CN103625624B - 柔性仿生推进器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性仿生推进器，包括一个以上的柔性仿生摆动关节，所述柔性仿生摆动关节包括腔体、摆杆、转轴和鳍条，所述摆杆安装于腔体内并将腔体分隔成第一腔室和第二腔室，所述摆杆的一端为转动端，所述摆杆的另一端为自由摆动端，通过自由摆动端的摆动使转动端转动；所述第一腔室和第二腔室上分别开设有连通油孔，所述转轴连接于摆杆的转动端，所述鳍条安装于转轴上。该柔性仿生推进器具有运动柔性和结构柔性。

Description

柔性仿生推进器

技术领域

本发明涉及一种仿生运动器械，尤其涉及一种柔性仿生推进器。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，研制新型水下航行器的仿生运动推进器的工作越来越显得重要。仿生摆动关节既是仿生推进器的结构组成部分，又是其模拟各种仿生节律运动的基础，仿生摆动关节的运动特性好坏将直接影响到整个仿生推进器的性能。

目前，现有的用于水下航行器的仿生推进器，一般由若干个独立或者联动的电机直驱式刚性仿生摆动关节，通过特定机械结构组合在一起，再通过刚性机械传动结构来模拟水下生物的柔性节律运动。由于刚性仿生摆动关节一般由电机直接驱动或者通过运动变换机构驱动仿生关节，当机械结构固定后，摆动运动规律无法调整，造成仿生运动形式单一、可调参数少。更为严重的是，当仿生摆动关节受外界干扰时，容易造成运动卡死，甚至机械结构和电气系统损坏。许多相关试验表明，以刚性仿生摆动关节运动为基础，仿生推进器所模拟的仿生运动比较僵硬，造成仿生推进效率低下。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种具有运动柔性和结构柔性的柔性仿生推进器。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种柔性仿生推进器，包括一个以上的柔性仿生摆动关节，所述的柔性仿生摆动关节包括腔体、摆杆、转轴和鳍条，所述摆杆安装于腔体内并将腔体分隔成第一腔室和第二腔室，所述摆杆的一端为转动端，所述摆杆的另一端为自由摆动端，通过自由摆动端的摆动使转动端转动；所述第一腔室和第二腔室上分别开设有连通油孔，所述转轴连接于摆杆的转动端，所述鳍条安装于转轴上。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述摆杆上开设有允许流体从第一腔室向第二腔室流动的第一单向阀及允许液流从第二腔室向第一腔室流动的第二单向阀。

所述摆杆上开设有两个单向阀孔，所述单向阀孔为阶梯孔状，所述第一单向阀、第二单向阀均包括安装于单向阀孔内的阀芯、阀芯弹簧及调节螺钉，所述阀芯安装于单向阀孔内并靠近阶梯部，所述阀芯弹簧一端顶紧阀芯，另一端与调节螺钉相连；所述调节螺钉上开设有过油孔。

所述摆杆上自由摆动端的摆动行程上设置有两根复位弹簧，分别对应安装于第一腔室和第二腔室中，所述复位弹簧的一端与摆杆的自由摆动端相连，所述复位弹簧另一端与腔体的内壁相连。

所述腔体包括边框和两个密封端盖，两个密封端盖位于边框的两端形成密封腔体。

所述腔体上设有用来安装转动端的容置腔，所述容置腔由边框、两个密封端盖扣合形成。

所述腔体的截面形状为扇形，所述自由摆动端位于扇形腔体中较大的一端内。

所有柔性仿生摆动关节依次排列并固定安装于支架组件上。

所述转轴的一端伸出腔体，所述鳍条连接于转轴上的伸出端上；靠近转轴伸出端的密封端盖上设有密封组件，所述密封组件包括密封圈、挤压盖及连接件，所述密封圈套设与转轴上并通过连接件和压盖固定于密封端盖上。

所述摆杆上自由摆动端的底部两侧分别设有凸台。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明的具有一定的运动柔性和结构柔性。仿生摆动关节的运动柔性是指摆幅、摆频、摆动规律等运动参数能够动态调整，摆动换向时无运动速度或加速度冲击；结构柔性是指当有外界干扰限制而无法正常摆动运动时，仿生柔性摆动关节能够调整适应，自动切断传动链，避免机械结构或者电气系统损坏。本发明通过简单地改变液压阀控制策略，即可改变液压流量，由此实现柔性仿生摆动关节摆幅、摆频参数的调整，以及实现不同的摆动规律，如正弦摆动规律、三角波摆动规律等；（2）本发明有效保护其结构安全，避免机械结构损坏，实现仿生结构柔性。柔性仿生摆动关节在发生过载时，能够自动开启泄流保护结构，而且它未过载的柔性仿生摆动关节的运动则不受影响。当过载消除后，其运动自行恢复；（3）本发明设置缓冲容腔、复位弹簧，有效降低了摆动换向时的液流冲击；（4）本发明设计的边框等部件的扇形外形，使得其沿轴向尺寸较小，而垂直于轴向尺寸较大，这种扁平扇形结构便于在紧凑的体积内实现大的转矩输出；（5）本发明在其工作过程中安全、可靠，具有很强的可移植性和实用性。

附图说明

图1是本发明柔性仿生摆动关节的分解结构示意图。

图2是本发明柔性仿生摆动关节的主视结构示意图。

图3是图3的A-A截面的剖视图。

图4是本发明柔性仿生推进器的结构示意图。

图5是本发明柔性仿生推进器处于正常运动状态的结构示意图。

图6是本发明柔性仿生推进器的鳍条处于受阻状态的结构示意图。

图中各标号表示：

1、第一密封端盖；2、边框；21、容置腔；22、第一油孔；23、第二油孔；24、第一腔室；25、第二腔室；26、腔体；3、摆杆；31、第一阀孔；32、第二阀孔；33、凸台；34、转动端；4、第一单向阀；41、第一阀芯；42、第一阀芯弹簧；43、第一调节螺钉；5、第二单向阀；51、第二阀芯；52、第二阀芯弹簧；53、第二调节螺钉；6、转轴；7、平键；8、复位弹簧；9、第二密封端盖；10、密封圈；11、压盖；12、连接件；13、支架；14、鳍条；15、油管接头。

具体实施方式

图1至图6示出了本发明的柔性仿生推进器的实施例，包括一个以上的柔性仿生摆动关节，柔性仿生摆动关节包括腔体26、摆杆3、转轴6和鳍条14，摆杆3安装于腔体26内并将腔体26分隔成第一腔室24和第二腔室25，摆杆3的一端为转动端34，摆杆3的另一端为自由摆动端，通过自由摆动端的摆动使转动端34转动；第一腔室24和第二腔室25上分别开设有连通油孔，连通油孔用于注入或排除液压油，连通油孔包括第一油孔22及第二油孔23，转轴6连接于摆杆3的转动端34，鳍条14安装于转轴6上。摆杆3在摆动过程中将腔体26分割为大小变化、总体积之和不变的第一腔室24和第二腔室25，通过连通油孔交替向这第一腔室24和第二腔室25内注入一定压力的液流，即可推动摆杆3做周期性往复摆动，摆频、摆幅和摆动规律可通过注入的液流控制，由此实现摆动运动的柔性。

本实施例中，摆杆3上开设有允许流体从第一腔室24向第二腔室25流动的第一单向阀4及允许液流从第二腔室25向第一腔室24流动的第二单向阀5；摆杆3上开设有两个单向阀孔，单向阀孔为阶梯孔状，第一单向阀4、第二单向阀5均包括安装于单向阀孔内的阀芯、阀芯弹簧及调节螺钉，阀芯安装于单向阀孔内并靠近阶梯部，阀芯弹簧一端顶紧阀芯，另一端与调节螺钉相连，调节螺钉上开设有过油孔。两个单向阀孔包括第一阀孔31和第二阀孔32，第一阀孔31和第二阀孔32的阶梯孔状为相反布置，阀芯包括第一阀芯41及第二阀芯51，阀芯弹簧包括第一阀芯弹簧42及第二阀芯弹簧52，调节螺钉包括第一调节螺钉43及第二调节螺钉53，所述第一阀芯41、第一阀芯弹簧42及第一调节螺钉43设于第一阀孔31内，所述第二阀芯51、第二阀芯弹簧52及第二调节螺钉53设于第二阀孔32内。通过在第一腔室24和第二腔室25之间设置两个反向安装的第一单向阀4、第二单向阀5，使摆杆3在收到外界干扰使得无法继续摆动时，其中一腔室（高压腔室）中继续注入的高压液流，其中一单向阀开启，液流流向另一个腔室（低压腔室），第一单向阀4、第二单向阀5开启压力可由阀芯弹簧通过调节螺钉分别调整。本实施例中，第一单向阀4、第二单向阀5为球形体阀，在其他实施例中，阀芯可选取圆锥台形状、圆柱形状、膜片。

本实施例中，当液压系统通过第一油孔22向第一腔室24注入一定压力液压时，摆杆3将绕转轴6顺时针转动。若转轴6所受负载力矩过大，或者受外界干扰而无法继续顺时针转动，则第一腔室24中的液流压力继续升高，直至将第一单向阀4的第一阀芯41推开，使得高压液流将经过第一调节螺钉43上的过油孔自动流向处于低压的第二腔室25，避免机械结构或者液压系统中电气系统损坏。当继续向第二油孔23中注入高压液压油时，若摆杆3和转轴6所受负载力矩在正常范围，则第二腔室25内的液流压力不会升高到将第二单向阀5开启，即摆杆3可以正常逆时针转动，否则第二单向阀5将开启，使得液流直接从高压第二腔室25流向低压第一腔室24，此时摆杆3停止摆动。当本发明所受正、反向负载力矩均未超过正常值，则第一单向阀4、第二单向阀5都处于关闭状态，此时摆杆3可以正常往复摆动。

本实施例中，摆杆3上自由摆动端的摆动行程上设置有两根复位弹簧8，分别对应安装于第一腔室24和第二腔室25中，复位弹簧8的一端与摆杆3的自由摆动端相连，复位弹簧8另一端与腔体26的内壁相连，摆杆3在摆到极限位置时形成一个液流缓冲腔，并通过复位弹簧8约束摆杆3的运动，从而减小甚至消除摆动换向过程中的液流冲击，同时确保无液流驱动时，摆杆3处于中间平衡位置。本实施例中，复位弹簧8为压缩弹簧，在其他实施例中，复位弹簧8可为拉伸弹簧。

本实施例中，腔体26包括边框2和两个密封端盖，两个密封端盖位于边框2的两端形成密封腔体。所述密封端盖包括第一密封端盖1及第二密封端盖9，第一密封端盖1及第二密封端盖9通过连接件12固定在边框2一侧，并保证两者上的轴孔同轴，第一密封端盖1及第二密封端盖9的外形与边框2外形相同，第一密封端盖1、边框2和第二密封端盖9的外形设计为扁平扇形结构，用以在紧凑结构内实现较大的摆动转矩输出；

本实施例中，腔体26上设有用来安装转动端34的容置腔21，容置腔21由边框2、第一密封端盖1及第二密封端盖9扣合形成，转动端34的直径与边框2上的容置腔21轴孔直径相同，转动端34内部圆孔与转轴6配合，且通过平键7使二者连接在一起。在第一密封端盖1上设计有一定深度的封闭轴孔，在第二密封端盖9的相应位置设有通孔，通孔与容置腔21直径等大，转轴6与封闭轴孔相配，与边框2上容置腔21同轴，由此形成转动副。

本实施例中，转轴6的一端伸出腔体26，鳍条14连接于转轴6上的伸出端上；靠近转轴6伸出端的密封端盖上设有密封组件，密封组件包括密封圈10、挤压盖11及连接件12，密封圈10套设与转轴6上并通过连接件12和压盖11固定于密封端盖上，有效避免了液流从转轴6和第二密封端盖9通孔的配合面处泄露。

本实施例中，腔体26的截面形状为扇形，自由摆动端位于扇形腔体中较大的一端内，摆杆3下端为与边框2内侧相配合的等尺寸圆弧状结构。

本实施例中，摆杆3上自由摆动端的底部两侧分别设有凸台33，凸台33的设置防止了摆杆3侧面与边框2侧面贴合，避免造成换向时的液流压力冲击。本实施例中，所有柔性仿生摆动关节依次排列并固定安装于支架组件上。

本实施例中，每个柔性仿生摆动关节上的第一油孔22和第二油孔23上安装有一个油管接头15，并通过油管接头15连通有液压系统，以方便连接液压系统，实现液压油的注入和排出。

如图4至图6所示，所有柔性仿生摆动关节依次排列并固定安装于支架组件上，本实施例中，支架组件为两个支架13，分别位于柔性仿生摆动关节的两侧，多个柔性仿生摆动关节上的鳍条14上蒙上柔软蒙皮形成鳍面。

如图4所示，支架13呈直线状，一系列柔性仿生摆动关节通过螺钉及安装孔安装在支架13上，呈等间距排列，在其他实施例中，也可以非等间距排列。由于复位弹簧8的作用，所有鳍条14都处于中间平衡位置。图5是柔性仿生推进器在液压阀控制下摆动形成正常波形的结构示意图；图6是从左数第4、5柔性仿生摆动关节上安装的鳍条14受外界干扰而无法正常摆动时的结构示意图，其整体形成波形，由于造成对应的柔性仿生摆动关节内部摆杆3的摆动运动受阻，造成其内部一侧容腔的油压升高，使得摆杆3上的单向阀相应开启并泄流，防止仿生摆动关节内部由于油压升高而造成损坏，此时无液压力作用于摆杆3使其摆动，对应鳍条14将不再摆动，防止鳍条14折断。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种柔性仿生推进器，包括一个以上的柔性仿生摆动关节，所述柔性仿生摆动关节包括腔体（26）、摆杆（3）、转轴（6）和鳍条（14），所述摆杆（3）安装于腔体（26）内并将腔体（26）分隔成第一腔室（24）和第二腔室（25），所述摆杆（3）的一端为转动端（34），所述摆杆（3）的另一端为自由摆动端，通过自由摆动端的摆动使转动端（34）转动；所述第一腔室（24）和第二腔室（25）上分别开设有连通油孔，所述转轴（6）连接于摆杆（3）的转动端（34），所述鳍条（14）安装于转轴（6）上，其特征在于，所述摆杆（3）上开设有允许液流从第一腔室（24）向第二腔室（25）流动的第一单向阀（4）及允许液流从第二腔室（25）向第一腔室（24）流动的第二单向阀（5）。

2.根据权利要求1所述的柔性仿生推进器，其特征在于，所述摆杆（3）上开设有两个单向阀孔，所述单向阀孔为阶梯孔状，所述第一单向阀（4）、第二单向阀（5）均包括安装于单向阀孔内的阀芯、阀芯弹簧及调节螺钉，所述阀芯安装于单向阀孔内并靠近阶梯部，所述阀芯弹簧一端顶紧阀芯，另一端与调节螺钉相连；所述调节螺钉上开设有过油孔。

3.根据权利要求1或2所述的柔性仿生推进器，其特征在于，所述摆杆（3）上自由摆动端的摆动行程上设置有两根复位弹簧（8），分别对应安装于第一腔室（24）和第二腔室（25）中，所述复位弹簧（8）的一端与摆杆（3）的自由摆动端相连，所述复位弹簧（8）另一端与腔体（26）的内壁相连。

4.根据权利要求1或2所述的柔性仿生推进器，其特征在于，所述腔体（26）包括边框（2）和两个密封端盖，两个密封端盖位于边框（2）的两端形成密封腔体。

5.根据权利要求4所述的柔性仿生推进器，其特征在于，所述腔体（26）上设有用来安装转动端（34）的容置腔（21），所述容置腔（21）由边框（2）、两个密封端盖扣合形成。

6.根据权利要求1或2所述的柔性仿生推进器，其特征在于，所述腔体（26）的截面形状为扇形，所述自由摆动端位于扇形腔体中较大的一端内。

7.根据权利要求1或2所述的柔性仿生推进器，其特征在于，所有柔性仿生摆动关节依次排列并固定安装于支架组件上。

8.根据权利要求1或2所述的柔性仿生推进器，其特征在于，所述转轴（6）的一端伸出腔体（26），所述鳍条（14）连接于转轴（6）上的伸出端上；靠近转轴（6）伸出端的密封端盖上设有密封组件，所述密封组件包括密封圈（10）、挤压盖（11）及连接件（12），所述密封圈（10）套设与转轴（6）上并通过连接件（12）和压盖（11）固定于密封端盖上。

9.根据权利要求1或2所述的柔性仿生推进器，其特征在于，所述摆杆（3）上自由摆动端的底部两侧分别设有凸台（33）。