CN104149956B - 一种活塞振子扰流式仿生涡环发生器 - Google Patents

Abstract

一种活塞振子扰流式仿生涡环发生器，涉及仿生水下推进系统领域。本发明为了解决现有仿生水下推进系统运动控制困难、机械结构复杂、系统集成性较低的问题。本发明的仿生涡环发生器包括流线型前端盖、驱动器底座、滚珠丝杠驱动机构、传动法兰盘、活塞组件、筒形躯体、进水口、出水造涡端盖和活塞盘组件，出水造涡端盖包括液腔和出水口，活塞盘组件包括活塞盘、单向导流阀和矩形通孔；流线型前端盖与驱动器底座进行固定连接。本发明用于仿生水下推进系统制作。

Description

一种活塞振子扰流式仿生涡环发生器

技术领域

本发明涉及到一种活塞振子扰流式仿生涡环发生器，属于仿生水下推进系统领域。

背景技术

仿生游动机器人是近几年来在仿生机器学中一个较受关注的研究方向，人们希望能够通过观察、实验等手段科学地解释经过长期进化而来的水生生物是如何通过躯体运动来利用流场能量进行高效且优雅地运动，以寻求开发出适应性好、效率高的无人水下运载系统。仿生水下推进系统在这几年受到了越来越多的关注。相比于传统的波状游动鱼类，水母具备了较高的运动灵活性、环境适应性和目标隐蔽性，同时还具有高效的流场能量利用机制，特别适合作为海洋深潜、洋流观测、目标侦查以及武器运载等水下机器的仿生原型。

自然环境中的水母是通过躯体扰动尾流产生推力涡环实现自主推进的。根据尾涡的形态，可以将水母的推进模式大体分为划桨和喷射两种模式，对应的躯体形态则分别为扁圆形和椭圆形。尽管躯体形态有所区别，但他们都是依靠径向肌肉纤维的收缩和伸长来带动柔性壳体实现收缩和舒张，通过这种运动队壳体内腔所包裹的流体产生扰动，由壳体原型边缘喷出，获取发作用的推进力，实现自主游动。因此水母推进的本质是通过有效控制尾流环形涡的产生和运动来实现自主推进。目前的仿生水母机器人大多数着眼于形态相似性和运动相似性，因此基本上是采用智能材料或者特殊机构来驱动柔性壳体的收缩和舒张。

公开日为2007年8月22日、公开号为CN101020498A、发明名称为“机器仿生水母”的专利申请，它首次提出了一种采用电磁铁作为驱动本体，通过带动复位弹簧拉动挡板来实现收缩和舒张的效果，所述的装置采用两个腔体，通过反相控制两个腔体的运动，来交替完成吸水和喷水的过程，进而提高推进效率，但其结构较为复杂，且与真实水母的动作原理有较大区别。

发明内容

为了解决现有仿生水下推进系统存在的结构复杂、制造难度大、不易进行运动控制等问题，本发明提供了一种活塞振子扰流式仿生涡环发生器。

本发明的技术方案是：一种活塞振子扰流式仿生涡环发生器，包括流线型前端盖1、驱动器底座2、滚珠丝杠驱动机构3、传动法兰盘4、活塞组件5、筒形躯体6、进水口6-1、出水造涡端盖7和活塞盘组件9，出水造涡端盖7包括液腔7-1和出水口7-2，活塞盘组件9包括活塞盘9-2、单向导流阀9-1和矩形通孔9-2-1；流线型前端盖1与驱动器底座2进行固定连接；滚珠丝杠驱动机构3通过紧定螺钉定位在驱动器底座2上，传动法兰盘4由滚珠丝杠驱动机构3直接驱动，可进行往复运动，活塞组件5与传动法兰盘4端部通过螺栓进行固定连接，驱动器底座2、筒形躯体6以及出水造涡端盖7之间固定连接，单向导流阀9-1设置于活塞盘9-2上，活塞盘9-2径向中部开有用以安装单向导流阀9-1的矩形通孔9-2-1，筒形躯体6靠近出水造涡端盖7的一侧壁面上开有进水口6-1。

本发明有益效果如下：本发明的活塞振子扰流式仿生涡环发生器，具有设计灵活，运动控制简单，系统集成度高。通过滚珠丝杠驱动机构和带单向导流阀活塞振子组件的有效结合，以简练的结构实现了可控的涡环制造过程。本发明可用作研究水下仿生推进机理的实验平台，也可用于科普展览、仿生水下矢量推进器的制作等领域。

附图说明

图1是本发明的活塞振子扰流式仿生涡环发生器的剖面示意图。

图2是本发明的活塞振子扰流式仿生涡环发生器的立体结构示意图。

图3是本发明的活塞振子扰流式仿生涡环发生器的筒形躯体的立体结构示意图。

图4是本发明的活塞振子扰流式仿生涡环发生器的出水造涡端盖的立体结构示意图。

图5是本发明的活塞振子扰流式仿生涡环发生器的活塞组件单向阀处于闭合状态的立体结构示意图。

图6是本发明的活塞振子扰流式仿生涡环发生器的活塞组件单向阀处于打开状态的立体结构示意图。

图7是本发明的活塞振子扰流式仿生涡环发生器的造涡原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的一种活塞振子扰流式仿生涡环发生器，包括流线型前端盖1、驱动器底座2、滚珠丝杠驱动机构3、传动法兰盘4、活塞组件5、筒形躯体6、进水口6-1、出水造涡端盖7和活塞盘组件9，出水造涡端盖7包括液腔7-1和出水口7-2，活塞盘组件9包括活塞盘9-2、单向导流阀9-1和矩形通孔9-2-1；流线型前端盖1与驱动器底座2进行固定连接；滚珠丝杠驱动机构3通过紧定螺钉定位在驱动器底座2上，传动法兰盘4由滚珠丝杠驱动机构3直接驱动，可进行往复运动，活塞组件5与传动法兰盘4端部通过螺栓进行固定连接，驱动器底座2、筒形躯体6以及出水造涡端盖7之间固定连接，单向导流阀9-1设置于活塞盘9-2上，活塞盘9-2径向中部开有用以安装单向导流阀9-1的矩形通孔9-2-1，筒形躯体6靠近出水造涡端盖7的一侧壁面上开有进水口6-1。

本实施方式的活塞振子扰流式仿生涡环发生器在应用的时候，滚珠丝杠驱动机构3的行程应进行限位，以确保活塞组件5沿X轴方向运动时不会与筒形躯体6或者出水造涡端盖7发生干涉。

具体实施方式二：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的单向导流阀9-1和矩形通孔9-2-1的数量分别为两个至四个。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的进水口6-1的数量至少为六个，进水口6-1之间沿周向均匀分布。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的所述出水造涡端盖7的顶端设有出水口7-2，出水口7-2为椭圆形、方形或者三角形。这样可以实现尾流产生相应形态的涡环。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的活塞组件5的传动轴与筒形躯体6的结合部分为密封设置。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

工作原理：

本发明的活塞振子扰流式仿生涡环发生器主要由滚珠丝杠驱动机构带动活塞组件进行往复运动，实现活塞盘对储液腔内的流体进行扰动，使得出水造涡端盖的尾流产生涡环10，如图7所示，图中箭头代表流体方向。从生物动力学的角度而言，自然条件下的水母是通过周期性地收缩和舒张其柔性壳体对腹腔内的流体进行扰动，当流体在内部体积减小时会沿着水母的圆形壳体边缘喷出，进而产生驱动躯体进行性运动的作用力。根据流体物理中的涡控制理论，水母推进的本质是通过在尾流中产生可控的涡环以俘获流场能量制造推进力实现有效的运动。本发明根据这个原理，从仿生学的研究思路出发，设计了出水口截面为圆形的造涡端盖，通过沿X轴往复运动的活塞盘将储液腔中的水喷出，进而使得尾流中会产生稳定的涡环。本发明的活塞盘所在的储液腔，其流体是通过活塞组件的往复运动由筒形躯体壁面的进水口引入的，当活塞组件沿X轴负方向运动时，单向导流阀门会打开，使得流体沿X轴向运动，当活塞组件沿X轴正方向运动时，单向导流阀门会关闭，此时流体会在活塞振子的推力下沿出水造涡端盖的出水口运动，此时为涡环发生的有效行程。该结构组合一方面可以保证储液腔有足够的流体供活塞振子推出，另一方面使得本发明的设计更为灵活。

本发明的活塞振子扰流式仿生涡环发生器是通过调节滚珠丝杠驱动机构的运动参数来实现涡环可控的，可以电流或者给定脉冲数来进行位置控制或速度控制。根据水母推进的涡形成机理，柔性壳体的收缩和舒张频率会直接影响尾涡产生的频率和形态，因此本发明可以通过控制驱动组件的正反转和转速来带动活塞组件进行沿X轴方向的往复运动，以调节出水造涡端盖出水口的流速，进而对涡环的发生频率和形态进行有效的控制，也就是实现可控的涡环发生过程。

上述内容仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种活塞振子扰流式仿生涡环发生器，其特征在于，包括流线型前端盖(1)、驱动器底座(2)、滚珠丝杠驱动机构(3)、传动法兰盘(4)、活塞组件(5)、筒形躯体(6)、进水口(6-1)、出水造涡端盖(7)和活塞盘组件(9)，出水造涡端盖(7)包括液腔(7-1)和出水口(7-2)，活塞盘组件(9)包括活塞盘(9-2)、单向导流阀(9-1)和矩形通孔(9-2-1)；流线型前端盖(1)与驱动器底座(2)进行固定连接；滚珠丝杠驱动机构(3)通过紧定螺钉定位在驱动器底座(2)上，传动法兰盘(4)由滚珠丝杠驱动机构(3)直接驱动，可进行往复运动，活塞组件(5)与传动法兰盘(4)端部通过螺栓进行固定连接，驱动器底座(2)、筒形躯体(6)以及出水造涡端盖(7)之间固定连接，单向导流阀(9-1)设置于活塞盘(9-2)上，活塞盘(9-2)径向中部开有用以安装单向导流阀(9-1)的矩形通孔(9-2-1)，筒形躯体(6)靠近出水造涡端盖(7)的一侧壁面上开有进水口(6-1)。

2.根据权利要求1所述的活塞振子扰流式仿生涡环发生器，其特征在于，单向导流阀(9-1)和矩形通孔(9-2-1)的数量分别为两个至四个。

3.根据权利要求1所述的活塞振子扰流式仿生涡环发生器，其特征在于，进水口(6-1)的数量至少为六个，进水口(6-1)之间沿周向均匀分布。

4.根据权利要求1所述的活塞振子扰流式仿生涡环发生器，其特征在于，所述出水造涡端盖(7)的顶端设有出水口(7-2)，出水口(7-2)为椭圆形、方形或者三角形。

5.根据权利要求1所述的活塞振子扰流式仿生涡环发生器，其特征在于，活塞组件(5)的传动轴与筒形躯体(6)的结合部分为密封设置。