CN109131797B - 一种化学放能反应驱动的全软体水下机器人及其实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下软体机器人技术领域，具体涉及一种化学放能反应驱动的全软体水下机器人及其实验平台，其特征在于：所述水下机器人本体包含依次连接的变刚度头部、变刚度身体和弧形尾部，所述变刚度头部上设置有气管接口，所述的变刚度身体上设置有柔性翼，所述弧形尾部上设置有喷射孔和传动孔；所述本体内部包括依次连接的反应仓、柔性驱动膜和储水喷射仓，所述柔性驱动膜上设置柔性关节，所述柔性关节上设置柔性骨骼与柔性翼连接。与现有技术相比：化学放能反应响应速度极快、输出力大和恢复迅速，借助化学放能反应作为软体水下机器人的驱动方法，结合特定软体材料机器人结构，可使水下装备的瞬变速避障、瞬变速打击和快速起动等行业难题。

Description

一种化学放能反应驱动的全软体水下机器人及其实验平台

技术领域

本发明属于水下软体机器人技术领域，具体涉及一种化学放能反应驱动的全软体水下机器人及其实验平台。

背景技术

应用全软体材料制造的软体机器人，在软体机器人行业有重要的意义。全软体机器人的优点在于其质量轻、自由度高和反侦察性强，但全软体机器人因其材料形变的强非线性和驱动方法的缺少，具有较大的设计和制造难度。世界上首个全软体机器人由美国哈佛大学于2016年提出，为软体机器人领域提供了重要的研究分支，但世界上现有的全软体机器人均存在响应速度慢、输出力小和运动幅度小等问题。

化学放能反应作为软体机器人驱动方法于2014年由美国哈佛大学提出，化学放能反应的优点在于其响应速度极快、输出力大和恢复迅速，但因其爆炸过程过于快速，导致该驱动方法与软体材料进行耦合时产生了极大的难度。同时，借助化学放能反应作为软体水下机器人的驱动方法，可攻克软体机器人作为水下装备的瞬变速避障、瞬变速打击和快速起动等行业难题。

水母因其脉冲喷射和游动耦合、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，应用化学放能反应可以最大程度上实现水母机器人的仿生工作，化学放能反应驱动的研究是柔性材料大变形、流体力学、爆炸力学等多个学科的交叉，现建出化学放能反应驱动实验室，建立化学放能反应驱动平台兼备热力学、动力学观测装置与高效计算服务器，且三者可精准配合完成实验。

与现有技术相比：化学放能反应的优点在于其响应速度极快、输出力大和恢复迅速，借助化学放能反应作为软体水下机器人的驱动方法，可攻克软体机器人作为水下装备的瞬变速避障、瞬变速打击和快速起动等行业难题。

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全软体水下机器人及其实验平台的技术方案。

所述的一种化学放能反应驱动的全软体水下机器人，包括本体，其特征在于：所述本体包含依次连接的变刚度头部、变刚度身体和弧形尾部，所述变刚度头部上设置有气管接口，所述的变刚度身体上设置有柔性翼，所述弧形尾部上设置有喷射孔和传动孔；

所述本体内部包括依次连接的反应仓、柔性驱动膜和储水喷射仓，所述柔性驱动膜上设置柔性关节，所述柔性关节上设置柔性骨骼与柔性翼连接。

进一步的，所述喷射孔为两端直径大中间直径小的孔。

进一步的，所述全软体水下机器人各结构均由软体材料构成。

进一步的，一种化学放能反应驱动的全软体水下机器人实验平台，其特征在于：所述实验平台上设有化学能反应驱动装置，所述化学能反应驱动装置包括：燃料气瓶、助燃气瓶、流量阀、单向阀、汇流阻火器、流体-脉冲复合管和脉冲激励装置，所述燃料气瓶和助燃气瓶上均设置有调压阀并均通过气管与流量阀连接，所述流量阀设置有两路出口，两路出口管路上均设有单向阀，所述单向阀出口管路与脉冲激励装置汇流于汇流阻火器，所述汇流阻火器通过流体-脉冲复合管与放置在充满液体的水槽中的全软体水下机器人连接。

进一步的，所述流体-脉冲复合管由气管与穿进气管的导线组成。

进一步的，所述实验平台上设有水槽，所述水槽两端分别设置有头部流体通道和尾部流体通道。

进一步的，所述水槽上方设有高速相机和红外热像仪。

进一步的，所述实验平台上设有光学防震实验平台，所述高速相机和红外热像仪均与设置在光学防震实验平台上的保持架连接。

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，首次实现了全软体水下机器人的运动，即瞬时直线加速启动与脉冲驱动巡航等过程，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；本发明创新性地通过变刚度设计方法，达到对驱动过程变形部位进行控制的目的；本发明创新性地将流体力学、爆炸力学、柔性材料大变形研究方法耦合设计成为一个综合实验平台；

本发明通过软体材料结构的设计，运动过程不需要刚性材料进行辅助，并最大程度简化了复杂的控制过程，仅使用脉冲激励即可完成复杂的动作过程；本发明相较于刚性水下机器人质量轻、耗能低、噪声小、仿生程度高，相较于其他驱动方法的软体水下机器人驱动力大、响应时间快且平均速度高。

附图说明

图1为全软体水下机器人及其实验平台等轴侧视图；

图2为全软体水下机器人静止状态主视图；

图3为全软体水下机器人静止状态剖视图；

图4为全软体水下机器人激励状态等轴测视图；

图5为全软体水下机器人激励状态剖视；

图6为流体-脉冲复合管剖视图。

图中：101-燃料气瓶；102-助燃气瓶；2-调压阀；3-流量阀；4-单向阀；5-汇流阻火器；6-流体-脉冲复合管；7-水槽；8-全软体水下机器人；801-变刚度头部；802-气管接口；803-柔性翼；804-变刚度身体；805-弧形尾部；806-反应仓；807-柔性驱动膜；808-柔性关节；809储水喷射仓；810-柔性骨骼；811-喷射孔；812-传动孔；9-光学防震实验平台；10-保持架；11-高速相机；12-红外热成像仪；13-脉冲激励装置；1401-头部流体通道；1402-尾部流体通道。

具体实施方式

以下结合说明书附图来进一步说明本发明。

如图所示，一种化学放能反应驱动的全软体水下机器人包括本体，本体包含依次连接的变刚度头部801、变刚度身体804和弧形尾部805，变刚度头部801上设置有气管接口802，变刚度身体804上设置有柔性翼803，弧形尾部805上设置有喷射孔811和传动孔812；

本体内部包括依次连接的反应仓806、柔性驱动膜807和储水喷射仓809，所述柔性驱动膜807上设置柔性关节808，所述柔性关节808上设置柔性骨骼810与柔性翼803连接。

作为优选结构，喷射孔811为两端直径大中间直径小的孔，有助于达到更好的喷射效果。

所述全软体水下机器人8各结构均由软体材料构成，具体可以由不同硬度的硫化硅橡胶构成。

作为上述全软体水下机器人配套的实验平台，化学能反应驱动装置，所述化学能反应驱动装置包括：燃料气瓶101、助燃气瓶102、流量阀3、单向阀4、汇流阻火器5、流体-脉冲复合管6和脉冲激励装置13，所述燃料气瓶101和助燃气瓶102上均设置有调压阀2并均通过气管与流量阀3连接，所述流量阀3设置有两路出口，两路出口管路上均设有单向阀4，所述单向阀4出口管路与脉冲激励装置13汇流于汇流阻火器5，所述汇流阻火器5通过流体-脉冲复合管6与放置在充满液体的水槽7中的全软体水下机器人8连接，所述流体-脉冲复合管6由气管与穿进气管的导线组成，所述实验平台上设有水槽7，所述水槽7两端分别设置有头部流体通道1401和尾部流体通道1402，所述水槽7上方设有高速相机11和红外热像仪12，所述实验平台上设有光学防震实验平台9，所述高速相机11和红外热像仪12均与设置在光学防震实验平台9上的保持架10连接。

以图1所示为例解释实验平台的使用过程。由化学能反应驱动装置驱动，驱动能源分别为燃料气瓶101中的燃料与助燃气瓶102中的助燃剂如甲烷与氧气，通过调压阀2的压力调节，可按照预设压力通过输气软管流向流量阀3，流量阀3可精准控制气流流速，确保流入全软体水下机器人8体内的为预设值，而后，燃料管与助燃剂管由流速阀一侧引出，分别连接单向阀4，单向阀4可保证气体不回流，防止发生回流爆炸、气体掺混等误差源现象，气体各自由单向阀4流出后，在汇流阻火器5处按照预设比例进行混合并由流体-脉冲复合管6流出，同时脉冲激励装置13的导线也在此处伸入流体-脉冲复合管6并一直伸入全软体水下机器人8的反应仓806中。水槽7与保持架10分别设置在光学防震实验平台9上，固定在保持架10上的高速相机11可以高帧率捕捉瞬时光学影像，红外热成像仪12可以高帧率捕捉瞬时温度热像，二者配合工作即可研究化学放能反应过程的运动学与热力学过程，另外的，当高速相机11配合激光放射器与示踪粒子协同工作时，即可组成粒子图像测速系统，以研究机器人游动的流体力学机理。

通过控制头部流体通道1401与尾部流体通道1402的进出流状况，可达到改变机器人运动实验流体状况的目的，如当头部流体通道1401处于进流状态，尾部流体通道1402处于出流状态，水槽7预设为有水状态，则此时可模拟逆流状态，可研究机器人逆流驱动性能；反之，可研究机器人顺流驱动性能。

以图2所示为例，流体-脉冲复合管6与气管接口802连接，脉冲激励装置13的末端电火花发射器置于反应仓806中。通过变刚度设计，变刚度头部801为弹性模量较大的柔性材料，并在其内侧底部涂刷加固材料以引导化学放能产生的压力集中输出到柔性驱动膜807上，变刚度身体804与弧形尾部805也以同样方式进行加固。弧形尾部805的形状为柔性驱动膜807因化学放能反应产生的大变形形状相似，以使排水体积达到最大而不对柔性驱动膜产生附加阻力。

以图2、图3、图4和图5所示为例解释能源装填、传递与驱动。预混原料气通过流体-脉冲复合管6进入反应仓806，由脉冲激励装置13产生脉冲信号，信号由导线传递至其末端的电火花发射器，电火花会引爆预混原料气，引爆后预混原料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，另一部分能量转化为反应物的动能，反应物会冲击柔性驱动膜807导致其产生向外变形，以机械能形式散失反应物动能。本发明即利用这部分机械能驱动全软体水下机器人8运动。

当柔性驱动膜807向外运动时，与其结合的柔性关节808随其共同向外变形，所有柔性骨骼810均在柔性关节808交汇且均与各自对应的柔性翼803，变形时柔性关节808拉动柔性骨骼810，使柔性翼803扑动产生推力。同时，柔性驱动膜807在变形前，储水喷射仓809处于半充水状态（膜回程速度大于进水速度），变形后储存的水由储存喷射仓809内部经喷射孔811喷射处体外产生推力，喷射孔811的形状会使喷射出的空气以气环的形式喷出体外同样产生推力。

以图6所示为例解释流体-脉冲复合管6构造，脉冲激励装置13的导线穿入流体-脉冲复合管6，混合气流从间隙中流动，电流从导线中流动，这种构造极大节省了装配空间且减少了机器人外壳的开孔，提升了整机的一体性。

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全软体水下机器人实验平台，其特征在于：至少包括全软体水下机器人及其配套的实验平台，所述实验平台上设有化学能反应驱动装置，所述化学能反应驱动装置包括：燃料气瓶（101）、助燃气瓶（102）、流量阀（3）、单向阀（4）、汇流阻火器（5）、流体-脉冲复合管（6）和脉冲激励装置（13），所述燃料气瓶（101）和助燃气瓶（102）上均设置有调压阀（2）并均通过气管与流量阀（3）连接，所述流量阀（3）设置有两路出口，两路出口管路上均设有单向阀（4），所述单向阀（4）出口管路与脉冲激励装置（13）汇流于汇流阻火器（5），所述汇流阻火器（5）通过流体-脉冲复合管（6）与放置在充满液体的水槽（7）中的全软体水下机器人（8）连接；全软体水下机器人包括本体，所述本体包含依次连接的变刚度头部（801）、变刚度身体（804）和弧形尾部（805），所述变刚度头部（801）上设置有气管接口（802），所述变刚度身体（804）上设置有柔性翼（803），所述弧形尾部（805）上设置有喷射孔（811）和传动孔（812），所述本体内部包括依次连接的反应仓（806）、柔性驱动膜（807）和储水喷射仓（809），所述柔性驱动膜（807）上设置柔性关节（808），所述柔性关节（808）上设置柔性骨骼（810）与柔性翼（803）连接。

2.如权利要求1所述的一种化学放能反应驱动的全软体水下机器人实验平台，其特征在于：所述流体-脉冲复合管（6）由气管与穿进气管的导线组成。

3.如权利要求1所述的一种化学放能反应驱动的全软体水下机器人实验平台，其特征在于：所述实验平台上设有水槽（7），所述水槽（7）两端分别设置有头部流体通道（1401）和尾部流体通道（1402）。

4.如权利要求1所述的一种化学放能反应驱动的全软体水下机器人实验平台，其特征在于：所述水槽（7）上方设有高速相机（11）和红外热像仪（12）。

5.如权利要求4所述的一种化学放能反应驱动的全软体水下机器人实验平台，其特征在于：所述实验平台上设有光学防震实验平台（9），所述高速相机（11）和红外热像仪（12）均与设置在光学防震实验平台（9）上的保持架（10）连接。

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