生飞鱼滑翔翼包括滑翔翼主体、尾鳍和温度控制系统，其中滑翔翼主体和尾鳍由形状记忆合金丝制成，并且滑翔翼主体的尾部与尾鳍连接，以此形成仿生飞鱼结构，温度控制系统设置在滑翔翼主体的内部，用于通过调整发热功率控制水循环温度，以此控制尾鳍的温度，从而根据滑翔状态调节尾鳍的弯曲形状。
4.现有技术中的仿生飞鱼滑翔翼及其制造方法采用了由形状记忆合金丝制成的尾鳍，通过温度控制系统调整发热功率控制水循环温度，从而使尾鳍在不同温度下改变弯曲形态。但是，现有尾鳍工作时处于海水中，并与海水直接接触，难以通过温度控制系统产生的热量传递至尾鳍，尾鳍弯曲变形的能耗大，方向控制的工作效率低，整个装置的运动灵活性差。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于运动控制的方向舵，以解决难以通过温度控制系统产生的热量传递至尾鳍，尾鳍弯曲变形的能耗大，方向控制的工作效率低，整个装置的运动灵活性差的问题。
6.本发明的用于运动控制的方向舵的技术方案为：
7.用于运动控制的方向舵包括基座、舵叶、弹性结构和形状记忆合金丝，所述弹性结构连接于所述基座与所述舵叶之间；
8.所述基座上设有第一固定点，所述舵叶上设有第二固定点，所述第一固定点和所述第二固定点位于同一侧，所述形状记忆合金丝牵拉连接于所述第一固定点与所述第二固定点之间；
9.所述形状记忆合金丝为双程形状记忆合金丝，所述形状记忆合金丝的端部还设有用于与电源相连的接电端；
10.所述舵叶具有偏转状态和中间状态，在通电时，所述形状记忆合金丝发热产生收缩变形，并克服所述弹性结构的弹力作用，以使所述舵叶朝所述基座的一侧偏转运动；
11.在断电时，所述形状记忆合金丝降温产生伸展变形，并在所述弹性结构的弹力作用下，以使所述舵叶恢复至中间状态。
12.进一步的，所述弹性结构为弹性板，所述弹性板设有第一侧边和第二侧边，所述第一侧边与所述第二侧边相对布置，所述第一侧边与所述基座固定连接，所述第二侧边与所
述舵叶固定连接；
13.在所述舵叶处于中间状态时，所述弹性板的板面平行于所述舵叶的侧面；在所述舵叶处于偏转状态时，所述弹性板的板面相对于所述舵叶弯曲变形。
14.进一步的，所述基座的后部开设有第一凹槽，所述舵叶的前部开设有第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽的槽口相对布置，所述第一侧边卡装固定于所述第一凹槽中，所述第二侧边卡装固定于所述第二凹槽中。
15.进一步的，所述弹性结构为弹性铰链结构，所述弹性铰链结构包括铰链本体和扭转弹性件，所述铰链本体设有第一连接部和第二连接部，所述扭转弹性件安装于所述第一连接部与所述第二连接部之间，所述基座与所述第一连接部固定相连，所述舵叶与所述第二连接部固定相连；
16.当所述舵叶处于中间状态时，所述扭转弹性件释放所述第一连接部和所述第二连接部之间的扭转作用力；当所述舵叶处于偏转状态时，所述扭转弹性件在所述第一连接部和所述第二连接部产生扭转恢复力。
17.进一步的，所述舵叶的两个侧面分别设有第二固定点，两侧的所述第二固定点均连接有形状记忆合金丝，以带动所述舵叶朝两侧方向偏转。
18.进一步的，所述形状记忆合金丝的长度方向与所述舵叶的偏转轴线方向垂直布置，且所述第二固定点设于所述舵叶远离所述基座的位置。
19.进一步的，所述形状记忆合金丝的外部包覆有绝缘隔热结构，所述绝缘隔热结构为柔性结构。
20.进一步的，所述绝缘隔热结构包括柔性外膜层和内隔热层，所述柔性外膜层的内部设有走线通道，所述形状记忆合金丝贯穿于所述走线通道中；
21.所述形状记忆合金丝与所述走线通道间隙配合，所述内隔热层填充于所述走线通道与所述形状记忆合金丝之间的间隔中。
22.进一步的，所述第一固定点、所述第二固定点沿平行于在机体的前后方向上间隔分布，在断电时，所述形状记忆合金丝的长度延伸方向相对于所述舵叶的侧面呈倾斜布置；
23.或者，所述第一固定点、所述第二固定点沿平行于在机体的前后方向上间隔分布，所述形状记忆合金丝与所述舵叶的侧面平行间隔设置。
24.进一步的，所述形状记忆合金丝设置有两个或两个以上，两个或两个以上所述形状记忆合金丝平行间隔分布。
25.有益效果：该用于运动控制的方向舵采用基座、舵叶、弹性结构和形状记忆合金丝的设计形式，弹性结构连接于基座与舵叶之间，形状记忆合金丝连接于基座的第一固定点和舵叶的第二固定点之间；由于形状记忆合金丝本身具有发热电阻，通过形状记忆合金丝的接电端与电源导电相连，利用形状记忆合金丝通电后发热断电后自动降温的特性，实现了对形状记忆合金丝温度控制的目的。
26.在水下工作时，由于形状记忆合金丝本身与海水的接触面积小，自身发热速度远大于向周围海水中散热的速度，通电产生的热量能够集聚在形状记忆合金丝中使其快速升温，短时间内热量耗散更少，降低了方向舵的弯曲变形能耗，方向控制的工作效率高，整个装置的运动灵活性更好。
27.并且，形状记忆合金丝采用具有双程记忆效应的双程形状记忆合金丝，双程记忆
效应即包含有高温相形状和低温相形状，形状记忆合金丝通电发热至高温时，其长度收缩并带动舵叶朝基座的一侧偏转运动；形状记忆合金丝断电后降温至低温时，其长度伸展并在弹性结构的弹力作用下使舵叶恢复至中间状态，通过形状记忆合金丝和弹性结构的配合，实现了对舵叶位置控制的目的。
28.其中，在断电时，形状记忆合金丝的长度延伸方向相对于舵叶的侧面呈倾斜布置，或者，形状记忆合金丝与舵叶的侧面平行间隔设置，确保形状记忆合金丝通电发热进行收缩时，形状记忆合金丝的收缩牵拉力相对于舵叶的侧面形成了偏转力臂，确保能够舵叶产生可靠的偏转运动。
附图说明
29.图1为本发明的用于运动控制的方向舵的具体实施例1中用于运动控制的方向舵(舵叶处于中间状态时)的立体示意图；
30.图2为本发明的用于运动控制的方向舵的具体实施例1中用于运动控制的方向舵(舵叶处于偏转状态时)的立体示意图；
31.图3为本发明的用于运动控制的方向舵的具体实施例1中形状记忆合金丝和绝缘隔热结构的截面示意图；
32.图4为本发明的用于运动控制的方向舵的具体实施例2中用于运动控制的方向舵(舵叶处于中间状态时)的立体示意图；
33.图5为本发明的用于运动控制的方向舵的具体实施例2中用于运动控制的方向舵(舵叶处于偏转状态时)的立体示意图。
34.图中：1、基座；10、第一固定点；2、舵叶；20、第二固定点；3、形状记忆合金丝；30－接电端；
35.4、绝缘隔热结构；41、柔性外膜层；42、内隔热层；5、弹性板；51、第一侧边；51、第二侧边；
36.6、弹性铰链结构；60、铰链本体；61、扭转弹性件。
具体实施方式
37.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
38.本发明的用于运动控制的方向舵的具体实施例1，如图1至图3所示，用于运动控制的方向舵包括基座1、舵叶2、弹性结构和形状记忆合金丝3，弹性结构连接于基座1与舵叶2之间；基座1上设有第一固定点10，舵叶2上设有第二固定点20，第一固定点10和第二固定点20位于同一侧，形状记忆合金丝3牵拉连接于第一固定点10与第二固定点20之间。
39.形状记忆合金丝3为双程形状记忆合金丝，形状记忆合金丝3的端部还设有用于与电源相连的接电端30；舵叶2具有偏转状态和中间状态，在通电时，形状记忆合金丝3发热产生收缩变形，并克服弹性结构的弹力作用，以使舵叶2朝基座1的一侧偏转运动；在断电时，形状记忆合金丝3降温产生伸展变形，并在弹性结构的弹力作用下，以使舵叶2恢复至中间状态。
40.该用于运动控制的方向舵采用基座1、舵叶2、弹性结构和形状记忆合金丝3的设计
形式，弹性结构连接于基座1与舵叶2之间，形状记忆合金丝3连接于基座1的第一固定点10和舵叶2的第二固定点20之间；由于形状记忆合金丝3本身具有发热电阻，通过形状记忆合金丝3的接电端30与电源导电相连，利用形状记忆合金丝3通电后发热断电后自动降温的特性，实现了对形状记忆合金丝3温度控制的目的。
41.在水下工作时，由于形状记忆合金丝3本身与海水的接触面积小，自身发热速度远大于向周围海水中散热的速度，通电产生的热量能够集聚在形状记忆合金丝3中使其快速升温，短时间内热量耗散更少，降低了方向舵的弯曲变形能耗，方向控制的工作效率高，整个装置的运动灵活性更好。
42.并且，形状记忆合金丝3采用具有双程记忆效应的双程形状记忆合金丝，双程记忆效应即包含有高温相形状和低温相形状，形状记忆合金丝3通电发热至高温时，其长度收缩并带动舵叶2朝基座1的一侧偏转运动；形状记忆合金丝3断电后降温至低温时，其长度伸展并在弹性结构的弹力作用下使舵叶2恢复至中间状态，通过形状记忆合金丝3和弹性结构的配合，实现了对舵叶2位置控制的目的。
43.在本实施例中，舵叶2为刚性叶片，弹性结构为弹性板5，弹性板5设有第一侧边51和第二侧边52，第一侧边51与第二侧边52相对布置，弹性板5的第一侧边51与基座1固定连接，弹性板5的第二侧边52与舵叶2固定连接，采用弹性板5在基座1与舵叶2之间形成弹性连接，结构简单且稳定可靠。在舵叶2处于中间状态时，弹性板5的板面平行于舵叶2的侧面；在舵叶2处于偏转状态时，弹性板5的板面相对于舵叶2弯曲变形。
44.作为进一步的优选方案，基座1的后部开设有第一凹槽11，舵叶2的前部开设有第二凹槽21，第一凹槽11与第二凹槽21的槽口相对布置，弹性板5的第一侧边51卡装固定于第一凹槽11中，弹性板5的第二侧边52卡装固定于第二凹槽21中，通过设计凹槽卡装连接弹性板5，简化了基座1、弹性板5和舵叶2之间的连接形式。
45.其中，基座1的前部与机体的尾部相连，基座1的第一凹槽11远离机体的尾部设置，第二凹槽21设于舵叶2的前部，在舵叶2的两个侧面分别设有第二固定点20，两侧的第二固定点20均连接有形状记忆合金丝3，以带动舵叶2朝两侧方向偏转。形状记忆合金丝3的长度方向与舵叶2的偏转轴线方向垂直布置，且第二固定点20设于舵叶2远离基座1的位置，形状记忆合金丝3沿机体的前后方向延伸布置，从而能够使舵叶2发生左右偏转运动，实现了控制水下滑翔机完成转向的目的。
46.并且，第一固定点10、第二固定点20在机体的前后方向上间隔分布，在断电时，形状记忆合金丝3的长度延伸方向相对于舵叶2的侧面呈倾斜布置；或者，第一固定点10、第二固定点20在机体的前后方向上间隔分布，形状记忆合金丝3与舵叶2的侧面平行间隔设置。不论是形状记忆合金丝3倾斜于舵叶2的侧面设置，还是形状记忆合金丝3与舵叶2的侧面平行间隔设置，均确保形状记忆合金丝3通电发热进行收缩时，形状记忆合金丝3的收缩牵拉力相对于舵叶2的侧面形成了偏转力臂，能够确保舵叶2产生可靠的偏转运动。
47.在本实施例中，形状记忆合金丝3的外部包覆有绝缘隔热结构4，如图3所示，绝缘隔热结构4为柔性结构，能够适应形状记忆合金丝3的长度伸缩变化。具体的，绝缘隔热结构4包括柔性外膜层41和内隔热层42，柔性外膜层41的内部设有走线通道，形状记忆合金丝3贯穿于柔性外膜层41的走线通道中；形状记忆合金丝3与走线通道间隙配合，内隔热层42填充于走线通道与形状记忆合金丝3之间的间隔中。作为进一步的优选方案，内隔热层42为隔
热油。
48.在形状记忆合金丝3的外部包覆有绝缘隔热结构4，通过绝缘隔热结构4将形状记忆合金丝3与外界海水进行有效隔绝，避免了海水对形状记忆合金丝3产生腐蚀作用，提高了形状记忆合金丝3的使用寿命和工作稳定性；而且，通过包覆的绝缘隔热结构4避免了形状记忆合金丝3中的电流传导至海水中，提高了通电发热的能量转化效率。更重要的是，绝缘隔热结构4采用柔性外膜层41和内隔热层42的双层设计，通过隔热油有效地阻断了形状记忆合金丝3通电后产生的热量向海水中传递，确保了形状记忆合金丝3能够快速升温产生收缩变化，提高了整机能量的利用率。
49.并且，形状记忆合金丝3设置有两个，两个形状记忆合金丝3平行间隔分布，通过两个并列的形状记忆合金丝3可产生双倍的收缩牵拉力，保证能够稳定地牵拉舵叶2发生偏转形变。形状记忆合金丝3为镍钛合金丝，舵叶2为刚性叶片，且形状记忆合金丝3的收缩牵引力大于弹性结构的弹性恢复力。
50.本发明的用于运动控制的方向舵的具体实施例2，为了满足不同的使用需求，可将具体实施例1中弹性结构设计为弹性铰链结构6，如图4、图5所示，弹性铰链结构包括铰链本体60和扭转弹性件61，铰链本体60设有第一连接部和第二连接部(图中未示出)，扭转弹性件61安装于第一连接部与第二连接部之间，基座1与铰链本体60的第一连接部固定相连，舵叶2与铰链本体60的第二连接部固定相连；当舵叶2处于中间状态时，扭转弹性件61释放第一连接部和第二连接部之间的扭转作用力；当舵叶2处于偏转状态时，扭转弹性件61在第一连接部和第二连接部产生扭转恢复力。
51.本发明的用于运动控制的方向舵的其他具体实施例，为了满足不同的使用需求，可对具体实施例1中形状记忆合金丝的设计数量进行灵活调整，例如：形状记忆合金丝可设置有三个，三个形状记忆合金丝牵拉线连接于两个固定部之间，三个形状记忆合金丝平行间隔分布，能够产生三倍的收缩牵拉力。另外，舵叶也可为弹性塑料板、弹性橡胶板或弹性金属板，确保形状记忆合金丝产生的收缩牵拉力大于舵叶自身的弹性恢复力即可。
52.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。