CN104477358A - 水母游动式串联仿生水下推进装置 - Google Patents

Abstract

水母游动式串联仿生水下推进装置，它涉及一种水下推进装置，以解决现有水母游动式仿生推进装置存在机械结构复杂、运动控制难度大、系统集成度低、不适于微小型化、且在一个运动周期内不能持续保持水母收缩喷水状态的高效率以及与真实水母的推进行为相差较大的问题，它包括N个供电及控制模块，它还包括N-1个级间衔接轴和N级推进机器水母，其中N为正整数，且N≥2；相邻两级推进机器水母通过级间衔接轴连接，且级间衔接轴与推进机器水母同轴，级间衔接轴的一端与其中一级推进机器水母的腹腔顶盖连接，该级间衔接轴的另一端与另一级推进机器水母的腹腔基座连接；腹腔基座嵌入仿生柔性躯体的底部。本发明用于海洋科考等领域。

Description

水母游动式串联仿生水下推进装置

技术领域

本发明涉及一种水下推进装置，具体涉及一种串联仿生水下推进装置，属于仿生水下推进系统领域。

背景技术

仿生水下推进装置，是一种参考水下仿生原型(如鱼、海龟等)开发设计出来的机械系统，具有高效、静音等特点，有望取代部分现有的螺旋桨推进系统，因此具有重要的军用和商用价值，吸引着越来越多的研究人员从事此方面的工作。大体而言，水下仿生原型的推进形式大体上可以分为躯体尾鳍推进(BCF)、胸鳍推进(MPF)、喷射推进(JP)三种形式，从机器仿生学角度而言，基于BCF和MPF推进原型的机械系统具有结构复杂、控制难度大的缺点，相反，基于射流推进原型的系统则具备结构简单、容易控制、运动效率高的特点，适合用于水下环境监测、目标追踪，或者作为水下运载平台。

水母作为典型的喷射推进原型，是地球上存在的最古老的游动生物之一，广泛存在于海洋的各个区域。经过长期的进化，它们能够适应多数复杂的洋流环境，这得益于其独特的流体动力学推进机理。水母形式的推进具有能量利用效率高的特点，这也是其他躯体波状游动或者胸鳍拍动推进所不可比拟的。自然环境中的水母，主要是依靠径向分布的肌肉纤维收缩和伸长来带动柔性外壳的收缩和舒展，同时带动壳体内腔水流的运动，在水流的反作用力驱动下，就可以完成前行、转弯等推进行为。近几年，基于水母仿生原型的水下推进机器人受到越来越多的重视。

经公开的中文文献检索，公开日为2007年8月22日、公开号为CN101020498A的发明名称为“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，运动控制难度大，且与真实水母的动作原理有较大区别。

授权公开日为2010年9月15日、授权公开号为CN101391650B的发明名称为“形状记忆合金驱动的仿生机器水母”的专利申请，它提出了一种采用U型形状记忆合金条驱动弹性金属片的设计，通过形状记忆合金的收缩和放松来实现弧形金属弹簧片的弯曲和放松，进而带动柔性外壳实现喷水和吸水的动作，所述的装置结构简单，在形态上与真实水母较为相近，但运动幅度较小，所能产生的射流动力有限，与真实水母的推进行为相差较大。

发明内容

本发明是为解决现有水母游动式仿生推进装置存在机械结构复杂、运动控制难度大、系统集成度低、不适于微小型化、且在一个运动周期内不能持续保持水母收缩喷水状态的高效率以及与真实水母的推进行为相差较大的问题，进而提供一种水母游动式串联仿生水下推进装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的水母游动式串联仿生水下推进装置包括N个供电及控制模块，它还包括N-1个级间衔接轴和N级推进机器水母，其中N为正整数，且N≥2；

N级推进机器水母同轴串联布置，相邻两级推进机器水母通过级间衔接轴连接，且级间衔接轴与推进机器水母同轴，级间衔接轴的一端与其中一级推进机器水母的腹腔顶盖连接，该级间衔接轴的另一端与另一级推进机器水母的腹腔基座连接；

每级推进机器水母包括腹腔顶盖、腹腔基座、仿生柔性躯体和M个弯曲形压电纤维复合材料驱动关节，其中M为偶数，且M≥4；每个仿生柔性躯体的外轮廓呈半球形，每个仿生柔性躯体的侧壁面内均布嵌装有M个弯曲形压电纤维复合材料驱动关节，腹腔基座嵌入仿生柔性躯体的底部，腹腔顶盖的开口端盖合在腹腔基座的开口端上且二者可拆卸密封连接，供电及控制模块安装在腹腔顶盖与腹腔基座构成的封闭空腔中，供电及控制模块与M个弯曲形压电纤维复合材料驱动关节电连接。

本发明的有益效果是：本发明的水母游动式串联型仿生水下推进装置由两级机器水母构成，每级推进机器水母主要通过内嵌于柔性硅胶蒙皮的弯曲形压电纤维复合材料(PFC)驱动关节的弯曲变形带动柔性躯体进行相对于轴心轴线的收缩或舒张运动。对于每一级的推进机器水母而言，根据压电纤维复合材料的驱动特性，当给弯曲形压电纤维复合材料(PFC)驱动关节的凹面通以正向电压时，会使得关节产生外展动作，进而带动柔性躯体的向外伸展，这个阶段对应水母运动周期的舒张阶段，此时柔性躯体凹面包裹的流体增多，为喷水推进做准备；当给弯曲型PFC驱动关节的凹面同一负向电压时，则会使得关节产生收缩动作，弯曲曲率增大，进而带动柔性躯体的向内回缩，这个阶段对应水母运动周期的收缩阶段，此时柔性躯体凹面包裹的流体快速向着推进的反方向喷出，获得了前进的动力，这个阶段是水母一个完整运动周期内有效推进力的主要来源，其效率也是整个运动周期内最高的。

本发明的水母游动式串联型仿生水下推进装置由两级机器水母协同推进，因此系统的运动等效于两级推进机器水母复合运动的效果。水母一个完整的运动周期一般包括两个阶段，即柔性躯体收缩阶段和柔性躯体舒张阶段，其中收缩阶段是实现喷水推进的高效率阶段，而舒张阶段则是为了增大凹腔流体的体积，为收缩喷水做准备。本发明的仿生水下推进装置采用串联型复合驱动，保证系统在一个完整的运动周期内都具备水母收缩阶段高效推进的优点，同时又能够保证系统具备充分的时间来为收缩喷水做准备。具体而言，本发明在使用时可以将两级推进机器水母进行差相控制，当两级的相位差在半个周期时，便可以实现一级推进机器水母在收缩喷水的同时另一级推进机器水母处于舒张阶段为收缩做准备，这样便可以使得系统在整个运动周期内的推进效率高于非串联型的单级的机器水母，实现推进装置系统性能的优化。

本发明的水母游动式串联型仿生水下推进装置设计灵活、结构轻巧、清洁高效，有较高的系统集成度和模块化程度，便于加工制造和维护，由于采用了多级机器水母复合推进的方式，因此，可以在一个完整运动周期内充分利用水母收缩阶段所具有的高效流体动力机制，提高了本发明的系统推进效率，实现了较为优越的仿生推进性能，与真实水母的推进行为接近。本发明可用于海洋科考、娱乐观赏等领域，还可以用作研究海洋生物喷水推进流动控制机理的实验平台。

附图说明

图1是本发明的水母游动式串联仿生水下推进装置的主剖面示意图，图2是本发明所述的每级推进机器水母的腹腔基座的立体结构示意图，图3是本发明的级间衔接轴的立体结构示意图，图4是本发明的弯曲形压电纤维复合材料驱动关节的变形状态示意图，图5是推进机器水母腔体收缩排水产生有效推进力的流动结构物理模型图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图5说明，本实施方式的水母游动式串联仿生水下推进装置包括N个供电及控制模块4，它还包括N-1个级间衔接轴5和N级推进机器水母1，其中N为正整数，且N≥2；

N级推进机器水母1同轴串联布置，相邻两级推进机器水母1通过级间衔接轴5连接，且级间衔接轴5与推进机器水母1同轴，级间衔接轴5的一端与其中一级推进机器水母1的腹腔顶盖7连接，该级间衔接轴5的另一端与另一级推进机器水母1的腹腔基座6连接；

每级推进机器水母包括腹腔顶盖7、腹腔基座6、仿生柔性躯体9和M个弯曲形压电纤维复合材料驱动关节8，其中M为偶数，且M≥4；每个仿生柔性躯体9的外轮廓呈半球形，每个仿生柔性躯体9的侧壁面内均布嵌装有M个弯曲形压电纤维复合材料驱动关节8，腹腔基座6嵌入仿生柔性躯体9的底部，腹腔顶盖7的开口端盖合在腹腔基座6的开口端上且二者可拆卸密封连接，供电及控制模块4安装在腹腔顶盖7与腹腔基座6构成的封闭空腔3中，供电及控制模块4与M个弯曲形压电纤维复合材料驱动关节8电连接。

本实施方式的腹腔基座6为法兰式腹腔基座6。本实施方式的供电及控制模块4为现有技术。

具体实施方式二：结合图1说明，本实施方式的仿生柔性躯体9由硅胶制成。如此设置，化学性质稳定，有较高的机械强度，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明，本实施方式所述推进机器水母1的级数为2级。如此设置，满足设计要求和实际使用。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式所述弯曲形压电纤维复合材料驱动关节8的个数为四个。如此设置，满足设计要求和实际使用。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1说明，本实施方式的相邻两级推进机器水母1的其中一级推进机器水母的腹腔顶盖7的外侧面加工有顶盖凸台7-1，相邻两级推进机器水母1的另一级推进机器水母的腹腔基座6的外表面加工有基座凸台6-1，级间衔接轴5的一端与其中一级推进机器水母1的腹腔顶盖7的顶盖凸台7-1螺纹连接，该级间衔接轴5的另一端与另一级推进机器水母1的腹腔基座6的基座凸台6-1螺纹连接。本实施方式的级间衔接轴5的两端加工有外螺纹5-1，顶盖凸台7-1和基座凸台6-1上加工有内螺纹，如此设置，连接方便，拆装简便。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明，本实施方式的腹腔顶盖7的开口端与腹腔基座6的开口端螺纹连接。如此设置，连接方便，使用简单。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图2说明，本实施方式的腹腔基座6的侧壁上加工有穿线孔6-1，供电及控制模块4通过穿过穿线孔6-1内的导线13与M个弯曲形压电纤维复合材料驱动关节8电连接。如此设置，连接方便可靠。其它与具体实施方式一、二、四或六相同。

具体实施方式八：结合图1说明，本实施方式的每级推进机器水母1还包括密封圈15，腹腔顶盖7的开口端通过密封圈15与腹腔基座6的开口端密封连接。如此设置，有利于防水绝缘和供电及控制模块的储存。其它与具体实施方式七相同。

工作原理

本发明的水母游动式串联仿生水下推进装置在制造的时候，采用模块化设计和制造的方法，对于每一级推进机器水母采用一致的制造方法。为了提高弯曲形压电纤维复合材料驱动关节驱动关节8对仿生柔性躯体9的制动效率和运动控制精度，将弯曲形压电纤维复合材料驱动关节内嵌于仿生柔性躯体9内，因此单级推进机器水母制造的时候，应预先将弯曲形压电纤维复合材料驱动关节8沿轴心轴线对称布置在硅胶浇铸模具中，相邻的驱动关节夹角为90°，其导线通过腹腔基座6法兰穿线孔6-1引入机械空腔3内侧以便与供电及控制模块4连接，然后将浇铸硅胶进行腹腔基座6、压电纤维复合材料驱动关节8、仿生柔性躯体9的一体化成型。待固化成型以及内部接线完成后，便可以将腹腔顶盖7与腹腔基座6进行固定连接，两者的连接是通过腹腔顶盖法兰的外螺纹和腹腔基座法兰内螺纹的配合实现的。腹腔基座6的法兰端部开有密封槽12以放置密封圈，起到静密封的作用，防止外部液体渗入封闭空腔3对供电及控制模块4产生负面影响。

本发明的水母游动式串联仿生水下推进装置在应用的时候，每级推进机器水母1都采用弯曲形压电纤维复合材料驱动关节8进行制动。如图4所示，通过控制弯曲形压电纤维复合材料驱动关节凹面所通电压的时间和方向便可以使得弯曲形压电纤维复合材料(PFC)驱动关节产生弯曲和恢复的形态，从持续的时间时刻上来看，便是一种摆动形态(图4中的双实心箭头所示)，在这种驱动关节的带动下，柔性的水母躯体体现出来的是舒张和收缩的状态。在流体中，水母躯体的收缩和舒张会产生获得前向推进的动力，达到仿生推进器的发明目的。图5为推进机器水母腔体收缩排水产生有效推进力的流动结构物理模型图，其中实心箭头表示推进方向，腹腔9-1和涡环对16。

本发明的水母游动式串联仿生水下推进装置在应用的时候，每级推进机器水母1都具有各自独立的控制模块，通过对两个独立控制模块进行差相控制，即相邻两级推进机器水母的舒张和收缩可以不在同一时刻进行。由于水母在收缩时刻产生的推进效率和推进力是一个完整运动周期内最高的，因此当两级推进机器水母的舒张和收缩运动相位差半个周期时，即可以使得本发明的仿生水下推进装置在一个运动周期内都可以有较高持续推进效率，达到较为优化的仿生推进性能。

Claims (8)

1.水母游动式串联仿生水下推进装置，它包括N个供电及控制模块(4)，其特征在于：它还包括N-1个级间衔接轴(5)和N级推进机器水母(1)，其中N为正整数，且N≥2；

N级推进机器水母(1)同轴串联布置，相邻两级推进机器水母(1)通过级间衔接轴(5)连接，且级间衔接轴(5)与推进机器水母(1)同轴，级间衔接轴(5)的一端与其中一级推进机器水母(1)的腹腔顶盖(7)连接，该级间衔接轴(5)的另一端与另一级推进机器水母(1)的腹腔基座(6)连接；

每级推进机器水母包括腹腔顶盖(7)、腹腔基座(6)、仿生柔性躯体(9)和M个弯曲形压电纤维复合材料驱动关节(8)，其中M为偶数，且M≥4；每个仿生柔性躯体(9)的外轮廓呈半球形，每个仿生柔性躯体(9)的侧壁面内均布嵌装有M个弯曲形压电纤维复合材料驱动关节(8)，腹腔基座(6)嵌入仿生柔性躯体(9)的底部，腹腔顶盖(7)的开口端盖合在腹腔基座(6)的开口端上且二者可拆卸密封连接，供电及控制模块(4)安装在腹腔顶盖(7)与腹腔基座(6)构成的封闭空腔(3)中，供电及控制模块(4)与M个弯曲形压电纤维复合材料驱动关节(8)电连接。

2.根据权利要求1所述的水母游动式串联仿生水下推进装置，其特征在于：仿生柔性躯体(9)由硅胶制成。

3.根据权利要求1或2所述的水母游动式串联仿生水下推进装置，其特征在于：所述推进机器水母(1)的级数为2级。

4.根据权利要求3所述的水母游动式串联仿生水下推进装置，其特征在于：所述弯曲形压电纤维复合材料驱动关节(8)的个数为四个。

5.根据权利要求1、2或4所述的水母游动式串联仿生水下推进装置，其特征在于：相邻两级推进机器水母(1)的其中一级推进机器水母的腹腔顶盖(7)的外侧面加工有顶盖凸台(7-1)，相邻两级推进机器水母(1)的另一级推进机器水母的腹腔基座(6)的外表面加工有基座凸台(6-1)，级间衔接轴(5)的一端与其中一级推进机器水母(1)的腹腔顶盖(7)的顶盖凸台(7-1)螺纹连接，该级间衔接轴(5)的另一端与另一级推进机器水母(1)的腹腔基座(6)的基座凸台(6-1)螺纹连接。

6.根据权利要求5所述的水母游动式串联仿生水下推进装置，其特征在于：腹腔顶盖(7)的开口端与腹腔基座(6)的开口端螺纹连接。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的水母游动式串联仿生水下推进装置，其特征在于：腹腔基座(6)的侧壁上加工有穿线孔(6-1)，供电及控制模块(4)通过穿过穿线孔(6-1)内的导线(13)与M个弯曲形压电纤维复合材料驱动关节(8)电连接。

8.根据权利要求7所述的水母游动式串联仿生水下推进装置，其特征在于：每级推进机器水母(1)还包括密封圈(15)，腹腔顶盖(7)的开口端通过密封圈(15)与腹腔基座(6)的开口端密封。