CN108357654B - 一种化学放能反应驱动的水下软体机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种化学放能反应驱动的水下软体机器人。其包括反应舱、仿生头部控制舱和保持架，反应舱外表面设置驱动翼，驱动翼通过设置的连杆与弹性设置在保持架上的推动板连接，仿生头部控制舱内设有电化学脉冲驱动装置和原料仓，电化学脉冲驱动装置底部接入反应舱内的驱动发生室，原料仓与驱动发生室之间设有单向阀，驱动发生室底部设有软体驱动膜，软体驱动膜与推动板接触，推动板在弹性和软体驱动膜的作用下在保持架上往复运动，从而驱动驱动翼。本发明将化学放能反应与软体材料结合起来，实现了水下软体机器人的瞬变速运动，即瞬时直线加速启动与瞬时加速转弯等过程，其制动过程中产生的加速度远远高于其他现有软体材料驱动的水下机器人。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种化学放能反应驱动的水下软体机器人。
背景技术
智能材料作为新兴的软体材料，在软体机器人行业中有重要意义，在军工行业中，装备对瞬变速避障和瞬变速打击的要求也日益提升。目前在软体机器人设计过程中，形状记忆合金、离子交换聚合物金属复合材料、介电高弹体和响应水凝胶等材料应用较多，其中响应速度慢、输出力较小和精确控制难度大等问题亟待解决。
水母因其脉冲喷射与游动耦合、瞬变速与高灵活性的运动特点，成为各材料在水下仿生机器人上的重要应用目标。目前已研究出的水下软体机器人中，有由电机、内燃机等为原动机的刚体机器人和由软体材料为原动机的软体机器人，仿生相似度均十分低下，部分或完全无法达到预期的仿生设计目标：刚体水下机器人存在噪声大、重量大和耗能高等问题，现有设计出的软体水下机器人存在加速度低、控制难度大、喷射与游动耦合表现不理想（部分材料完全无法实现）等设计缺陷。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于设计提供一种化学放能反应驱动的水下软体机器人的技术方案。
所述的一种化学放能反应驱动的水下软体机器人，其特征在于包括依次连接的反应舱、仿生头部控制舱和保持架，所述的反应舱外表面设置驱动翼，所述的驱动翼通过设置的连杆与弹性设置在保持架上的推动板连接，所述的仿生头部控制舱内设有电化学脉冲驱动装置和原料仓，所述的电化学脉冲驱动装置底部接入反应舱内的驱动发生室，所述的原料仓与驱动发生室之间设有单向阀，所述的驱动发生室底部设有软体驱动膜，所述的软体驱动膜与推动板接触，所述的推动板在弹性和软体驱动膜的作用下在保持架上往复运动，从而驱动驱动翼。
所述的一种化学放能反应驱动的水下软体机器人，其特征在于所述的驱动发生室和反应仓底部设有通孔，所述的驱动发生室和反应仓的通孔中填充软体驱动膜。
所述的一种化学放能反应驱动的水下软体机器人，其特征在于所述的连杆两端均设置铰链，所述的连杆一端与驱动翼前端下表面连接，另一端与推动板外沿连接。
所述的一种化学放能反应驱动的水下软体机器人，其特征在于所述的电化学脉冲驱动装置通过仿生头部控制舱上设置的密封孔接入驱动发生室。
所述的一种化学放能反应驱动的水下软体机器人，其特征在于所述的推动板通过设置的弹簧与保持架弹性配合。
所述的一种化学放能反应驱动的水下软体机器人，其特征在于所述的保持架内设置有接通外界环境与驱动发生室的柱形空腔，所述的柱形空腔尾部设置单向软气阀。
所述的一种化学放能反应驱动的水下软体机器人，其特征在于所述的驱动翼由多节软体材料构成，并由软体材料包被，所述的软体材料之间通过双向转动限制机构连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明创新性地将化学放能反应与软体材料结合起来，实现了水下软体机器人的瞬变速运动，即瞬时直线加速启动与瞬时加速转弯等过程，其制动过程中产生的加速度远远高于其他现有软体材料驱动的水下机器人；本发明创新性地将化学驱动与气动结合起来，实现了水下软体机器人的脉冲喷射与游动耦合特性，即驱动翼划水游动的去程时机身不喷射气体，驱动翼游动回程时机身向后喷射气体，实现了水母动作与功能仿生的完全吻合；本发明创新性地利用化学反应的瞬时性大幅度提升了输出力与响应时间；本发明通过软体材料与机架的配合设计，简化了复杂的控制过程，仅使用脉冲控制即可完成复杂的动作过程；本发明相较于刚性水下机器人，有质量轻、耗能低和噪声小的优点。
附图说明
图1为水下软体机器人等轴测视图；
图2为水下软体机器人直线游动推程侧视图；
图3为水下软体机器人转弯游动推程侧视图；
图4为水下软体机器人静止状态侧视剖面图；
图5和6为双向转动限制机构结构示意图。
图中：1-驱动翼；2-连杆；3-铰链；4-反应仓；5-仿生头部控制舱；6-保持架；7-推动板；8-弹簧；9-软体驱动膜；1001-电化学脉冲驱动装置；1002-原料仓；11-密封孔；12-柱形空腔；13-单向软气阀；14-驱动发生室；15-双向转动限制机构；1501-限制单元；1502-转动单元。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种化学放能反应驱动的水下软体机器人由反应仓4、仿生头部控制舱5和保持架6构成机体部分。反应舱4外表面设置驱动翼1，驱动翼1通过设置的连杆2与推动板7连接，具体是连杆2两端均设置铰链3，所述的连杆2一端与驱动翼1前端下表面连接，另一端与推动板7外沿连接。推动板7通过设置的弹簧8与保持架6弹性配合。
仿生头部控制舱5内设有电化学脉冲驱动装置1001和原料仓1002。电化学脉冲驱动装置1001通过仿生头部控制舱5上设置的密封孔11接入驱动发生室14。原料仓1002用于存储反应气体，其与驱动发生室14之间设有单向阀。
驱动发生室14底部设有软体驱动膜9，具体是：驱动发生室14和反应仓4底部设有通孔，驱动发生室14和反应仓4的通孔中填充软体驱动膜9。软体驱动膜9与推动板7接触。推动板7在弹簧8和软体驱动膜9的作用下在保持架6上往复运动，从而驱动驱动翼1。
驱动翼1由多节软体材料（dragon skin10硅胶、水凝胶、介电高弹性聚合物等）构成，并由软体材料包被，或者由多节软体材料构成，软体材料之间使用双向转动限制机构15连接。
保持架6内还设置有接通外界环境与驱动发生室14的柱形空腔12，柱形空腔12尾部设置单向软气阀13。
以图2所示为例解释能源装填、传递与制动。驱动能源为两种气体原料的混合气，两种原料分别储存于两个原料仓1002内，二者不同的混合比例会发生不同程度的放能反应，通过控制混合比例，将两种气体原料（如甲烷与氧气）通过单向软气阀13从原料仓1002输入至驱动发生室14，在驱动发生室14中，两种气体原料充分混合。电化学脉冲驱动装置1001由脉冲信号发生模块、放大电路模块和电火花发生模块组成，其中电火花发生模块的两条触发电线穿过密封孔11伸入驱动发生室14中，脉冲发生模块产生脉冲信号，由放大电路模块将放大脉冲信号峰值，而后由电火花发生模块释放脉冲的电火花引燃气体原料混合物。引燃后混合气会在十分短暂的时间内释放大量能量，一部分能量通过热量形式散失，另一部分能量导致软体驱动膜9变形，以机械能的形式散失，本发明即利用这部分机械能驱动机构运动。
以图2、图3所示为例解释游动-喷射耦合运动过程。引燃原料混合气会瞬间产生大量的生成物气体，如二氧化碳和水蒸气，气体体积的增加使驱动发生室14室内压强瞬间增大，导致软体驱动膜9受压向外变形，快速推动推动板7，推动板7与驱动翼1通过连杆2连接构成曲柄滑块机构，去程时驱动翼1划水。化学放能反应产生的气体受高压，通过柱形空腔12由单向软气阀13向机体后方高速喷射，这个过程是缓于划水过程的，在喷射过程结束后，即可进入下一次循环。
以图3、图4所示为例解释直动与转弯过程。当机器人进行直动驱动过程时，原料气体被平均输入至各个驱动发生室14，共同激发脉冲信号使放能反应同时发生，进而使各个软体驱动膜9推动各个推动板7，使所有驱动翼1同时划水，完成直动驱动过程。转弯过程可由两种实现方式，一种是一个或多个驱动翼划动其他静止，另一种是一个或多个驱动翼1划动推程其他回程，从而实现更高效的转弯过程。
以图5和6所示为例解释双向转动限制机构15工作过程。双向转动限制机构15包括限制单元1501和转动单元1502，限制单元1501和转动单元1502同轴转动配合，其中限制单元1501由两块呈一定角度的限位板构成，转动单元1502设置在限制单元1501的两块限位板之间。限制单元1501的一块限位板与上一节驱动翼1连接，转动单元1502与下一节驱动翼1连接。运作时，当转动单元1502转动到限制单元1501两个极限位置时，限制单元1501会限制其转动并保持其转动位置。
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。
Claims (5)
1.一种化学放能反应驱动的水下软体机器人，其特征在于包括依次连接的反应舱（4）、仿生头部控制舱（5）和保持架（6），所述的反应舱（4）外表面设置驱动翼（1），所述的驱动翼（1）通过设置的连杆（2）与弹性设置在保持架（6）上的推动板（7）连接，所述的仿生头部控制舱（5）内设有电化学脉冲驱动装置（1001）和原料仓（1002），所述的电化学脉冲驱动装置（1001）底部接入反应舱（4）内的驱动发生室（14），所述的原料仓（1002）与驱动发生室（14）之间设有单向阀，所述的驱动发生室（14）底部设有软体驱动膜（9），所述的软体驱动膜（9）与推动板（7）接触，所述的推动板（7）通过设置的弹簧（8）与保持架（6）弹性配合；
电化学脉冲驱动装置（1001）由脉冲信号发生模块、放大电路模块和电火花发生模块组成，其中电火花发生模块的两条触发电线穿过密封孔（11）伸入驱动发生室（14）中，脉冲发生模块产生脉冲信号，由放大电路模块将放大脉冲信号峰值，由电火花发生模块释放脉冲的电火花引燃气体原料混合物，进而导致软体驱动膜（9）受压向外变形；
所述的推动板（7）在弹簧和软体驱动膜（9）的作用下在保持架（6）上往复运动，从而驱动驱动翼（1）；
所述的保持架（6）内设置有接通外界环境与驱动发生室（14）的柱形空腔（12），所述的柱形空腔（12）尾部设置单向软气阀（13）。
2.如权利要求1所述的一种化学放能反应驱动的水下软体机器人，其特征在于所述的驱动发生室（14）和反应舱（4）底部设有通孔，所述的驱动发生室（14）和反应舱（4）的通孔中填充软体驱动膜（9）。
3.如权利要求1所述的一种化学放能反应驱动的水下软体机器人，其特征在于所述的连杆（2）两端均设置铰链（3），所述的连杆（2）一端与驱动翼（1）前端下表面连接，另一端与推动板（7）外沿连接。
4.如权利要求1所述的一种化学放能反应驱动的水下软体机器人，其特征在于所述的电化学脉冲驱动装置（1001）通过仿生头部控制舱（5）上设置的密封孔（11）接入驱动发生室（14）。
5.如权利要求1所述的一种化学放能反应驱动的水下软体机器人，其特征在于所述的驱动翼（1）由多节软体材料构成，并由软体材料包被，所述的软体材料之间通过双向转动限制机构（15）连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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