一种基于ipmc组合肌肉的仿心脏水下推进器的制造方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供一种基于IPMC组合肌肉的仿心脏水下推进器，由IPMC组合肌肉动力部件、自清洁过滤头、心房压力腔、心室压力腔、射流推进部分、射流调向部分组成。自清洁过滤部分包括过滤孔构成外罩，内部设计层过滤网，回流软管连接控制阀门与三通分流头；心房压力腔及心室压力腔主要是进水隔板及IPMC组合肌肉构成了心房压力腔III的结构，且在心房压力腔上的活塞具有通水单向阀，通过IPMC组合肌肉动力部件、倒流通道、出水孔等构成了心室压力腔，两个压力腔通过单向阀连接，整个房压力腔及心室压力腔是通过六个并行圆周排布方式组成，最后通过单向阀由出水孔出流。本发明在水下作业时，具有低噪声、低扰动性及低能耗等优点。
【专利说明】—种基于IPMC组合肌肉的仿心脏水下推进器
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种推进器，具体地说是水下推进器。
【背景技术】
[0002]目前，国内外学者对水下推进方式进行了广泛而深刻的理论探究及应用研究，并在诸多方面取得了较为显著的进展。由于水下装备动力装置的研究关系到其水下推进的性能与工作效率，所以此问题的研究一直受到各国专家学者的关注，同时，能够突破传统的推进方式的缺陷，开发一种新型水下推进方式以满足特殊作业及微型化水下推进的需要，显得尤为重要。水下推进方式的研究主要经历了传统螺旋桨推进、仿生水下推进、智能推进等过程。研究发现，传统螺旋桨舵式推进的机械设计结构与加工工艺复杂，水下作业时表现出大的噪声与扰动性，同时，水下推进时推进效率较低，而且不适用于小型水下推进装备的水力推进选择。另一方面，仿生水下生物原型的推进方式逐渐获得了学者的认可与关注，波动摆动鱼鳍推进、生物鞭毛推进及射流反冲推进等仿生推进方式符合自然界生物的进化规律，具有较高的效能，但仿生推进的研究却局限于形似神不同的及复杂机械结构驱动等方面的问题，研究的成果不能满足实际问题的需要。因此，研究出一种高效能、低噪声、低扰动且满足各类水下工况要求的水下装备的动力装置，具有重要研究意义。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供高效能、低噪声及低扰动性的一种基于IPMC组合肌肉的仿心脏水下推进器。
[0004]本发明的目的是这样实现的:
[0005]本发明一种基于IPMC组合肌肉的仿心脏水下推进器，其特征是:包括壳体、IPMC组合肌肉动力部件、心房压力腔、心室压力腔、射流推进部分、射流调向部分，IPMC组合肌肉动力部件包括肌肉元、活塞、蓄力弹簧、动力输出支撑架，肌肉元由四条IPMC肌肉条沿圆周方向均匀设置构成，肌肉元的两端安装第一供电连接板，肌肉条与第一供电连接板之间通过连接电极相连形成肌肉束，肌肉束之间安装第二供电连接板形成组合肌肉，组合肌肉安装在活塞和动力输出支撑架之间，组合肌肉沿圆周方向均匀布置，在组合肌肉的中间设置蓄力弹簧，蓄力弹簧的两端分别安装在活塞和动力输出支撑架上，壳体的首端安装过滤头，过滤头包括过滤外壳、过滤网，过滤网设置在过滤外壳和壳体之间，心房压力腔、心室压力腔均有六个且设置在壳体里，六个心房压力腔固定在壳体的首部且沿壳体的轴向均匀布置，六个心室压力腔固定在壳体的尾部且沿壳体的轴向均匀布置，第一-第六心房压力腔分别通过第一-第六单向阀连通第一-第六心室压力腔，每个心房压力腔、心室压力腔里均安装IPMC组合肌肉动力部件，心房压力腔的动力输出支撑架上开有进水孔，心房压力腔的活塞上分别安装第七-第十二单向阀，心室压力腔的动力输出支撑架上设置压差导管，心室压力腔的腔体上开设有倒流通道，第一与第四心室压力腔的压差导管、第二与第五心室压力腔的压差导管、第三与第六心室压力腔的压差导管分别连通，壳体的尾端安装射流推进部分和射流调向部分，射流推进部分包括推进壳体、第一三通分流头、射流喷嘴，第一三通分流头安装在推进壳体的首端，推进壳体上开设汇流通道，汇流通道分别与第二、第三、第五、第六心室压力腔倒流通道以及第一三通分流头的一个分流头相连通，汇流通道与倒流通道之间分别安装第十三-第十八单向阀，汇流通道通过可控阀门与位于推进壳体尾端的射流喷嘴相连通，射流调向部分包括支撑座、第二三通分流头、第二 -第九可控阀门，支撑座固定在壳体的尾端，支撑座里开设有分流通道和调向射流口，第二三通分流头固定在支撑座上并与分流通道相连通，支撑座里安装第二 -第九可控阀门，第二 -第九可控阀门分别对应一个调向射流口，第二-第九可控阀门均连通分流通道并分别连通各自对应的调向射流口，第一心室压力腔倒流通道连通分流通道。
[0006]本发明还可以包括:
[0007]1、还包括回流管，壳体首端安装控制阀门，回流管一端连通第四心室压力腔倒流通道，回流管另一端连通控制阀门并通过控制阀门将回流管中的液体导向滤网，壳体上位于控制阀门对向的位置处设置排泄口，滤网上安装压差传感器。
[0008]2、还包括回流管，壳体首端设置过滤通道，壳体首端安装第一-第三控制阀门，过滤通道连通第一-第三控制阀门，第一-第三控制阀门沿壳体轴向均匀设置，回流管一端连通第四心室压力腔倒流通道，回流管另一端连通过滤通道并通过第一-第三控制阀门将回流管中的液体导向滤网，壳体上位于第一-第三控制阀门下方的位置设置排泄口，滤网上安装压差传感器。
[0009]本发明的优势在于:本发明推进器的动力部分采用肌肉元组合的方式进行工作，突破了传统单条肌肉丝作用力小的缺陷；采用无电机驱动的驱动方法，降低了驱动噪音，简化了复杂的结构设计；IPMC肌肉丝具有低电压，高驱动特性，满足节能环保的绿色设计的设计理念；IPMC肌肉丝驱动可省掉复杂机械结构，具有水下作业时低噪声、低扰动性及低能耗等优点；推进器具备自清洁过滤功能，保证了供流顺畅，提高续航能力；六对房室腔分成三组，相邻组间协同运动，同组内对应的肌肉条动作相反，在增加出水流量的同时，保证了喷水连续性并减少装置振动和噪声；在装置尾部设计了方向调节器，可以实现装置的自动转向和航向校正；利用了仿生学原理模仿心脏结构与喷射过程，具有较高的推进效能及环境适应性；推进器采用模块化设计，各模块间通过螺纹连接，其制造维护方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1a为本发明IPMC组合肌肉动力部件的整体结构图a，图1b为本发明IPMC组合肌肉动力部件的整体结构图b ；
[0011]图2a为A处放大图，图2b为A-A视图；
[0012]图3a为B处放大图a，图3b为B处放大图b;
[0013]图4a为自清洁过滤头示意图，图4b为B-B示意图；
[0014]图5为C处放大图；
[0015]图6为本发明的剖视图；
[0016]图7a为C-C视图；图7b为D-D视图；
[0017]图8a为射流推进部分不意图a,图8b为射流推进部分不意图b,图8c为E-E视图，图8d为F处放大图；[0018]图9a为射流调向部分示意图，图9b为G-G示意图；
[0019]图1Oa为本发明整体示意图a，图1Ob为本发明整体示意图b，图1Oc为本发明整体示意图C。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图举例对本发明做更详细地描述:
[0021]结合图1?10，本发明主要由IPMC组合肌肉动力部件1、自清洁过滤头I1、心房压力腔II1、心室压力腔IV、射流推进部分V、射流调向部分VI等六部分组成。IPMC组合肌肉动力部件I的结构主要通过四条IPMC肌肉条9的对称组合方式构成了单个IPMC肌肉元8，单个IPMC肌肉元8利用连接电极10及供电连接板11的串行组合构成了肌肉束5，组合肌肉束5采用力传导件6与供电连接板7的并行组合的方式构成组合肌肉1，最后，组合肌肉I对称分布于圆周，且在中心使用蓄力弹簧3定心的方式构成整个IPMC组合肌肉动力部件
I。整体结构设计中，自清洁过滤部分II主要过滤孔13构成外罩，内部设计层过滤网15，通过控制阀门14控制清洗射流，采用压差传感器16反馈清洗信号，回流软管49连接控制阀门14与三通分流头36 ;心房压力腔III及心室压力腔IV主要是进水隔板20及IPMC组合肌肉22构成了心房压力腔III的结构，且在心房压力腔III上的活塞22具有通水单向阀24，通过IPMC组合肌肉动力部件28、倒流通道32、出水孔31等构成了心室压力腔IV，两个压力腔通过单向阀27连接，整个房压力腔III及心室压力腔IV是通过六个并行圆周排布方式组成，最后通过单向阀30由出水孔31出流，心室压力腔IV的非出水端即a-d、b-e、c-f两两通过压差导管29连接，利用a-d的水流除了供给推进射流，并供给射流推进部分V与射流调向部分VI射流使用；射流推进部分V水流一部分利用三通分流头36作为射流通过射流喷嘴39射出，一部分通过a-d部分供水，为射流推进部分V与射流调向部分VI两部分提供水流；射流调向部分VI中，三通分流头45连接分流通道46，可控阀门47分布在分流通道46的外侧。
[0022]在推进器工作时，水流通过自清洁过滤头II的过滤孔13及过滤网15过滤，经IPMC组合肌肉动力部件I的进水隔板20上的进水孔21流入心房压力腔III的左侧。同时，心房腔35里的IPMC组合肌肉22收缩带动活塞23向左移动，使得活塞23两侧产生压力差，活塞23上的单向阀24打开，水流入心房压力腔III右侧。IPMC组合肌肉22收缩完毕后舒张，同时心室压力腔IV的IPMC组合肌肉部件28开始收缩，在房室腔里产生压力差，单向阀27打开，水流由心房压力腔III流入心室压力腔IV。IPMC组合肌肉部件28收缩完毕后舒张，此时单向阀27关闭，在腔内压力作用下，水流通过与心室压力腔IV的倒流通道32相连的单向阀30流入射流喷嘴39，同时心房腔35里的IPMC组合肌肉22再次收缩，为下一个周期的射水准备。最终，水流喷射到外部流体中从而产生反向推进力，推动装置前进。工作一段时间后，过滤网15的左侧表面会附着一些杂质，使流过过滤网15水量减少，从而造成过滤网15两侧的压力差，通过压差传感器16的信号反馈利用自清洁过滤头II的反冲洗功能，进行自动清洗，冲洗掉的杂质由排泄口 12排除。在动力推进过程中，需要根据推进要求进行方向调节，利用射流调向部分VI，根据控制部件对8个圆周方向均布的射流口内的可控阀门47进行控制来实现推进过程中的方向控制。
[0023]如图1所示，IPMC组合肌肉动力部件I主要由组合肌肉1、活塞2、蓄力弹簧3、动力输出支撑架4等组成。其中，组合肌肉I对称分布于蓄力弹簧3的圆周。考虑到单条IPMC的输出作用力较小，设计了组合肌肉I的结构，如图2所示，组合肌肉I主要肌肉束5、力传导件6、供电连接板7、IPMC肌肉元8等组成，图3中，IPMC肌肉元8由IPMC肌肉条9、连接电极10、供电连接板11等组成。通过四条IPMC肌肉条9两两对称的方式的组合构成了IPMC肌肉元4，利用多个肌肉元8的串联组合形成肌肉束5，通过肌肉束5的并联组合并结合力传导件6的组合构成了组合肌肉I。为了提高力输出的效率，设计了蓄力弹簧3，同时防止组合肌肉I的偏心作用。IPMC肌肉组合驱动器I作为动力部件，分布在推进器的各个部分。
[0024]具体工作原理:
[0025]在外界提供控制信号的激励下，通过供电连接板11上的连接电极10为IPMC肌肉条9供电，使四条IPMC肌肉条9同时收缩，通过不同的供电连接板7对单个IPMC肌肉元8的连接实现组合肌肉束5的收缩作用，不同的组合肌肉束5通过力传导件6的传递作用实现了里的组合肌肉I的力输出作用，通过不同的组合肌肉I的环绕组合来拉动蓄力弹簧3的动作，积蓄能量，在下一个供电周期时，肌肉舒张，作用力通过推动活塞2的做功来实现动力的供给。
[0026]结合图4、5及10，自清洁过滤部分II主要由排泄口 12、过滤孔13、控制阀门14、过滤网15、压差传感器16等组成。其中，控制阀门14由IPMC组合肌肉的动力部件17、半球形阀芯18、清洗射流孔19、回流软管49等组成，如图5所示。过滤孔12与过滤网15的设计，保证了供水源不被堵塞，且通过过滤，依次将大小杂质过滤掉，保证供水通畅及控制阀门14的安全使用。压差传感器16获取过滤网15的压差关系变化进行自动反清洗工作提供信号，防止进水通道堵塞，保证了推进器的正常运作。清洗射流孔19采用三角布置，保证了清洗效果。清洗供水系统与射流喷水系统共用。
[0027]具体工作原理:
[0028]推进器在工作的过程中，水通过过滤孔13进入，并经由过滤网15供给心房腔35等部分工作，在运行较长时间后过滤网15上会附着大量的杂质，影响通畅供水，因此，通过压差传感器16感应到过滤网15两侧的压差变化，当达到一定的阀值后，压差传感器16将信号反馈控制组件，通过控制IPMC组合肌肉I的控制阀门14的动作来带动半球形阀芯18开关动作，供水清洗过滤网15，完成自清洁作用。在清洗结束后，可控阀门14舒张，阀门关闭，等待下一次动作。
[0029]结合图6与7，心房压力腔III及心室压力腔IV主要由进水隔板20、进水孔21、IPMC组合肌肉22、单向阀24、27及30、活塞23及25、挡板26、IPMC组合肌肉动力部件28、压差导管29、心房腔35、心室腔34、壳体33、倒流通道32、出水孔31等组成。其中，单向阀21等由活塞25、挡板26、壳体33等组成，其作用是保证水流只能单向导通。心房腔35与心室腔34按照字母A-a、B-b、C-c、D-d、E-e、F-f的关系通过单向阀27导通，考虑到心室腔35中的IPMC组合肌肉动力部件28工作环境下的压强问题，设计了压差导管29，将a-d、b_e、c-f导通，实现了工作过程中的气体循环。倒流通道32巧妙地在不穿越IPMC组合肌肉动力部件28中心的情况下将来流导入出水孔31，简化了结构设计，提高了射流效率。整个心房腔及心室腔各由六个腔室组成，在工作时，通过控制组件控制其IPMC组合肌肉动力部件28实现a-d、b-e、c-f两两腔内依次交替轮流工作提供连续射流，且水流经由心房腔35及心室腔34后，被两次加速，提高了射流的动能，降低了系统的噪音及振动。心室压力腔IV的6个腔体a、b、c、d、e、f分别对应心房压力腔III的A、B、C、D、E、F腔体，对应腔体的活塞动作相反；心室腔IV中的a-d、b-e、c-f腔右侧分别由压差导管29相连，当a、b、c腔的肌肉束收缩时活塞向右移动，右侧腔室气体经压差导管29流入对应的d、e、f腔，同时这些腔室的肌肉束舒张开始压水。肌肉束舒张力，弹簧存储的力和对应心室腔产生的气体压力三种力同时作用在喷射的水上，有效增加了其动能，大大提高了装置的推进效率。
[0030]具体工作原理:
[0031]水流通过自清洁过滤头II的过滤孔13及过滤网15过滤；再经IPMC组合肌肉动力部件I的进水隔板20上的进水孔21流入心房压力腔III的左侧；同时，心房腔里的IPMC组合肌肉22收缩带动活塞23向左移动，在活塞23两侧产生压力差，活塞23上的单向阀24打开，水流入心房压力腔III右侧，此动作时间为h ;IPMC组合肌肉22收缩完毕后开始舒张，同时心室压水腔IV的IPMC组合肌肉动力部件28开始收缩，在房室腔之间产生压力差，使单向阀27打开，水流由心房压水腔III流入心室压水腔IV，此动作时间为t2，即完成了心房压水压水腔III的压水过程；心房压水结束后IPMC组合肌肉22收缩带动活塞23再次向左移动，即开始蓄水，此动作时间为h ;在心房压水腔III里的六个腔体分为三组:A-D组、B-E组、C-F组，其中同一组内的工作模式相反，即当A、B、C腔压水时，则D、E、F腔蓄水，各组之间的动
作时间相差Δ? =1(6+ /2)。该设计保持了推进器的动力平衡，在增大喷水流量的同时还保证
了喷水的连续性且降低了单个腔喷水结束时对整个推进器的振动。
[0032]心室压水腔IV与心房压水腔III由6个单向阀27连接，当心房腔IPMC组合肌肉22收缩完毕后即开始舒张，同时与心室腔IV对应腔体的IPMC组合肌肉部件28开始收缩，此时单向阀27打开，水流由心房流入心室，此动作时间t2，收缩完毕后IPMC组合肌肉部件28开始舒张压水，单向阀27关闭，水流由与心室腔IV的到流通道32相连的单向阀30流入射流喷嘴部分V，此动作时间A，保证了供水与射水的平衡。
[0033]图8中，射流推进部分V主要由三通分流头36、汇流通道37、单道射流口 38、射流喷嘴39、分流通道40、单道射流通道41、可控阀门42、IPMC组合肌肉部件43等组成。射流喷嘴39的作用是将心室压力腔IV压出的水汇集，并由一个喷嘴喷出，从而推动装置前进。三通分流头36是将a、d两腔的压出的水流进行分流，从而为自清洁过滤头I1、射流调向部分VI提供工作水源。可控阀门42作用是进行分流控制，当需要自动清洗或调节方向时控制阀门关闭，不需供水时阀门打开，继续为喷射推进提供水流。由于过滤网清洗和方向调节具有间歇性，这样的设计可以充分利用水源，而不需要为其提供专门的喷水腔室，简化了装置的结构。
[0034]具体工作原理:
[0035]在心房压力腔III与心室压力腔IV进行2次加速的来流进行加速供水时水流在汇流通道37处进行汇流，射流通过单射流口 38按照两两互补、交替射流的原则实现持续连续射水自射流喷嘴39流出，为射流推进部分V提供动力推进。同时，a-d通道的射流除了供给射流推进，当自清洁过滤部分II及射流调向部分VI有信号传输，可控阀门42关闭，射流通过分流通道40的三通分流头36进行射流的分流供水。
[0036]结合图8与9，射流调向部分VI支撑座44、三通分流头45、分流通道46、可控阀门47、调向射流口 48等组成。分流管路46可以将来流均匀分散给调向供流通道，防止流体集聚，影响调向精度。八个方向均布的射流结构设计，可以实现在整个圆周上的方位定位，通过控制调节可控阀门47的射流量来实现方位的运动。射流调向部分VI的设计对推进器起到了较好的支撑及密封作用。八个均布的控制阀可以进行相邻两个或三个的合成控制，从而提供在0°?360°范围内的任意方向的力，同时只需提供控制力和方向信号，即可确定控制阀的的开关状态和流量。
[0037]具体工作原理:
[0038]正常工作时，流体可以通过三通分流头45的调向分流通道46进入到分流，实现流体的均匀分配，进而分配给分流管路38，当需要进行方向调节时，通过控制器发送控制信号，根据调向角度及速度需要控制可控阀门47的射流量，进而实现水下推进器的调向变化。
【权利要求】
1.一种基于IPMC组合肌肉的仿心脏水下推进器，其特征是:包括壳体、IPMC组合肌肉动力部件、心房压力腔、心室压力腔、射流推进部分、射流调向部分，IPMC组合肌肉动力部件包括肌肉元、活塞、蓄力弹簧、动力输出支撑架，肌肉元由四条IPMC肌肉条沿圆周方向均匀设置构成，肌肉元的两端安装第一供电连接板，肌肉条与第一供电连接板之间通过连接电极相连形成肌肉束，肌肉束之间安装第二供电连接板形成组合肌肉，组合肌肉安装在活塞和动力输出支撑架之间，组合肌肉沿圆周方向均匀布置，在组合肌肉的中间设置蓄力弹簧，蓄力弹簧的两端分别安装在活塞和动力输出支撑架上，壳体的首端安装过滤头，过滤头包括过滤外壳、过滤网，过滤网设置在过滤外壳和壳体之间，心房压力腔、心室压力腔均有六个且设置在壳体里，六个心房压力腔固定在壳体的首部且沿壳体的轴向均匀布置，六个心室压力腔固定在壳体的尾部且沿壳体的轴向均匀布置，第一-第六心房压力腔分别通过第一-第六单向阀连通第一-第六心室压力腔，每个心房压力腔、心室压力腔里均安装IPMC组合肌肉动力部件，心房压力腔的动力输出支撑架上开有进水孔，心房压力腔的活塞上分别安装第七-第十二单向阀，心室压力腔的动力输出支撑架上设置压差导管，心室压力腔的腔体上开设有倒流通道，第一与第四心室压力腔的压差导管、第二与第五心室压力腔的压差导管、第三与第六心室压力腔的压差导管分别连通，壳体的尾端安装射流推进部分和射流调向部分，射流推进部分包括推进壳体、第一三通分流头、射流喷嘴，第一三通分流头安装在推进壳体的首端，推进壳体上开设汇流通道，汇流通道分别与第二、第三、第五、第六心室压力腔倒流通道以及第一三通分流头的一个分流头相连通，汇流通道与倒流通道之间分别安装第十三-第十八单向阀，汇流通道通过可控阀门与位于推进壳体尾端的射流喷嘴相连通，射流调向部分包括支撑座、第二三通分流头、第二 -第九可控阀门，支撑座固定在壳体的尾端，支撑座里开设有分流通道和调向射流口，第二三通分流头固定在支撑座上并与分流通道相连通，支撑座里安装第二 -第九可控阀门，第二 -第九可控阀门分别对应一个调向射流口，第二-第九可控阀门均连通分流通道并分别连通各自对应的调向射流口，第一心室压力腔倒流通道连通分流通道。
2.根据权利要求1所述的一种基于IPMC组合肌肉的仿心脏水下推进器，其特征是:还包括回流管，壳体首端安装控制阀门，回流管一端连通第四心室压力腔倒流通道，回流管另一端连通控制阀门并通过控制阀门将回流管中的液体导向滤网，壳体上位于控制阀门对向的位置处设置排泄口，滤网上安装压差传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于IPMC组合肌肉的仿心脏水下推进器，其特征是:还包括回流管，壳体首端设置过滤通道，壳体首端安装第一-第三控制阀门，过滤通道连通第一-第三控制阀门，第一-第三控制阀门沿壳体轴向均匀设置，回流管一端连通第四心室压力腔倒流通道，回流管另一端连通过滤通道并通过第一-第三控制阀门将回流管中的液体导向滤网，壳体上位于第一-第三控制阀门下方的位置设置排泄口，滤网上安装压差传感器。
【文档编号】B63H11/02GK103935492SQ201410131605
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】赵刚, 孙壮志, 饶宇, 赵华兴, 李芳 , 乔东潘, 郭华君, 隋智阳, 李照远, 刘文博 申请人:哈尔滨工程大学