CN113771565A - 一种柔性波动鳍仿生潜器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于两栖推进器技术领域，具体涉及一种柔性波动鳍仿生潜器。本发明采用仿生波动鳍的结构，仿生来源自鳐鱼、深海带鱼的波动鳍相结合，材料采用高弹硅胶，具有较高的延展性，该推进系统具有操纵性优异、水动力噪声低、易于仿生改造、地形通过性强、可在限制航道工作等海洋作业特点。本发明的机械结构采用舵机‑连杆‑仿生波动鳍连接方式，舵机侧面固定在仿生推进器主体部分预留的厚度结构上，通过多个舵机摆动幅度和转向驱动可控制波动鳍摆动，实现转向、加速、上浮、下沉及制动等功能，更能适应复杂的水底环境。
Description
技术领域
本发明属于两栖推进器技术领域，具体涉及一种柔性波动鳍仿生潜器。
背景技术
水陆航行器由于既能兼顾水中航行，又能登陆行驶，是当前研究的热点。传统的水陆航行器往往会同时集成水中与陆地两套运动机构，机械结构复杂，控制难度大，稳定性难以得到保证，该思路下限制了水陆航行器的进一步发展。
针对上述问题，一个很好的解决方案就是采用仿生原理实现水陆推进装置的一体化。通过对水生生物运动的流体力学研究，提出新的推进器研究思路。仿生推进可以分为摆动和波动两种形式，波动式推进方式(海鳐胸鳍、鳗鱼的背鳍等)具有更灵活，效率更高的优点，其推进效率可以达到90％，而且可以轻易的实现转向、俯仰、盘旋、上浮、下潜等多自由度运动,使其具备了隐蔽性、生存性和地形适应性三个主要特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操纵性优异、水动力噪声低、地形通过性强的柔性波动鳍仿生潜器。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括潜器主体和柔性波动推进单元：所述的潜器主体包括外壳体，外壳体内设有耐压舱；所述的柔性波动推进单元包括仿生型柔性波动鳍和波动动力源；所述的耐压舱内置数字波面运控器，两侧各留有一排舵机安装口，且舵机安装口对称分布；所述的波动动力源采用多个舵机串列摆动，舵机通过舵机安装板安装在耐压舱两侧的每一个舵机安装口处；所述的柔性波动鳍安装在耐压舱两侧，每一侧的柔性波动鳍与该侧各舵机的输出端通过连杆机构连接；所述的数字波面运控器控制舵机的摆动频率、摆动波长和摆动幅度，使柔性波动鳍摆动做类正弦运动产生不同方向的力，实现潜器的悬停、前进、后退、转向、下沉和上浮运动。
本发明还可以包括：
所述的连杆机构采用阻尼器；所述的阻尼器包括摆动架和带螺纹金属杆；所述的摆动架与舵机的输出端连接；所述的带螺纹金属杆安装在摆动架上；所述的柔性波动鳍与带螺纹金属杆通过夹片和螺栓进行固定，带螺纹金属杆与柔性波动鳍固定位置可调且自身可旋转。
所述的外壳体为3D打印光敏树脂仿生壳体，内置水下摄像头；所述的外壳体内还设有浮材舱和外载舱；所述的浮材舱填充EVA发泡浮力材；所述的外载舱内搭载有测量设备；所述的测量设备包括传感器、声呐。
所述的柔性波动鳍仿生来源自鳐鱼和深海带鱼的波动鳍相结合，耐压舱两侧的柔性波动鳍的连接方式和波动都是对称的；所述的柔性波动鳍为高弹硅胶注塑仿生鳍面，采用3维动定位摆轴系。
本发明的有益效果在于：
本发明采用仿生波动鳍的结构，仿生来源自鳐鱼、深海带鱼的波动鳍相结合，材料采用高弹硅胶，具有较高的延展性，该推进系统具有操纵性优异、水动力噪声低、易于仿生改造、地形通过性强、可在限制航道工作等海洋作业特点。本发明的机械结构采用舵机-连杆-仿生波动鳍连接方式，舵机侧面固定在仿生推进器主体部分预留的厚度结构上，通过多个舵机摆动幅度和转向驱动可控制波动鳍摆动，实现转向、加速、上浮、下沉及制动等功能，更能适应复杂的水底环境。
附图说明
图1为一种柔性波动鳍仿生潜器的实物外形图。
图2为一种柔性波动鳍仿生潜器内部构造的斜视图。
图3为一种柔性波动鳍仿生潜器内部构造的俯视图。
图4为一种柔性波动鳍仿生潜器的柔性波动推进单元的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明属于两栖推进器技术领域，提供了一种新型的柔性波动鳍仿生潜器。本发明利用舵机的转动带动连杆结构的摆动，进而使柔性波动鳍进行类正弦波动。本发明通过调节柔性波动鳍的摆动角度，以调节潜器的上升、下沉、前进、后退、悬停以及转向等运动。潜器主体以光敏树脂为材料，利用3D打印技术制成，具有较高的密封性和较强的结构性。柔性波动鳍以鳐鱼和深海带鱼的波动鳍为原型，操纵性优异，对复杂环境有较好的适应性，具有广阔的应用前景。
一种柔性波动鳍仿生潜器，包括潜器主体和柔性波动推进单元1：所述的潜器主体包括外壳体，外壳体内设有耐压舱2；所述的柔性波动推进单元包括仿生型柔性波动鳍和波动动力源；所述的耐压舱内置数字波面运控器，两侧各留有一排舵机安装口，且舵机安装口对称分布；所述的波动动力源采用多个舵机5串列摆动，舵机通过舵机安装板6安装在耐压舱两侧的每一个舵机安装口处；所述的柔性波动鳍安装在耐压舱两侧，每一侧的柔性波动鳍与该侧各舵机的输出端通过连杆机构连接；所述的数字波面运控器控制舵机的摆动频率、摆动波长和摆动幅度，使柔性波动鳍摆动做类正弦运动产生不同方向的力，实现潜器的悬停、前进、后退、转向、下沉和上浮运动。
所述的连杆机构采用阻尼器；所述的阻尼器包括摆动架3和带螺纹金属杆4；所述的摆动架与舵机的输出端连接；所述的带螺纹金属杆安装在摆动架上；所述的柔性波动鳍与带螺纹金属杆通过夹片和螺栓进行固定，带螺纹金属杆与柔性波动鳍固定位置可调且自身可旋转。
所述的外壳体为3D打印光敏树脂仿生壳体，内置水下摄像头；所述的外壳体内还设有浮材舱和外载舱；所述的浮材舱填充EVA发泡浮力材；所述的外载舱内搭载有测量设备；所述的测量设备包括传感器、声呐。
所述的柔性波动鳍仿生来源自鳐鱼和深海带鱼的波动鳍相结合，耐压舱两侧的柔性波动鳍的连接方式和波动都是对称的；所述的柔性波动鳍为高弹硅胶注塑仿生鳍面，采用3维动定位摆轴系。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的外壳体部分采用3D打印技术制成，成型度高、水密性好、质量结构轻、机构强度好，具有弹性以便于缓冲；主体外形仿制鳐鱼制造，隐秘性好，水阻力小。
本发明的推进方式采用仿生波动鳍的结构，仿生来源自鳐鱼、深海带鱼的波动鳍相结合，材料采用高弹硅胶，具有较高的延展性，该推进系统具有操纵性优异、水动力噪声低、易于仿生改造、地形通过性强、可在限制航道工作等海洋作业特点。
本发明的机械结构采用舵机-连杆-仿生波动鳍连接方式，舵机侧面固定在仿生推进器主体部分预留的厚度结构上，通过多个舵机摆动幅度和转向驱动可控制波动鳍摆动，实现转向、加速、上浮、下沉及制动等功能，更能适应复杂的水底环境。
实施例1：
本发明的目的在于提供一种仿生柔性波动鳍潜器的设计方案，可实现水中和陆地的两栖运动。本发明利用电机驱动、机械传动和材料随动的设计思路实现潜器的运动。可利用舵机-连杆结构-柔性鳍这一套推进系统实现水下和路上的推进。
一种柔性波动鳍仿生潜器，包括潜器主体和柔性波动推进单元；潜器主体包括外壳体、耐压舱、浮材舱和外载舱，外壳体和耐压舱之前通过连接件连接；柔性波动推进单元包括仿生型柔性波动鳍和波动动力源；外壳体为3D打印光敏树脂仿生壳体，呈流线型，首部为楔形且主体部分凸起；浮材舱填充的浮力材为EVA发泡浮力材；外载舱内置防水航插口；耐压舱为铝合金耐压舱壳，内置防水航插，两侧留有数个舵机安装口且舵机安装口对称分布，多个舵机与柔性波动鳍之间通过连杆结构连接，连杆结构3、4采用的为阻尼器。
外壳体内置水下摄像头；柔性波动鳍为高弹硅胶注塑仿生鳍面，采用3维动定位摆轴系；所述的波动动力源采用多个舵机串列摆动，柔性波动鳍和舵机通过连杆机构连接，由数字波面运控器控制运动；所述的外载舱内置防水航插口，外载舱内留有一定的空间搭载传感器、声呐等测量设备。
所述推进单元采用舵机-连杆机构-柔性波动鳍连接方式，采用舵机-摆杆-波动鳍的传动方式实现波动鳍的不同摆幅、不同频率的运动；所述的舵机固定在耐压舱预留的舵机安装口，为单轴舵机，具有防水性；所述的连杆结构与柔性波动鳍通过夹片限定和螺栓进行位置限定，与波动鳍相连的固定位置可调且自身可旋转；所述的柔性波动鳍仿生来源自鳐鱼和深海带鱼的波动鳍相结合，潜器两侧的柔性波动鳍的连接方式和波动都是对称的。
所述的潜器主体为流线型，首部为楔形，主体部分凸起。
所述的连杆结构采用阻尼器，其主要结构包含带螺纹金属杆、螺丝帽、锥形应变片、定位垫片。
如图1所示，外壳体由3D打印技术制成，采用的材料为光敏树脂，外壳体与耐压舱之间通过连接件连接，外载体安装声呐等测量设备、内置防水航插；浮材舱填充EVA发泡浮力材，辅助潜器的上升和下沉；耐压舱2内置防水航插且两侧留有数个舵机安装口且舵机安装口对称分布，多个舵机5与柔性波动鳍之间通过连杆结构连接，连杆结构采用的为阻尼器。
如图2和图3所示，本发明的推进装置中舵机5与耐压舱2通过舵机安装板6固定安装。
如图4所示，本发明的推进装置中舵机5与连杆结构连接，连杆结构的波动鳍夹片固定波动鳍，舵机5带动连杆摆动，波动鳍随连杆摆动。柔性波动鳍做类正弦运动。
仿生型柔性波动鳍潜器的控制原理为：
水下运动状态，仿生柔性鳍方向为水平，舵机转动带动连杆结构摆动，柔性鳍跟随连杆结构摆动，通过数字波面运控器控制舵机的摆动频率、摆动波长和摆动幅度，使柔性鳍摆动做类正弦运动产生不同方向的力，实现潜器的悬停、前进、后退、转向、下沉和上浮等
直航运动:波动鳍仿生推进器主体两侧的仿生波动鳍同步运动，使得两个仿生波动鳍的推力朝向一个方向，抵消主体部分受到的阻力。
转弯运动：两种模式：1)波动鳍仿生推进器中心位置不变，转弯半径为0，实现原地转弯,通过控制波动鳍仿生推进器两侧仿生波动鳍以同一种波形、频率，但是方向相反地运动；
2)波动鳍仿生推进器绕着某个障碍物转弯，有一定转弯半径：控制两侧仿生波动鳍推力差异来实现，转弯内侧仿生波动鳍推力小而转弯外侧推力大；对于有转弯半径且转弯半径较小的情况，可以控制柔性波动期转弯内侧静止而转弯外侧正常运动。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (5)
1.一种柔性波动鳍仿生潜器，其特征在于：包括潜器主体和柔性波动推进单元：所述的潜器主体包括外壳体，外壳体内设有耐压舱；所述的柔性波动推进单元包括仿生型柔性波动鳍和波动动力源；所述的耐压舱内置数字波面运控器，两侧各留有一排舵机安装口，且舵机安装口对称分布；所述的波动动力源采用多个舵机串列摆动，舵机通过舵机安装板安装在耐压舱两侧的每一个舵机安装口处；所述的柔性波动鳍安装在耐压舱两侧，每一侧的柔性波动鳍与该侧各舵机的输出端通过连杆机构连接；所述的数字波面运控器控制舵机的摆动频率、摆动波长和摆动幅度，使柔性波动鳍摆动做类正弦运动产生不同方向的力，实现潜器的悬停、前进、后退、转向、下沉和上浮运动。
2.根据权利要求1所述的一种柔性波动鳍仿生潜器，其特征在于：所述的连杆机构采用阻尼器；所述的阻尼器包括摆动架和带螺纹金属杆；所述的摆动架与舵机的输出端连接；所述的带螺纹金属杆安装在摆动架上；所述的柔性波动鳍与带螺纹金属杆通过夹片和螺栓进行固定，带螺纹金属杆与柔性波动鳍固定位置可调且自身可旋转。
3.根据权利要求1或2所述的一种柔性波动鳍仿生潜器，其特征在于：所述的外壳体为3D打印光敏树脂仿生壳体，内置水下摄像头；所述的外壳体内还设有浮材舱和外载舱；所述的浮材舱填充EVA发泡浮力材；所述的外载舱内搭载有测量设备；所述的测量设备包括传感器、声呐。
4.根据权利要求1或2所述的一种柔性波动鳍仿生潜器，其特征在于：所述的柔性波动鳍仿生来源自鳐鱼和深海带鱼的波动鳍相结合，耐压舱两侧的柔性波动鳍的连接方式和波动都是对称的；所述的柔性波动鳍为高弹硅胶注塑仿生鳍面，采用3维动定位摆轴系。
5.根据权利要求3所述的一种柔性波动鳍仿生潜器，其特征在于：所述的柔性波动鳍仿生来源自鳐鱼和深海带鱼的波动鳍相结合，耐压舱两侧的柔性波动鳍的连接方式和波动都是对称的；所述的柔性波动鳍为高弹硅胶注塑仿生鳍面，采用3维动定位摆轴系。
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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 | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211210 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |