一种软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器的制作方法

1.本发明属于水下软体机器人领域，具体地说是一种软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器。


背景技术：

2.水下机器人在大洋海底资源、环境和地形探测中有着广泛的应用，但当前实现工程化应用的水下机器人普遍采用螺旋桨推进，噪声大、扰动大、加减速慢、功耗大等问题制约了其在海底崎岖环境探索、海洋生物群落低扰动观测、极地海洋冰层水下环境探测等海洋科学探索任务中的应用。樽海鞘是一种使用喷射推进游动的海洋生物，其喷水机制推进效率高。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，以樽海鞘为仿生对象，可以较好的实现水下柔性吸水和喷水推进。
4.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，包括硅橡胶弹性基体、环形人工肌肉；所述硅橡胶弹性基体具有前后通透的空腔，前端为入水口，后端为出水口；空腔内固定有多个环形人工肌肉；所述环形人工肌肉的中心回转轴线与所述硅橡胶弹性基体的中心回转轴线重合；所述的环形人工肌肉由多个软体单元串联而成，每个软体单元包括软体单元弹性层、密封接头、软体单元包裹层；密封接头位于软体单元弹性层的两端，用于和相邻的软体单元密封连接；软体单元弹性层的内部设有多条编织纤维和一个软体单元空腔，软体单元空腔用于容纳或排空液压油从而使环形人工肌肉收缩或者恢复，软体单元空腔的两端设有液压油流道便于和水下软体机器人的液压动力源相连；软体单元包裹层用于包裹软体单元弹性层、密封接头。
5.所述硅橡胶弹性基体为圆柱形，所述软体单元弹性层截面为矩形，所述软体单元包裹层的截面为矩形。
6.所述硅橡胶弹性基体的数量为1，所述软体单元弹性层的数量为32。
7.所述硅橡胶弹性基体和所述环形人工肌肉之间由室温固化硫化硅橡胶粘接；所述软体单元包裹层和所述软体单元弹性层之间由室温固化硫化硅橡胶粘接，所述密封接头和所述软体单元弹性层相连，所述编织纤维内嵌在所述软体单元弹性层中。
8.所述的一种软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，通入压力流体时，所述软体单元弹性层受到所述编织纤维的限制，所述软体单元弹性层和软体单元包裹层径向发生膨胀变形，所述软体单元弹性层和软体单元包裹层轴向发生收缩变形，所述环形人工肌肉径向发生收缩变形，所述硅橡胶弹性基体径向发生收缩变形；通入压力流体时，所述环形人工肌肉从前往后依次进行径向收缩变形，所述硅橡胶弹性基体从前往后依次进行径向收缩变
形，所述硅橡胶弹性基体的内部空腔的体积从前往后逐渐变小，将内部空腔中的水从所述硅橡胶弹性基体的后端挤压喷出。
9.所述软体单元弹性层的压力流体泄压后，所述环形人工肌肉从前往后依次恢复径向形变，所述硅橡胶弹性基体从前往后依次恢复径向形变，所述硅橡胶弹性基体的内部空腔的体积从前往后逐渐变大，将外界水从所述硅橡胶弹性基体的前端吸入内部空腔。
10.本发明的优点和积极效果为：1.柔顺性强：本发明使用硅橡胶作为主体材料，通过液压驱动发生弹性形变，以此完成吸水和喷水推进，推进时柔顺性强。
11.2.仿生合理：本发明设计的软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，以樽海鞘作为仿生对象，模仿其身体两端开口，一端为入水口，一端为出水口，柔性执行器前后依次分布有环形人工肌肉，实现仿生喷水推进。
12.3.成本低：本发明设计的软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，主体材料可采用硅橡胶，材料成本较低。
13.4.深海环境适应性强：本发明设计的软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，可全部裸露在海水中，且采用液压驱动，后续可采用压力补偿技术平衡内外压力，在深海中应用。
14.5.海洋机器人仿生喷水推进技术在海底崎岖的地形以及狭缝等对灵活性要求高的环境中的海洋科学探索任务中具有应用价值，其柔顺性、机动性和推进效率等相比螺旋桨推进具有优势。
附图说明
15.图1为本发明液压驱动的仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器的结构示意图。
16.图2为本发明软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器的正视图。
17.图3为本发明软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器的左视图。
18.其中：1为硅橡胶弹性基体、2为软体单元弹性层、3为密封接头、4为编织纤维、5为软体单元包裹层、6为环形人工肌肉。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。
20.如图1、图2和图3所示，一种软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，包括硅橡胶弹性基体1、环形人工肌肉6；所述硅橡胶弹性基体1具有前后通透的空腔，前端为入水口，后端为出水口；空腔内固定有多个环形人工肌肉6。
21.所述环形人工肌肉6的中心回转轴线与所述硅橡胶弹性基体1的中心回转轴线重合。
22.所述的环形人工肌肉6由多个软体单元串联而成，每个软体单元包括软体单元弹性层2、密封接头3、软体单元包裹层5；密封接头3位于软体单元弹性层2的两端，用于和相邻的软体单元密封连接；软体单元弹性层2的内部设有多条编织纤维4和一个软体单元空腔，软体单元空腔用于容纳或排空液压油从而使环形人工肌肉6收缩或者恢复，软体单元空腔的两端设有液压油流道便于和水下软体机器人的液压动力源相连；软体单元包裹层5用于
包裹软体单元弹性层2、密封接头3。
23.所述硅橡胶弹性基体1为圆柱形，所述软体单元弹性层2截面为矩形，所述软体单元包裹层5的截面为矩形。
24.所述硅橡胶弹性基体1的数量为1，所述软体单元弹性层2的数量为32。
25.所述硅橡胶弹性基体1和所述环形人工肌肉6之间由室温固化硫化硅橡胶粘接；所述软体单元包裹层5和所述软体单元弹性层2之间由室温固化硫化硅橡胶粘接，所述密封接头3和所述软体单元弹性层2相连，所述编织纤维4内嵌在所述软体单元弹性层2中。
26.本发明的工作原理为：所述的一种软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，通入压力流体时，所述软体单元弹性层2受到所述编织纤维4的限制，所述软体单元弹性层2和软体单元包裹层5径向发生膨胀变形，所述软体单元弹性层2和软体单元包裹层5轴向发生收缩变形，所述环形人工肌肉6径向发生收缩变形，所述硅橡胶弹性基体1径向发生收缩变形；通入压力流体时，所述环形人工肌肉6从前往后依次进行径向收缩变形，所述硅橡胶弹性基体1从前往后依次进行径向收缩变形，所述硅橡胶弹性基体1的内部空腔的体积从前往后逐渐变小，将内部空腔中的水从所述硅橡胶弹性基体1的后端挤压喷出。
27.所述软体单元弹性层2的压力流体泄压后，所述环形人工肌肉6从前往后依次恢复径向形变，所述硅橡胶弹性基体1从前往后依次恢复径向形变，所述硅橡胶弹性基体1的内部空腔的体积从前往后逐渐变大，将外界水从所述硅橡胶弹性基体1的前端吸入内部空腔。
28.如图1所示，当通入压力流体后，4个环形人工肌肉6从前往后依次进行径向收缩变形，硅橡胶弹性基体1从前往后依次进行径向收缩变形，内部空腔的体积从前往后逐渐变小，将内部空腔中的水从出水口挤压喷出。
29.如图1所示，软体单元弹性层2的压力流体泄压后，4个环形人工肌肉6从前往后依次恢复径向形变，所述硅橡胶弹性基体1从前往后依次恢复径向形变，所述内部空腔的体积从前往后逐渐变大，将外界水从入水口吸入内部空腔。
30.本实施例中，环形人工肌肉3的中心回转轴线与硅橡胶弹性基体2的中心回转轴线重合。
31.本发明的应用实例为：在进行喷水推进时，高压流体进入软体单元弹性层2，软体单元弹性层2和软体单元包裹层5受到编织纤维10的限制，软体单元弹性层2和软体单元包裹层5径向发生膨胀变形，轴向发生收缩变形，带动环形人工肌肉6发生径向收缩变形，带动硅橡胶弹性基体发生径向收缩变形，使得内部空腔5体积减小。4个环形人工肌肉6从前往后依次进行径向收缩变形，硅橡胶弹性基体1从前往后依次进行径向收缩变形，将水从出水口挤压喷出，完成喷水推进。
32.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物技术方案给出。

技术特征：
1.一种软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，其特征在于：包括硅橡胶弹性基体（1）、环形人工肌肉（6）；所述硅橡胶弹性基体（1）具有前后通透的空腔，前端为入水口，后端为出水口；空腔内固定有多个环形人工肌肉（6）；所述环形人工肌肉（6）的中心回转轴线与所述硅橡胶弹性基体（1）的中心回转轴线重合；所述的环形人工肌肉（6）由多个软体单元串联而成，每个软体单元包括软体单元弹性层（2）、密封接头（3）、软体单元包裹层（5）；密封接头（3）位于软体单元弹性层（2）的两端，用于和相邻的软体单元密封连接；软体单元弹性层（2）的内部设有多条编织纤维（4）和一个软体单元空腔，软体单元空腔用于容纳或排空液压油从而使环形人工肌肉（6）收缩或者恢复，软体单元空腔的两端设有液压油流道便于和水下软体机器人的液压动力源相连；软体单元包裹层（5）用于包裹软体单元弹性层（2）、密封接头（3）。2.根据权利要求1所述的一种软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，其特征在于：所述硅橡胶弹性基体（1）为圆柱形，所述软体单元弹性层（2）截面为矩形，所述软体单元包裹层（5）的截面为矩形。3.根据权利要求1所述的一种软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，其特征在于：所述硅橡胶弹性基体（1）的数量为1，所述软体单元弹性层（2）的数量为32。4.根据权利要求1所述的一种软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，其特征在于：所述硅橡胶弹性基体（1）和所述环形人工肌肉（6）之间由室温固化硫化硅橡胶粘接；所述软体单元包裹层（5）和所述软体单元弹性层（2）之间由室温固化硫化硅橡胶粘接，所述密封接头（3）和所述软体单元弹性层（2）相连，所述编织纤维（4）内嵌在所述软体单元弹性层（2）中。5.根据权利要求1所述的一种软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，其特征在于：通入压力流体时，所述软体单元弹性层（2）受到所述编织纤维（4）的限制，所述软体单元弹性层（2）和软体单元包裹层（5）径向发生膨胀变形，所述软体单元弹性层（2）和软体单元包裹层（5）轴向发生收缩变形，所述环形人工肌肉（6）径向发生收缩变形，所述硅橡胶弹性基体（1）径向发生收缩变形；通入压力流体时，所述环形人工肌肉（6）从前往后依次进行径向收缩变形，所述硅橡胶弹性基体（1）从前往后依次进行径向收缩变形，所述硅橡胶弹性基体（1）的内部空腔的体积从前往后逐渐变小，将内部空腔中的水从所述硅橡胶弹性基体（1）的后端挤压喷出。6.根据权利要求1所述的一种软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，其特征在于：所述软体单元弹性层（2）的压力流体泄压后，所述环形人工肌肉（6）从前往后依次恢复径向形变，所述硅橡胶弹性基体（1）从前往后依次恢复径向形变，所述硅橡胶弹性基体（1）的内部空腔的体积从前往后逐渐变大，将外界水从所述硅橡胶弹性基体（1）的前端吸入内部空腔。

技术总结
本发明涉及一种软体仿生樽海鞘喷水推进柔性执行器，包括硅橡胶弹性基体、环形人工肌肉；硅橡胶弹性基体具有前后通透的空腔；环形人工肌肉的中心回转轴线与硅橡胶弹性基体的中心回转轴线重合；环形人工肌肉由多个软体单元串联而成，每个软体单元包括软体单元弹性层、密封接头、软体单元包裹层；密封接头位于软体单元弹性层的两端，用于和相邻的软体单元密封连接；软体单元弹性层的内部设有多条编织纤维和一个软体单元空腔，软体单元空腔用于容纳或排空液压油从而使环形人工肌肉收缩或者恢复，软体单元空腔的两端设有液压油流道。本发明柔顺性强、仿生合理：成本低：环境适应性强，具有较高的应用价值。具有较高的应用价值。具有较高的应用价值。


技术研发人员：陈宁特 周建平 韩沉花 郑旻辉 徐巍军 陶春辉
受保护的技术使用者：自然资源部第二海洋研究所
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/7/22