CN113501119B - 一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器，包括主体部分、动力部分、控制部分、传输部分和执行部分，主体部分包括进水单向阀、进水管、柔性回复体和喷水管，柔性回复体为两端开口的中空结构，且中空处为腹腔，进水管和喷水管分别安装在柔性回复体的左、右端开口内，在柔性回复体内还开设有环绕腹腔的容纳腔，动力部分为真空泵，控制部分为真空电磁阀，传输部分包括抽气气管和传输气管，执行部分包括封闭薄膜和魔术球折纸，封闭薄膜设置在容纳腔内，且封闭薄膜与容纳腔的腔壁贴合，魔术球折纸设置在封闭薄膜的环状内腔内。本发明利用魔术球折纸作为执行机构，柔性回复体作为回复机构，以负压方式驱动，能够实现高效、高速推进。

Description

一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器
技术领域
本发明属于仿生机器人技术领域，尤其是涉及一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器。
背景技术
随着人们对海洋的不断探索，需要在更具挑战性的环境中执行建造、维护和勘测任务，传统的水下机器人已经满足不了需求。喷水推进是水中生物采用的一种重要的推进方式，它们通过改变身体腔体的容积来完成喷水和吸水动作，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率，又可以在爆发游速下实现高机动性，同时还具有运行噪声低、推进效率高、附体阻力小等特点，因此生物的喷水推进模式一度成为仿生水下机器人的研究热点。但是现今无论是以电机为代表的传统驱动器，还是以形状记忆合金(SMA)为代表的新型智能驱动器，都不可避免地存在噪音大、驱动力小、驱动行程短和驱动效率低等缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器，利用魔术球折纸作为执行机构，柔性回复体作为回复机构，以负压方式驱动，能够实现高效、高速推进。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器，包括主体部分、动力部分、控制部分、传输部分和执行部分，所述的主体部分包括进水单向阀、进水管、柔性回复体和喷水管，所述的柔性回复体为两端开口的中空结构，且中空处为腹腔，所述的进水管安装在柔性回复体的左端开口内，所述的喷水管安装在柔性回复体的右端开口内，在柔性回复体内还开设有环绕腹腔的容纳腔，所述的主体部分作为仿生喷射推进器的外围结构；所述的动力部分为真空泵，控制部分为真空电磁阀，所述的真空泵和真空电磁阀均位于仿生喷射推进器的上方；所述的传输部分包括抽气气管和传输气管，所述的传输气管的一端与抽气气管连通，另一端与真空电磁阀的A口相连接，所述真空泵与真空电磁阀的P 口连接，真空电磁阀的R口与大气连通，所述的抽气气管安装在柔性回复体上，所述的执行部分位于仿生喷射推进器的中间部位，所述的执行部分包括封闭薄膜和魔术球折纸，所述的封闭薄膜安装在容纳腔内，且封闭薄膜与容纳腔的腔壁贴合，所述的魔术球折纸安装在封闭薄膜的环状内腔内，抽气气管与封闭薄膜的环状内腔连通，在柔性回复体内部进水管的右侧设有进水单向阀，且腹腔在收缩过程中，腔内压强大于外界压强，进水单向阀完全关闭进水管；腹腔在展开过程中，外界压强大于腔内压强，进水单向阀打开，腹腔通过进水管从外界吸水。
进一步的，所述魔术球折纸填满封闭薄膜的环状内腔。
进一步的，所述柔性回复体包括被动收缩部分、过渡部分和缩口部分，所述缩口部分包括左缩口和右缩口，所述被动收缩部分的左右两端分别通过一过渡部分与左、右缩口部分连接，且柔性回复体为一体成型结构，进水管安装在左缩口部分内，喷水管安装在右缩口部分内。
进一步的，所述柔性回复体的材质为橡胶。
进一步的，所述喷水管和进水管均位于仿生喷射推进器的中轴线上。
进一步的，所述封闭薄膜的材质为TPU薄膜，厚度为0.1mm。
进一步的，所述魔术球折纸的材质为PVC薄膜，厚度为0.1mm。
进一步的，所述进水单向阀为一端自由一端铰接在进水管右侧管壁上的开合板。
相对于现有技术，本发明所述的一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器具有以下优势：
1)在仿生喷射推进器作动时，对封闭薄膜内腔进行抽气，腔内产生负压，使魔术球折纸收拢，从而使水喷出；在断开气源时，薄膜密封腔与大气相连，腔内负压消失，魔术球折纸展开；本申请的一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器，可在展开状态和收缩状态之间进行切换。
2)本发明仿生喷射推进器中的魔术球折纸由上百个相同的微小单元组成，可以在负压的作用下产生较大的径向收缩力。
3)本发明通过仿生喷射推进器的径向收缩挤压将水排出，收缩阻力小，作动速度快。
4)本申请的魔术球折纸在负压作用下的收缩比可达到将近百分之一百，因此该仿生喷射推进器在作动时基本可将腹腔中的水完全排空。
5)本发明可以通过调节封闭薄膜内腔的气压调节仿生喷射推进器的收缩速度，还可以通过改变柔性回复体的材料改变仿生喷射推进器的回复速度。
6)本发明仿生喷射推进器的喷水频率由收缩速度和回复速度决定，因此推进器喷水频率可调。
7)现今的仿乌贼推进器最大平均游动速度为1体长/秒，本申请的仿生喷射推进器的推进速度由喷水频率决定，所以只要喷水频率够大，该仿生喷射推进器就可实现非常大的速度，当调节负压到最大(即-0.101MPa)时，该仿生喷射推进器理论最大平均游动速度约为1.6体长/秒。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器的结构示意图(自然状态)；
图2为本发明实施例所述的一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器的侧视图；
图3为魔术球折纸折叠与收拢过程原理图；
图4为一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器收缩状态示意图；
图5为一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器回复过程示意图。
附图标记说明：
1-进水单向阀，2-进水管，3-柔性回复体，4-抽气气管，5-传输气管，6-真空电磁阀，7-真空泵，8-魔术球折纸，9-喷水管，10-封闭薄膜，11-腹腔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图5所示，一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器，包括主体部分、动力部分、控制部分、传输部分和执行部分，所述的主体部分包括进水单向阀1、进水管 2、柔性回复体3和喷水管9，所述的柔性回复体3为两端开口的中空结构，且中空处为腹腔11，所述的进水管2安装在柔性回复体3的左端开口内，所述的喷水管9安装在柔性回复体3的右端开口内，在柔性回复体3内还开设有环绕腹腔11的容纳腔，所述的主体部分作为仿生喷射推进器的外围结构；所述的动力部分为真空泵7，控制部分为真空电磁阀6，所述的真空泵7和真空电磁阀6均位于仿生喷射推进器的上方；所述的传输部分包括抽气气管4和传输气管5，所述的传输气管5的一端与抽气气管4连通，另一端与真空电磁阀6的A口相连接，所述真空泵7与真空电磁阀6的P口连接，真空电磁阀6的R 口与大气连通，所述的抽气气管4安装在柔性回复体3上，所述的执行部分位于仿生喷射推进器的中间部位，所述的执行部分包括封闭薄膜10和魔术球折纸8，所述的封闭薄膜安装在容纳腔内，且封闭薄膜与容纳腔的腔壁固定连接，所述的魔术球折纸8安装在封闭薄膜的环状内腔内，抽气气管4与封闭薄膜的环状内腔连通，在柔性回复体3内部进水管2右侧设有进水单向阀1，且腹腔11在收缩过程中，腔内压强大于外界压强，进水单向阀1完全关闭进水管2的管口；腹腔11在展开过程中，外界压强大于腔内压强，进水单向阀1打开，腹腔11通过进水管2从外界吸水。
魔术球折纸8被包裹于封闭薄膜的环状内腔中，魔术球折纸8填满封闭薄膜的环状内腔；图3为魔术球折纸折叠与收拢原理图，将纸折出如图3(a)所示折痕，并按照折痕(虚线代表谷折，实线代表山折)将纸折叠，然后把折叠好的折纸两端粘接起来，就可得到如图3(b)所示的魔术球折纸，若对其施加径向力，就会发生如图3(c)所示的收拢变形。
所述柔性回复体3包括被动收缩部分、过渡部分和缩口部分，所述缩口部分包括左缩口和右缩口，所述被动收缩部分的左右两端分别通过一过渡部分与左、右缩口部分连接，且柔性回复体3为一体成型结构，进水管2安装在左缩口部分内，喷水管9安装在右缩口部分内，柔性回复体3由橡胶制成，其两端开口、内部中空、形状类似暖水壶内胆，既起到弹性回复的作用，又是仿生喷射推进器的主体框架。
其中间直径较大随折纸收缩而收缩的被动收缩部分具有环状内腔，环状内腔包裹着封闭薄膜和魔术球折纸，然后由两侧倾斜的过渡部分过渡到直径较小的缩口部分，左右两端的缩口部分分别安装进水管和喷水管。
柔性回复体3的材质为橡胶，橡胶具有弹性好、耐磨耐寒性好、柔韧性好、密封性和防水性好等优点。
喷水管9和进水管2均位于仿生喷射推进器的中轴线上，由于该仿生喷射推进器在水中仅实现直线运动，即沿着其中轴线运动，进水管2布置在中轴线上可以实现较好的吸水效果，喷水管9布置在中轴线上可以使仿生喷射推进器的推进力方向和中轴线重合，使仿生喷射推进器实现直线运动。
封闭薄膜的材质为TPU薄膜，厚度为0.1mm，TPU薄膜具有强度高、韧性好、高防水性、耐磨、耐寒和耐老化等优点，且厚度为0.1mm时，其在受力时基本不发生弹性变形。
魔术球折纸的材质为PVC薄膜，厚度为0.1mm，PVC薄膜具有柔韧性好、易成型、无毒无污染和耐水性好等优点；当厚度为0.1mm时，其在折叠时不易发生脆性断裂，在折叠完成后还具有一定的刚度。
进水单向阀1为一端自由一端铰接在进水管右侧管壁上的开合板，且腹腔11在收缩过程中，腔内压强大于外界压强，开合板完全覆盖进水管2的管口；腹腔11在展开过程中，外界压强大于腔内压强，开合板打开，腹腔11通过进水管2从外界吸水。
封闭薄膜的环状内腔中的气体也可为其它流体，如水、油等，与此同时，真空泵7就更换为抽水泵或抽油泵。
本申请的工作过程为：
当折纸式仿生喷射推进器作动时，打开真空电磁阀6，外界真空泵7经真空电磁阀6和传输气管5与抽气气管4相连接，对封闭薄膜10内腔进行抽气，在负压作用下，薄膜收缩，驱动魔术球折纸8收拢，带动被动收缩部和部分过渡部分变形，使腹腔11中的水从喷水管9喷出，实现仿生喷射推进器的喷水前进，此时的开合板处于关闭进水管2的管口状态；由于仿生喷射推进器的推进速度由其喷水频率决定，所以可以通过改变仿生喷射推进器腔体的收缩速度和回复速度改变其喷水频率，从而调节仿生喷射推进器的喷水速度；
当断开真空电磁阀6时，抽气气管4经传输气管5和真空电磁阀6与大气相连，封闭薄膜10腔内负压消失，在柔性回复体3的被动收缩部分产生主要回复力，过渡部分产生较小回复力，缩口部分不产生回复力的作用下，魔术球折纸8展开，此时，外界压强大于腹腔11内压强，使进水单向阀1打开，从而使仿生喷射推进器实现吸水动作，为下次喷水做准备。
图1给出的是未收缩状态，即仿生喷射推进器的自然状态；图5是回复过程的中间状态；随着仿生喷射推进器的收缩，其长度逐渐伸长，所以图1状态最短，图5状态次之，图4状态最长。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器，其特征在于：包括主体部分、动力部分、控制部分、传输部分和执行部分，所述的主体部分包括进水单向阀(1)、进水管(2)、柔性回复体(3)和喷水管(9)，所述的柔性回复体(3)为两端开口的中空结构，且中空处为腹腔(11)，所述的进水管(2)安装在柔性回复体(3)的左端开口内，所述的喷水管(9)安装在柔性回复体(3)的右端开口内，在柔性回复体(3)内还开设有环绕腹腔(11)的容纳腔，所述的主体部分作为仿生喷射推进器的外围结构；所述的动力部分为真空泵(7)，控制部分为真空电磁阀(6)，所述的真空泵(7)和真空电磁阀(6)均位于仿生喷射推进器的上方；所述的传输部分包括抽气气管(4)和传输气管(5)，所述的传输气管(5)的一端与抽气气管(4)连通，另一端与真空电磁阀(6)的A口相连接，所述真空泵(7)与真空电磁阀(6)的P口连接，真空电磁阀(6)的R口与大气连通，所述的抽气气管(4)安装在柔性回复体(3)上，所述的执行部分位于仿生喷射推进器的中间部位，所述的执行部分包括封闭薄膜(10)和魔术球折纸(8)，所述的封闭薄膜设置在容纳腔内，封闭薄膜与容纳腔的腔壁贴合，所述的魔术球折纸(8)安装在封闭薄膜的环状内腔内，抽气气管(4)与封闭薄膜的环状内腔连通，在柔性回复体(3)内部，进水管(2)的右侧设有进水单向阀(1)，且腹腔(11)在收缩过程中，腔内压强大于外界压强，进水单向阀(1)完全关闭进水管(2)；腹腔(11)在展开过程中，外界压强大于腔内压强，进水单向阀(1)打开，腹腔(11)通过进水管(2)从外界吸水。
2.根据权利要求1所述的一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器，其特征在于：所述魔术球折纸(8)填满封闭薄膜的环状内腔。
3.根据权利要求1所述的一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器，其特征在于：所述柔性回复体(3)包括被动收缩部分、过渡部分和缩口部分，所述缩口部分包括左缩口和右缩口，所述被动收缩部分的左右两端分别通过一过渡部分与左、右缩口部分连接，且柔性回复体(3)为一体成型结构，进水管(2)安装在左缩口部分内，喷水管(9)安装在右缩口部分内。
4.根据权利要求1所述的一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器，其特征在于：所述柔性回复体(3)的材质为橡胶。
5.根据权利要求4所述的一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器，其特征在于：所述喷水管(9)和进水管(2)均位于仿生喷射推进器的中轴线上。
6.根据权利要求1所述的一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器，其特征在于：所述封闭薄膜的材质为TPU薄膜，厚度为0.1mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器，其特征在于：所述魔术球折纸的材质为PVC薄膜，厚度为0.1mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于负压的魔术球折纸式仿生喷射推进器，其特征在于：所述进水单向阀(1)为一端自由一端铰接在进水管(2)右侧管壁上的开合板。
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