一种基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置置，适用于外骨骼机器人和喷气背包动力装置。

背景技术：

外骨骼机器人可跟随人体运动，并承担主要负荷，进而增强人体机能，而喷气背包是实现人类飞行和运动助力的有效途径之一。为实现能源自治，提高实用化水平，以HAL-5、BULC、XOS、BLEEX和Jetpack、Martin为代表的外骨骼机器人和喷气背包普遍采用电池、汽油机作动力带动电机或液压驱动系统。其中，锂电池作为应用最广泛的动力形式，相对较低的能量密度限制了其长时间使用；燃料电池技术不断发展，已具有较高的能量密度和功率密度，然而高昂的成本和有害基底物质排放等缺陷还有待于解决；内燃机具有最高的能量密度和功率密度，是最理想的外骨骼机器人和喷气背包动力系统，但是，其噪音、效率、污染等问题短期内难以突破。此外，上述外骨骼机器人和喷气背包用传统动力系统，难以在能量转化系统复杂性和燃料能量密度间取得平衡，这也成为制约外骨骼机器人和和喷气背包续航能力提升的原理性障碍。因此，对于本领域技术人员而言，有必要开发一种高功率密度、环境友好、结构简单和高效率的新型动力系统，以在外骨骼机器人和和喷气背包系统中推广应用。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高功率密度、高效率、结构简单、无污染的基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置。

为解决上述技术问题，本实用新型包括以下内容：

一种基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，包括单组元燃料供给系统和脉冲式反应系统，所述单组元燃料供给系统包括储罐、流量泵，所述脉冲式反应系统包括入口高频开关阀、催化剂床、压力传感器、出口高频开关阀、控制器和喷嘴，所述储罐通过流量泵与催化剂床的入口连接，所述催化剂床的出口与喷嘴连接，催化剂床的入口和出口分别安装有入口高频开关阀和出口高频开关阀，所述催化剂床上安装有监控催化剂床内压力变化的压力传感器，所述压力传感器的信号端与控制器连接，所述控制器的信号端与入口高频开关阀、出口高频开关阀和流量泵连接，所述控制器控制入口高频开关阀和出口高频开关阀的占空比以及流量泵的流量大小。

所述控制器为PWM控制器。

所述储罐内的单组元燃料为H₂O₂，优选浓度高于30％的H₂O₂。

所述流量泵的输出流量为10毫升/秒到200毫升/秒。

所述入口高频开关阀和出口高频开关阀的频率为1Hz到50Hz。

所述催化剂床内部有效体积为50毫升至500毫升。

所述催化剂床内使用锰基担载型颗粒状催化剂。

所述喷嘴有效截面积为50平方毫米至500平方毫米。

本实用新型的上述技术方案主要是基于以下原理：鞘翅目昆虫—气步甲依靠连续喷射高压刺激性分泌物防御天敌，通过解剖和动物试验发现其防御机制源自体内独特的生物功能结构。气步甲喷射动力系统由柔性燃料室和刚性反应室组成，腺体内合成的H₂O₂(浓度达到25％)存储在燃料室内，并在肌肉挤压下通过类单向阀结构进入反应室，H₂O₂在生物酶的催化作用下迅速分解释放出氧气和高温水蒸气，当压力超过反应室喷口类单向阀结构设定压力后向外喷出，此时燃料室单向阀关闭。上述过程循环进行，产生脉冲喷射效果。气步甲的脉冲喷射过程(最高频率达到2000Hz)可有效降低燃料室所需驱动压力，同时增加H₂O₂在催化剂床内驻留时间，提升其催化分解效率，并且降低连续反应过程所引起的过热。

本实用新型通过控制入口高频开关阀和出口高频开关阀的快速开启和关闭的循环，实现脉冲喷射效果，利用H₂O₂高功率密度、高能量密度以及稳定、无毒的物化特性，通过催化剂的快速反应(催化剂的快速反应利用锰基催化剂的桥接作用，降低催化反应所需活化能，极大提高反应速率，可达10^-3s，保证喷射的连续性)，特别是其直接将化学能转化为机械能的独特优势，从而保证能提供稳定的推动，与现有技术相比，具有高功率密度、环境友好、结构简单和高效率等优点，适用于外骨骼机器人和喷气背包等设备的动力系统。

此外，通过本装置可根据人体运动频率和助力幅值要求，获得优化的泵流量、PWM信号占空比和催化剂床体积等系统参数取值，并在系统工作阶段通过系统参数调整自动补偿输出误差(低于1％)。在实现脉冲喷射效果的同时，能够有效降低上游燃料供应压力，减少催化剂床体积，提升催化分解效率，并且降低连续反应过程所引起的过热，保证反应的持续稳定。

附图说明

图1为本装置的结构简图。

图2为本实用新型实施例1中入口高频开关阀PWM信号

图3为本实用新型实施例1中出口高频开关阀PWM信号

图4为本实用新型实施例1中输出力随时间变化曲线。

图5为本实用新型实施例2中入口高频开关阀PWM信号

图6为本实用新型实施例2中出口高频开关阀PWM信号

图7为本实用新型实施例2中输出力随时间变化曲线。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。

一种基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，包括单组元燃料供给系统和脉冲式反应系统，所述单组元燃料供给系统包括储罐1、流量泵2，所述脉冲式反应系统包括入口高频开关阀3、催化剂床4、压力传感器5、出口高频开关阀6、PWM控制器8和喷嘴7，所述储罐1通过流量泵2与催化剂床4的入口连接，所述催化剂床4的出口与喷嘴7连接，催化剂床4的入口和出口分别安装有入口高频开关阀3和出口高频开关阀6，所述催化剂床4上安装有监控催化剂床内压力变化的压力传感器5，所述压力传感器5的信号端与PWM控制器8连接，所述PWM控制器8的信号端与入口高频开关阀3、出口高频开关阀6和流量泵2连接，所述PWM控制器8控制入口高频开关阀和出口高频开关阀的占空比以及流量泵的流量大小。

所述储罐内的单组元燃料为H₂O₂，优选浓度高于30％的H₂O₂。所述流量泵的输出流量为10毫升/秒到200毫升/秒。所述入口高频开关阀和出口高频开关阀的频率为1Hz到50Hz。所述催化剂床内部有效体积为50毫升至500毫升。所述催化剂床内使用锰基担载型颗粒状催化剂。所述喷嘴有效截面积为50平方毫米至500平方毫米。

实施例1：

具体设计一种如图1所示的基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，包括以下内容：

(1)装置包括燃料供给系统和脉冲式反应系统，燃料供给系统包括储罐、流量泵；脉冲式反应系统包括入口高频开关阀、催化剂床、压力传感器、出口高频开关阀、PWM控制器、喷嘴。储罐通过流量泵与催化剂床的入口连接，催化剂床的出口与喷嘴连接，催化剂床的入口和出口分别安装有入口高频开关阀和出口高频开关阀，催化剂床上安装有监控催化剂床内压力变化的压力传感器，压力传感器的信号端与PWM控制器连接，PWM控制器的信号端与入口高频开关阀、出口高频开关阀和流量泵连接。

(2)动力装置流体器件均安装快速接头，通过氟素树脂管依次连接。

(3)设定喷口推力期望值为F_e为34N，输出频率为20Hz。

(4)使用浓度ψ为90％的H₂O₂作为单组元燃料。

(5)催化剂床内使用平均粒度2mm的锰基担载型颗粒状催化剂。

(6)高频开关阀(包括入口和出口高频开关阀f₁、f₂)频率选取20Hz。

(7)选取催化剂床内部有效体积V为50毫升。

(8)选取喷嘴有效截面积A_t为50平方毫米。

(9)选取入口、出口高频开关阀占空比ξ₁和ξ₂分别为0.31和0.3。

(10)利用

F＝P×A_t

公式(1)

计算出流量泵期望流量值Q_e为200毫升/秒。

(11)将入口高频开关阀开启，出口高频开关阀关闭；利用压力传感器检测催化剂床内压力，利用公式(1)计算得到实际推力F_a为35N。

(12)将喷口推力偏差值ΔF(1N)代入公式(1)，计算入口高频开关阀占空比：

计算出入口高频开关阀占空比微调量Δξ₁为0.01，设定下一个循环的入口高频开关阀优化占空比ξ_1o为0.3。

(13)重复步骤(11)-(12)，计算出实际喷口推力为34.2N，满足输出力误差要求。图2、3所示为入口、出口高频开关阀PWM信号，图4所示为输出力随时间变化曲线。

实施例2：

具体设计一种如图1所示的基于单组元燃料的脉冲式仿生动力装置，包括以下内容：

(1)装置包括燃料供给系统和脉冲式反应系统，燃料供给系统包括储罐、流量泵；脉冲式反应系统包括入口高频开关阀、催化剂床、压力传感器、出口高频开关阀、PWM控制器、喷嘴。储罐通过流量泵与催化剂床的入口连接，催化剂床的出口与喷嘴连接，催化剂床的入口和出口分别安装有入口高频开关阀和出口高频开关阀，催化剂床上安装有监控催化剂床内压力变化的压力传感器，压力传感器的信号端与PWM控制器连接，PWM控制器的信号端与入口高频开关阀、出口高频开关阀和流量泵连接。

(2)动力装置流体器件均安装快速接头，通过氟素树脂管依次连接。

(3)设定喷口推力期望值为F_e为19N，输出频率为1Hz。

(4)使用浓度ψ为60％的H₂O₂作为单组元燃料。

(5)催化剂床内使用平均粒度2mm的锰基担载型颗粒状催化剂。

(6)高频开关阀(包括入口和出口高频开关阀f₁、f₂)频率选取1Hz。

(7)选取催化剂床内部有效体积V为100毫升。

(8)选取喷嘴有效截面积A_t为50平方毫米。

(9)选取入口、出口高频开关阀占空比ξ₁和ξ₂分别为0.3和0.2。

(10)利用公式(1)和公式(2)计算出流量泵期望流量值Q_e为18毫升/秒。

(11)将入口高频开关阀开启，出口高频开关阀关闭；利用压力传感器检测催化剂床内压力，利用公式(1)计算得到实际推力F_a为17N。

(12)将喷口推力偏差值ΔF(2N)代入公式(1)和公式(2)，

计算出流量泵微调流量ΔQ为2毫升/秒，设定下一个循环的流量泵的优化流量Q_o为20毫升/秒。

(13)重复步骤(11)-(12)，计算出实际喷口推力为18.9N，满足输出力误差要求。图5、6所示为入口、出口高频开关阀PWM信号，图7所示为输出力随时间变化曲线。