CN110861760A - 一种基于输流管驱动的水下仿生水母 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于输流管驱动的水下仿生水母，属于水下机器人领域。其包括头部部分和触手部分；头部部分包括密闭壳体、控制模块、水泵、控流阀、腔内输流硬管、多通接头以及腔内输流软管；这些结构固定在密封腔体内部；触手部分包括多个触手部输流软管和软弹簧；各触手部输流软管原始状态下自然伸展，各软弹簧使触手部输流软管受拉弯曲。本发明基于水母的仿生学构造，以输流管作为触手，通过弹簧迫使输流管弯曲变形，然后借由水泵泵水产生的力引起输流管伸展或颤振排水产生推力，实现前进，从而简化仿生水母的运动构造，提高实用性和经济性，节能环保、噪音小、效率高、体型小，灵活机动。

Description

一种基于输流管驱动的水下仿生水母

技术领域

本发明属于水下机器人领域，更具体地，涉及一种基于输流管的水下仿生水母。

背景技术

海洋不仅蕴藏着丰富的食物、矿产等资源，还是重要的运输通道和军事战略空间。因此，21世纪也被称为人类开发、利用海洋的“海洋世纪”。由于人类自身不能在水下长时间、大范围活动，需要借助潜艇、潜水器、水下机器人等设备来进一步探索和认知海洋世界。其中，水下机器在海洋科学考察、海洋环境监测和勘测、水下作业、海水养殖等领域得到了广泛的应用，具有重要的经济价值和军事意义。

早期，基本使用螺旋桨推进器的水下机器人，尽管螺旋桨结构简单、推进速度快、可靠性高，但是在螺旋桨旋转推进过程中会产生侧向的涡流，增加能量消耗、降低推进效率，且有噪音。这些限制了其在工程中的广泛应用，特别是国防军事领域。为此，到目前为止，研究人员研制出了多种仿生机器鱼、仿生鳐鱼、仿生章鱼以及仿生水母等，但是现有的仿生机器大多结构复杂，难以满足实用性以及经济性的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于输流管的水下仿生水母，其目的在于，基于水母的仿生学构造，以输流管作为触手，通过弹簧迫使输流管弯曲变形，然后借由水泵泵水产生的力引起输流管伸展或颤振排水产生推力，实现前进，从而简化仿生水母的运动构造，提高实用性和经济性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于输流管驱动的水下仿生水母，包括头部部分和触手部分；

所述头部部分包括密闭壳体、控制模块、水泵、控流阀、腔内输流硬管、多通接头和腔内输流软管；

所述腔内输流硬管包括第一腔内进水输流硬管和第二腔内进水输流硬管；所述第一腔内进水输流硬管一端固定在所述密闭壳体上，另一端固定连通所述水泵的进水口；所述第二腔内进水输流硬管两端固定连通所述水泵的出水口和所述多通接头的进水口；所述控流阀设于所述第一腔内进水输流硬管上；所述控制模块用于调节所述控流阀的开关以及所述水泵的输出模式；多个所述腔内输流软管的进水口一一对应固定连通所述多通接头的各个出水口；

所述触手部分包括与所述腔内输流软管数量相等的触手和软弹簧；每个所述触手均包括一个触手部输流软管，各所述触手部输流软管的进水口一一对应连通各所述腔内输流软管的出水口；各所述触手部输流软管原始状态下自然伸展，各所述软弹簧一端一一对应固定于各所述触手部输流软管头部，另一端一一对应固定于各所述触手部输流软管尾部或所述密闭壳体上，从而使所述触手部输流软管受拉弯曲。

进一步地，每个所述触手均包括一个尾鳍；各所述触手部输流软管嵌于对应的所述尾鳍中。

进一步地，所述触手部尾鳍为软体材料。

进一步地，多个所述腔内输流软管的出水口呈正多边形分布，多个所述触手呈辐射状均匀分布。

进一步地，所述水泵的输出模式包括脉动模式和定常流速模式；

脉动模式下，所述水泵的出水速度为脉动速度且最大流速低于所述触手部输流软管失稳的临界流速；

定常流速模式下，所述水泵的出水速度为定常流速，且流速大于所述触手部输流软管失稳的临界流速。

进一步地，所述触手部输流软管内的水流速度随着时间逐渐增大；当所述触手部输流软管内的水流速度达到峰值后逐渐减小。

进一步地，脉动模式下，通过调节流速变化的频率来改变游动速度。

进一步地，各所述触手部输流软管原始状态下为直管，在所述软弹簧拉力作用下向内弯曲成L形。

进一步地，所述控制模块和所述水泵均内置电源。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明的仿生水母由于结构简单，且输流软管和软弹簧均具有柔性形态，使得整体外形可以极致简化并极大程度地仿真自然界水母的生理外形，因此在水下勘探过程中隐蔽性好，不会干扰水下生物的正常生活。并且本发明采用水泵驱动输流管，在水下工作时，有无限的水源为水泵输水，不需要外部其他资源、节能环保、噪音小、效率高、体型小，灵活机动。

2、本发明可通过控制模块调节水泵的出水速度和输出模式，进而控制调节水母的游动模式和游动速度，具体地：

(1)水泵出水速度为脉动速度且最大流速低于管道失稳的临界流速时，机器驱动方式为水母式驱动方式，噪音小，能耗低，但游速较慢；

(2)水泵出水为定常流速且大于管道失稳的临界流速时，机器驱动方式为多尾摆动式驱动，因此其游速快，游动稳定，推进效率高，但能耗较大。根据不同出力需求，还可以增减触手数量，设计制造灵活。

3、脉动模式下，触手部输流软管内部的流体速度随着时间的增大而增加，驱动触手缓慢张开，当触手部输流软管里的流体速度达到峰值后将逐渐减小，触手再在软弹簧拉力作用下缓慢闭合，能够使得触手周期性的缓慢张开闭合。同时，还可以调节流速变化的频率来改变触手张开闭合的频率以调节脉动模式下的游动速度，使其整体上更贴近水母的真实运动状态，且可以满足不同速度的工作需求。

附图说明

图1为本发明中涉及的基于输流管驱动的水下仿生水母的结构示意图。

图2为图一中触手的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-密闭腔体、2-控制模块、3-水泵、4-控流阀、5-腔内输流硬管系统、51-进水管、52-出水管、6-多通接头、7-腔内输流软管系统、8-触手、81-触手部输流软管、82-触手部尾鳍、9-软弹簧。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明优选实施例的一种基于输流管驱动的水下仿生水母包括包括头部部分和触手部分。

如图1和图2所示，所述头部部分，包括密闭壳体1、控制模块2、水泵3、控流阀4、腔内输流硬管5、多通接头6、腔内输流软管7。

所述控制模块2和水泵3都是自供电装置，即内置电源。在其他实施例中(未图示)，也可以在密闭壳体1内设置独立电源进行供电，例如蓄电池。所述第一腔内进水输流硬管51一端固定在密闭壳体1上，另一端固定在水泵3的进水口处；所述第二腔内进水输流硬管52一端固定在水泵3的出水口处，另一端固定在多通接头6上；所述控流阀4置于所述第一进水输流硬管51中；所述控制模块2主要与控流阀4和水泵3连接，以调节控流阀的开关与水泵输出模式；所述腔内输流软管7包含六根输流软管，其一端固定于多通接头6上，另一端固定在触手8上。

所述触手部分，包括触手8、软弹簧9。所述触手8包含触手部输流软管81以及触手部尾鳍82，本实施例中有六个触手8，呈正六边形辐射分布末端全部朝内。所述触手部输流软管81初始为直管，嵌于尾鳍82并一端固定于腔内输流软管7上。所述触手部尾鳍82用于增大尾部与水的接触面积，增大推进力所述软弹簧9一端固定于触手部输流软管81头部，另一端固定于触手部输流软管81尾部。

优选地，所述触手部尾鳍82应为软体材料，以利于随所述触手部输流软管81弯曲和伸直，可以采用与所述触手部输流软管81相同的材料一体成型，也可以采用不同材料一体嵌入成型或后期组装。优选地材料可以为硅胶、聚氯乙烯(PVC)等。

优选地，所述软弹簧刚度不宜过大且材质较软，以使水泵能以较小的出力引起所述触手部输流软管81伸展，从而节约能耗。

下面介绍本实施例的两种工作模式：

脉动模式下，所述控制模块2控制控流阀4打开，并调节水泵3的输出模式，使其排出的流体具有脉动速度，即周期变化的流速，且其最大流速低于触手部输流软管81的失稳流速。此时，触手部输流软管81内部的流体速度随着时间的增大而增加，弯曲的触手部输流软管81将在内流速的作用下，逐渐向外张开，同时带动触手部尾鳍82的运动，此时触手部尾鳍82将对水产生一个拨动力，反过来水对触手部有一个相反的作用力，即推进机器前进的水动力；当触手部输流软管81里的流体速度达到峰值后将逐渐减小，触手部8又将在软弹簧9的作用下恢复弯曲。这样，触手部8周期性的缓慢张开闭合使本仿生机器像水母一样游动。同时，还可以调节流速变化的频率来改变触手部8张开闭合的频率以调节本仿生机器此游动模式下的游动速度。

定常流速模式下，所述控制模块2控制控流阀4打开，并调节水泵3的输出模式，使其排出的流体具有定常速度，且大于触手部输流软管81的失稳流速。此时，弯曲的触手部8将在内流速的作用下，向外张直，由于此时触手部输流软管81内部的流体流动速度大于其临界流速，因此触手部输流软管81将在流体的作用下发生颤振失稳，同时带动尾鳍82的摆动，这样一来，六尾同时摆动，即可使本发明的仿生水母像鱼一样强有力的摆动前行。同时，还可调节流速的大小来调节本仿生机器此游动模式下的游动速度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于输流管驱动的水下仿生水母，其特征在于，包括头部部分和触手部分；

所述头部部分包括密闭壳体(1)、控制模块(2)、水泵(3)、控流阀(4)、腔内输流硬管(5)、多通接头(6)和腔内输流软管(7)；

所述腔内输流硬管(5)包括第一腔内进水输流硬管(51)和第二腔内进水输流硬管(52)；所述第一腔内进水输流硬管(51)一端固定在所述密闭壳体(1)上，另一端固定连通所述水泵(3)的进水口；所述第二腔内进水输流硬管(52)两端固定连通所述水泵(3)的出水口和所述多通接头(6)的进水口；所述控流阀(4)设于所述第一腔内进水输流硬管(51)上；所述控制模块(2)用于调节所述控流阀(4)的开关以及所述水泵(3)的输出模式；多个所述腔内输流软管(7)的进水口一一对应固定连通所述多通接头(6)的各个出水口；

所述触手部分包括与所述腔内输流软管(7)数量相等的触手(8)和软弹簧(9)；每个所述触手(8)均包括一个触手部输流软管(81)，各所述触手部输流软管(81)的进水口一一对应连通各所述腔内输流软管(7)的出水口；各所述触手部输流软管(81)原始状态下自然伸展，各所述软弹簧(9)一端一一对应固定于各所述触手部输流软管(81)头部，另一端一一对应固定于各所述触手部输流软管(81)尾部或所述密闭壳体(1)上，从而使所述触手部输流软管(81)受拉弯曲。

2.如权利要求1所述的一种基于输流管驱动的水下仿生水母，其特征在于，每个所述触手(8)均包括一个尾鳍(82)；各所述触手部输流软管(81)嵌于对应的所述尾鳍(82)中。

3.如权利要求2所述的一种基于输流管驱动的水下仿生水母，其特征在于，所述触手部尾鳍(82)为软体材料。

4.如权利要求1～3任意一项所述的一种基于输流管驱动的水下仿生水母，其特征在于，多个所述腔内输流软管(7)的出水口呈正多边形分布，多个所述触手(8)呈辐射状均匀分布。

5.如权利要求1～3任意一项所述的一种基于输流管驱动的水下仿生水母，其特征在于，所述水泵(3)的输出模式包括脉动模式和定常流速模式；

脉动模式下，所述水泵(3)的出水速度为脉动速度且最大流速低于所述触手部输流软管(81)失稳的临界流速；

定常流速模式下，所述水泵(3)的出水速度为定常流速，且流速大于所述触手部输流软管(81)失稳的临界流速。

6.如权利要求5所述的一种基于输流管驱动的水下仿生水母，其特征在于，脉动模式下，所述触手部输流软管(81)内的水流速度随着时间逐渐增大；当所述触手部输流软管(81)内的水流速度达到峰值后逐渐减小。

7.如权利要求5所述的一种基于输流管驱动的水下仿生水母，其特征在于，脉动模式下，通过调节流速变化的频率来改变游动速度。

8.如权利要求1～3任意一项所述的一种基于输流管驱动的水下仿生水母，其特征在于，各所述触手部输流软管(81)原始状态下为直管，在所述软弹簧(9)拉力作用下向内弯曲成L形。

9.如权利要求1～3任意一项所述的一种基于输流管驱动的水下仿生水母，其特征在于，所述控制模块(2)和所述水泵(3)均内置电源。

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