一种伞状容积式仿生推进器

1.本发明涉及一种采用容积式喷水推进系统，尤其是一种容积式仿生推进器。


背景技术：

2.随着人类对海洋地形勘测、生物资源调查、海洋资源开发、海洋污染监控和水下侦察等需求的加大，开发灵活、小巧、静音和高效的水下运动装备具有重要意义，其中推进器的性能至关重要。鉴于传统螺旋桨需用通过电机驱动叶片高速旋转进行推进，具有体积大、噪音大、整个推进机构系统复杂的问题，无法适应高机动、小巧静音型现代水下机器人对推进动力的需求。
3.人类总是能从观察大自然中获得设计灵感。人们发现采用身体扑动(摆动、波动)或腔体变形后喷射流体均是生物实现推进的方式。但由于喷射推进具有推力大、效率高和机动性强的特点，因此非常适合一定尺寸的水下设备进行高灵敏性、长时长距离工作的需求。
4.乌贼就是一种典型的采用喷水推进的水中生物，它通过改变身体体腔容积的方式来实现喷水和吸水的过程。
5.如专利公开号cn113928522a公开了一种仿乌贼脉冲射流推进器，使用旋转电机作为动力来源，通过旋转电机带动一个曲柄摇杆机构带动可变形腔作活塞往复运动使腔体内容积发生变化，从而实现吸水和喷水的过程。采用双瓣对夹旋启式单向阀的结构，通过腔体内水压力的改变使其自动打开和关闭。其中吸水单向阀开启方向朝向储水管内，喷水单向阀开启方向朝向储水管外，从而实现在吸水时吸水单向阀打开，喷水单向阀关闭，喷水时喷水单向阀打开，吸水单向阀关闭，从而实现吸水和喷水动作的交替进行。
6.如专利公开号cn114701632a公开了一种仿生乌贼水下推进器，使用介电弹性体，通过电刺激，使其拉伸，带动橡胶弹性体拉伸，从而使腔体内容积变大，实现吸水；通过撤销电刺激，使介电弹性体恢复原来的长度，带动橡胶弹性体收缩，从而使腔体内容积变小，实现喷水。采用鸭嘴单向阀，通过腔体内水压力的改变使其自动打开和关闭。其中鸭嘴单向阀和鸭嘴单向阀的开口均朝向前方，从而实现在吸水时吸水单向阀打开，喷水单向阀关闭，喷水时喷水单向阀打开，吸水单向阀关闭，从而实现吸水和喷水动作的交替进行。
7.上述现有技术存在的缺点：
8.1)螺旋桨推进：体积大、易发生空化破坏、噪音大、总体结构复杂，操纵性不强，航行体转弯半径大。
9.2)扑动推进：效率低、推力小、机动性差、不适合长时长距离工作。
10.3)现有的喷水推进技术方案：大型的设备或者航行体一般采用泵喷实现推进，同样存在噪音大、机构复杂的问题。采用容积式喷水推进方案，一种是采用记忆合金丝的形变来模仿腔体的运动；另一种是采用交流电使压电振子产生形变进而使腔体体积发生变化。这种方案目前仅适用非常微小的对象，可用性和可靠性均不高。


技术实现要素：

11.本发明是要提出一种伞状容积式仿生推进器，采用类似伞状开合的机构，实现腔体的容积变化和腔体内外压差的变化，完成吸水和排水过程；采用头部侧向吸水、尾部轴向喷水的方式，易于实现推进效率最大化；采用同一套驱动装置，通过机构的设计实现吸水口和喷水口互锁，以及膨胀和收缩支架的开合动作；喷水口采用方向舵机，实现推进器的推进方向的矢量控制，从而提高设备的高机动性和灵活操作性，能够满足水下设备的小巧灵活、高效、静音、高机动、高可靠推进的需求。
12.为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种伞状容积式仿生推进器，包括吸水结构、喷水结构、电动推杆、多关节连接杆及伞状结构、外弹性蒙皮、喷水结构，吸水结构与喷水结构之间连接有多关节连接杆及伞状结构和外弹性蒙皮，喷水结构中设有吸水口，喷水结构中设有喷水口，电动推杆置于喷水结构中，吸水结构的吸水口、喷水结构的出水口一起由电动推杆驱动多关节连接杆及伞状结构和外弹性蒙皮完成模仿乌贼吸水喷水的动作。
13.进一步，所述电动推杆为推动部件，当电动推杆收缩时，多关节连接杆及伞状结构像伞状向外打开，同时吸水口打开、喷水口关闭，完成吸水的过程；当电动推杆伸长时，多关节连接杆及伞状结构像伞状向内收缩，同时吸水口关闭、喷水口打开，完成喷水过程。
14.进一步，所述喷水结构采用舵机控制喷水口转向，实现推进器的方向矢量控制。
15.进一步，所述吸水结构由电动推杆、齿条、圆柱齿轮蜗轮、蜗杆、两个锥齿轮以及锥齿轮上的四个封口片和四个吸水口组成，吸水结构的头部侧向设有四个吸水口，电动推杆上面固定连接齿条，齿条通过圆柱齿轮连接蜗杆，蜗杆通过蜗轮连接小锥齿轮，小锥齿轮啮合连接大锥齿轮，大锥齿轮上设有四个封口片。
16.进一步，所述喷水结构由拉伸弹簧、半圆塞、卡扣、压缩弹簧、电动推杆、舵机和矢量喷水口组成，矢量喷水口轴向设置在喷水结构的尾部，电动推杆中通过拉伸弹簧连接半圆塞，喷水结构的前部设有用于扣住半圆塞的卡扣和用于使卡扣复位的压缩弹簧。
17.本发明的有益效果是：
18.1.采用头部侧向吸水、尾部轴向喷水的结构设计理念，根据动量定理，可以实现喷水推进效率最大化。
19.2.采用电动推杆驱动伞状结构开合，驱动外弹性蒙皮膨胀和收缩，实现推进器腔体的容积变化、内外压差变化、以及吸水和喷水过程。
20.3.采用同一套电动推杆驱动，通过传动机构设计，实现吸水口和喷水口的开关互锁联动。
附图说明
21.图1是本发明的伞状容积式仿生推进器立体示意图一；
22.图2是本发明的伞状容积式仿生推进器立体示意图二；
23.图3是吸水结构立体示意图一；
24.图4是吸水结构立体示意图二；
25.图5是喷水结构剖视示意图；
26.图6是喷水结构部分立体示意图一；
27.图7是喷水结构部分立体示意图二；
28.图8是喷水结构局部示意图；
29.图9是大锥齿轮与封口片示意图；
30.图中：1.电动推杆，2.吸水口，3.多关节连接杆及伞状结构，4.喷水口，5.圆柱齿轮，6.蜗杆，7.蜗轮，8.小锥齿轮，9.大锥齿轮，10.齿条，11.半圆塞，12.卡扣，13.拉伸弹簧，14.封口片，15.压缩弹簧。
具体实施方式
31.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
32.如图1至图9所示，本发明实施例的一种伞状容积式仿生推进器，主要由吸水结构、喷水结构、电动推杆2、多关节连接杆及伞状结构3、外弹性蒙皮、喷水结构、舵机等组成。吸水结构与喷水结构之间连接有多关节连接杆及伞状结构3和外弹性蒙皮，电动推杆1置于喷水结构中，并通过连接多关节连接杆及伞状结构3驱动外弹性蒙皮膨胀和收缩。
33.其中，电动推杆1为装置的推动部件，伞状结构和吸水结构的吸水口、喷水结构的出水口一起由电动推杆1驱动多关节连接杆及伞状结构3和外弹性蒙皮完成模仿乌贼吸水喷水的动作。当电动推杆1收缩时，多关节连接杆及伞状结构3像伞状向外打开，同时吸水口2打开、喷水口4关闭，完成吸水的过程；当电动推杆1伸长时，多关节连接杆及伞状结构3像伞状向内收缩，同时吸水口2关闭、喷水口4打开，完成喷水过程。如此循环往复，实现整个装置反冲前进。最后，采用舵机控制喷水口4转向，实现推进器的方向矢量控制。
34.如图3，4，9所示，吸水结构由电动推杆1、齿条10、圆柱齿轮5、蜗轮7、蜗杆6、小锥齿轮8、大锥齿轮9以及锥齿轮上的四个封口片14和四个吸水口2组成。吸水结构的头部侧向设有四个吸水口2。电动推杆1上面固定连接齿条10，齿条10通过圆柱齿轮5连接蜗杆7，蜗杆7通过蜗轮6连接小锥齿轮8，小锥齿轮8啮合连接大锥齿轮9，大锥齿轮9上设有四个封口片14。
35.当电动推杆1开始进行轴向运动时，上面固定的齿条10会带动圆柱齿轮5进行运动，随着圆柱齿轮5的转动时，带动与其同轴的蜗杆7一起旋转，蜗杆7的旋转带动蜗轮6旋转，蜗轮6再带动同轴的小锥齿轮8旋转，最后通过小锥齿轮8将运动传递到连接有四个封口片14的大锥齿轮9上面，带动封口片14旋转来控制吸水口2的开关，从而完成了将轴向的运动传递到了周向封口片14的旋转。随着电动推杆1的上下运动，最后达到四个吸水口2周期性进水的过程。
36.如图5至图8所示，喷水结构由拉伸弹簧13、半圆塞11、卡扣12、压缩弹簧15、电动推杆1、舵机和喷水口4组成。喷水口4轴向设置在喷水结构的尾部。电动推杆1中通过拉伸弹簧13连接半圆塞11，喷水结构的前部设有用于扣住半圆塞11的卡扣12和用于使卡扣12复位的压缩弹簧15。其工作原理是当电动推杆1收缩到一定程度时，即装置吸水到一定程度，半圆塞11伸出部分达到最长，此时电动推杆1还未伸至最长，电动推杆1继续收缩会使卡扣12松开，拉伸弹簧13使半圆塞11底部回缩，压缩弹簧15使卡扣12复位。当电动推杆1伸长时，底部半圆塞11再次被卡扣12卡住，从而使装置不会提前喷水，即有较大的喷射力度。在推进器尾部装有舵机和喷水口，从而可以控制装置的推进方向。

技术特征：
1.一种伞状容积式仿生推进器，其特征在于：包括吸水结构、喷水结构、电动推杆、多关节连接杆及伞状结构、外弹性蒙皮、喷水结构，吸水结构与喷水结构之间连接有多关节连接杆及伞状结构和外弹性蒙皮，吸水结构中设有吸水口，喷水结构中设有喷水口，电动推杆置于喷水结构中，吸水结构的吸水口、喷水结构的出水口一起由电动推杆驱动多关节连接杆及伞状结构和外弹性蒙皮完成模仿乌贼吸水喷水的动作。2.根据权利要求1所述的伞状容积式仿生推进器，其特征在于：所述电动推杆为推动部件，当电动推杆收缩时，多关节连接杆及伞状结构像伞状向外打开，同时吸水口打开、喷水口关闭，完成吸水的过程；当电动推杆伸长时，多关节连接杆及伞状结构像伞状向内收缩，同时吸水口关闭、喷水口打开，完成喷水过程。3.根据权利要求1所述的伞状容积式仿生推进器，其特征在于：所述喷水结构采用舵机控制喷水口转向，实现推进器的方向矢量控制。4.根据权利要求1所述的伞状容积式仿生推进器，其特征在于：所述吸水结构由电动推杆、齿条、圆柱齿轮、蜗轮、蜗杆、两个锥齿轮以及锥齿轮上的四个封口片和四个吸水口组成，吸水结构的头部侧向设有四个吸水口，电动推杆上面固定连接齿条，齿条通过圆柱齿轮连接蜗杆，蜗杆通过蜗轮连接小锥齿轮，小锥齿轮啮合连接大锥齿轮，大锥齿轮上设有四个封口片。5.根据权利要求1所述的伞状容积式仿生推进器，其特征在于：所述喷水结构由拉伸弹簧、半圆塞、卡扣、压缩弹簧、电动推杆、舵机和矢量喷水口组成，矢量喷水口轴向设置在喷水结构的尾部，电动推杆中通过拉伸弹簧连接半圆塞，喷水结构的前部设有用于扣住半圆塞的卡扣和用于使卡扣复位的压缩弹簧。

技术总结
本发明涉及一种伞状容积式仿生推进器，吸水结构与喷水结构之间连接多关节连接杆及伞状结构和外弹性蒙皮，吸水结构中设有吸水口，喷水结构中设有喷水口，电动推杆置于喷水结构中，吸水口、出水口一起由电动推杆驱动多关节连接杆及伞状结构和外弹性蒙皮完成模仿乌贼吸水喷水的动作。本发明采用类似伞状开合的机构，实现腔体的容积变化和腔体内外压差的变化，完成吸水和排水过程；采用头部侧向吸水、尾部轴向喷水的方式，易于实现推进效率最大化；采用同一套驱动装置，通过机构的设计实现吸水口和喷水口互锁，以及膨胀和收缩支架的开合动作；喷水口采用方向舵机，实现推进器的推进方向的矢量控制，从而提高设备的高机动性和灵活操作性。操作性。操作性。


技术研发人员：朱兵 李湘龙 吴元东 卢奕岑 张春萌 周攀
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/6/6