一种基于管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人的制作方法

本发明涉及一种基于管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人，可实现深水快速游动，属于水下探测领域，主要应用于海洋生物考察、海底勘探、水下机器人、微型仿生机器人等高尖端科学技术领域。

背景技术：

水下机器人的研发随着人类探索水下世界、开发水下资源逐渐加快的步伐得到了较快的发展，其中对具有推力大、瞬时加速性能好的脉冲喷射式推进器的研究正受到越来越多的关注。现多数水下脉冲喷射式机器人利用形状记忆合金丝驱动，优点是结构简单、体积小，但推进力小、响应速度慢，只能用于低速推进。

折纸结构是近几十年发展起来的新型空间结构形式，近年来基于刚性折纸的可折叠结构在工程和设计中的应用越来越广泛。折纸结构的空间可展性使得结构在需要使用时，可以展开至工作状态，工作完毕后可以收回到折叠状态。折纸结构可以方便地在现场展开成形，因而适用范围很广，应用于生活、军事、医学、土木工程、航天工程等领域。

管状折纸结构是一种由具有折痕的薄片组装成管状结构，通过折展进行重构，形成具有不同构型和力学性能的空间机构。管状折纸结构可通过折纸结构的可重构特性获取多种不同的截面形状，其具有不同的力学性能，沿不同的方向进行拉伸和弯曲变形。管状折纸结构是采用折纸艺术思想，同一薄片材料制成的、可在制造平面之外运动的一种新的柔性机构类型，可以实现如伸缩、弯曲和翻转等运动，具有仿生软体动物变形的功能。管状折纸结构具有的结构特点，不但使其加工过程简单、经济，加工材料种类多、成本低，且在设备空间受限时，能够满足设计需求。管状折纸结构在进行圆管轴向的折叠和展开运动的过程中管内体积不断改变，类似于动物体内的薄膜结构，这种特性很符合水下推进器的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人，所设计的水下机器人具有结构简单、瞬时加速快、转向灵活、响应速度快等优点。

本发明采用的技术方案如下：

本发明设计的水下机器人组成如图1所示，由脉冲喷射单元1和转向单元2组成，脉冲喷射单元1采用脉冲式喷射方式实现机器人的推进运动，图1(a)表示脉冲喷射单元1处于储水状态，图1(b)表示脉冲喷射单元1处于喷水状态，脉冲喷射单元重复储水-喷水-储水-喷水过程，则可实现脉冲式喷射推进；转向单元2利用鱼鳍摆动原理实现机器人的转向，图1(c)、(d)分别表示转向单元2作摆动运动使得水下机器人实现转向。

所述脉冲喷射单元1的功能由脉冲喷射机构实现，脉冲喷射机构如图2所示，脉冲喷射机构由单向阀3、喷射结构4、齿轮齿条机构5、第一支撑结构10组成。喷射结构4包括密封板8、管状折纸结构9。管状折纸结构9由若干个直线排列折纸单元14组成，折纸单元14由平面折纸13的8个板块①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧沿折痕he、ae、ei、fb、fj、fg、gc、gh、gk、hd、hm折叠而成，其中实线表示的ad、bc、dh、ae、ef、fb、cg、gh、hm、mi、ie、fj、jk、gk在折叠过程中向外凸出，虚线表示的he、ab、ij、fg、cd、km在折叠过程中向里凹陷，折纸单元14的板块①和⑤、②和⑥、③和⑦、④和⑧之间形成的4个夹角α均相等。当夹角α增大时，折纸单元14会通过折痕的折展产生伸张，折纸单元14的伸张使得管状折纸结构9产生伸张，则管状折纸结构9的腔内体积增大；当夹角α减小时，折纸单元14会通过折痕的折展产生压缩，折纸单元14的压缩使得管状折纸结构9产生压缩，则管状折纸结构9的腔内体积减小。也就是说，当夹角α不同时，管状折纸结构的折展程度不同，α决定了管状折纸结构的折展程度和腔内体积大小，夹角α越大，腔内体积越大。这就说明折纸单元14在折展过程中会产生内部体积变化，所以管状折纸结构9能通过折纸单元14的折展变化来实现储水和喷水功能。当管状折纸结构9一端固定，另一端受力拉伸时，夹角α增大，内部体积增大，水流从开口进入，可实现储水；当管状折纸结构9一端固定，另一端受力压缩时，夹角α减小，内部体积减小，水流从开口喷出，可实现喷水，所以，脉冲喷射机构可通过管状折纸结构的轴向伸缩来实现储水和喷水功能。采用密封板8布置于管状折纸结构9前后两端，形成管状折纸结构9的腔内密闭。

采用齿轮齿条机构5实现管状折纸结构9的轴向伸缩，如图2所示，齿轮6与第一支撑结构10的电机输出轴固定联接，当电机转动时，齿轮6带动齿条7作往复直线运动。齿条左端与管状折纸结构左端相连，齿条7的往复运动使得管状折纸结构9伸缩，也就是说，管状折纸结构9是通过齿条7实现驱动进行轴向伸缩。当齿轮6逆时针转动时，齿条7沿x反方向运动，管状折纸结构9轴向收缩，水流从腔内向外喷出，安装于左端密封板8的单向阀3受腔内水流挤压作用，阀口封闭，水从第一支撑结构10的喷水口13喷出，实现喷水；当齿轮6顺时针转动时，齿条沿x正方向运动，管状折纸结构9轴向伸张，水流从腔外进入腔内，单向阀3受腔外水流挤压作用，阀口开放，水从单向阀3进入管状折纸结构9腔内，实现储水。第一支撑结构10与管状折纸结构右端相连，第一支撑结构10包括电机布置孔11、喷水口13、夹紧块12，夹紧块12用于支撑齿条右端并使得其与齿轮能紧密啮合。

所述转向单元2的功能由两个结构相同的转向推进机构实现，第一转向推进机构16实现向右转向，第二转向推进机构17实现向左转向。转向推进机构如图3所示，由摆动导杆机构22和第二支撑结构18组成，摆动导杆机构22包括鱼鳍结构26、曲柄24和滑块25。转向推进机构是采用流线型半圆鱼鳍结构26作往复摆动实现转向功能，其工作原理为：曲柄24一端与第二支撑结构18的电机输出轴固定联接，另一端与滑块25连接，滑块25方形口与鱼鳍结构26贯穿连接，当电机转动时，曲柄24绕电机输出轴作回转运动，滑块25沿鱼鳍结构26长杆作往复直线运动，带动鱼鳍结构26在水下作往复摆动，也就是说，鱼鳍结构26是通过摆动导杆机构22实现往复摆动，产生转向推进所需动力。第二支撑结构18包括单向阀连接口19、齿条连接口20、进水口21和电机布置口23，当管状折纸结构9与第二支撑结构18连接并进行储水时，水流由进水口21流向单向阀连接口19，通过单向阀3进入管状折纸结构9腔内。

所述水下机器人结构设计示意图如图4所示，由脉冲喷射机构27、转向推进机构29组成。水下机器人的结构特点是管状折纸结构9进行往复直线伸缩运动，喷水口13喷射水流推动水下机器人作脉冲式直线运动；转向推进机构的鱼鳍结构作往复摆动使水下机器人作转向运动。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明设计的水下机器人，利用管状折纸结构在折展变化过程中的管内体积变化实现储水和喷水功能，具有储水量大、脉冲喷射速度快、瞬时加速大、游动速度快等特点；

(2)本发明设计的水下机器人，采用摆动导杆机构实现鱼鳍结构的往复摆动实现转向，具有结构简单、转向灵活的特点；

(3)本发明的水下机器人，采用齿轮齿条的传动方式驱动管状折纸结构，使得管状折纸结构的轴向运动具有运动平稳、驱动力大、响应速度快的优点。

附图说明

图1是水下机器人运动原理图；

图2是水下机器人脉冲喷射机构；

图3是水下机器人转向推进机构；

图4是水下机器人结构设计示意图。

图1中，1、脉冲喷射单元，2、转向单元；

图2中，3、单向阀，4、喷射结构，5、齿轮齿条机构，6、齿轮，7、齿条，8、密封板，9、管状折纸结构，10、第一支撑结构，11、电机布置孔，12、夹紧块，13、喷水口，14、平面折纸，15、折纸单元；

图3中，16、第一转向推进机构，17、第二转向推进机构，18、第二支撑结构，19、单向阀连接口，20、齿条连接口，21、进水口，22、摆动导杆机构，23、电机布置口，24、曲柄，25、滑块，26、鱼鳍结构；

图4中，27、脉冲喷射机构，28、转向推进机构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图4所示，本发明所述的一种管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人，包括：脉冲喷射单元1、转向单元2、单向阀3、喷射结构4、齿轮齿条机构5、齿轮6、齿条7、密封板8、管状折纸结构9、第一支撑结构10、电机布置孔11、夹紧块12、喷水口13、平面折纸14、折纸单元15、第一转向推进机构16、第二转向推进机构17、第二支撑结构18、单向阀连接口19、齿条连接口20、进水口21、摆动导杆机构22、电机布置口23、曲柄24、滑块25、鱼鳍结构26、脉冲喷射机构27、转向推进机构28。

根据如图2所示的一种基于管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人脉冲喷射机构，密封板8位于管状折纸9前后两端，由聚乳酸(pla)材料构成。管状折纸9的制作工序为：①按已设计规划的折痕版图折叠管状折纸，将平整纸张产生预设折痕；②将未成形硅胶材料均匀包裹管状折纸，并风干成形；③将涂有硅胶材料的管状折纸与密封板8胶接连接，并保证连接密封良好。密封板8的矩形镂空底截面面积远大于齿条的截面面积，避免了密封板8运动时与齿条7之间产生摩擦，同时也保证了管状折纸结构内水流流动通畅。第一支撑结构10前端胶接连接密封板8，齿条7贯穿折纸驱动机构中心轴。为保证当管状折纸结构进行压缩时喷水口13能顺畅往后喷射水流，喷水口13的矩形镂空底截面面积略大于齿条的截面面积，之间缝隙为脉冲喷射口。

根据如图3所示的一种基于管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人转向单元机构，一对摆动导杆机构22与鱼鳍结构26分别对称布置于第二支撑结构18两端，其中鱼鳍结构26连杆末端圆孔与第二支撑结构18的圆柱杆间隙配合。滑块25方形通孔与鱼鳍结构26连杆结构间隙配合，且另一圆柱端与曲柄24圆孔间隙配合，曲柄24另一圆孔与电机输出轴胶接。4个单向阀连接口19负责安装单向阀，当管状折纸结构9进行伸张运动储水时，此过程水流由进水口21进入。鱼鳍结构26半圆形端面面积较大，驱动电机的动力通过摆动导杆机构22传递至鱼鳍结构26，鱼鳍结构26进行摆动运动，为水下机器人整体在水下运动时提供推进转向动力。整个鱼鳍结构26半圆形设计呈流线型，为水下机器人运动时减少阻力。转向推进机构设计紧凑，整体平稳性好。

如图4所示的一种基于管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人结构设计示意图，设计的关键在于管状折纸结构9实现伸张吸水和压缩喷水的轴向往复运动，转向推进机构带动脉冲喷射机构作转向运动，曲柄24与滑块25之间、齿轮6与齿条7之间传动稳定性好。当电机正转驱动时，齿轮6带动紧密啮合的齿条7向前推进；当电机反转驱动时，齿轮6带动紧密啮合的齿条7向后推进。位于转向推进机构与折纸驱动机构间的管状折纸结构9受外力进行无摩擦的伸缩运动。为便于转向推进机构，折纸驱动机构和管状折纸结构间的装配，设计齿条7与齿条连接口20胶接连接，且第一支撑结构10与第二支撑结构18同轴度要好。

所设计的水下机器人刚性结构采用3d打印技术进行加工，具有结构简单紧凑、成本较低、易于制造、安装等特点。水下机器人刚性结构和柔性防水折纸结构的材料决定了水下机器人的性能。综合考虑满足水下机器人的性能要求和成本问题，选择聚乳酸(pla)作为水下机器人刚性结构的制作材料，选择带折痕管状折纸外覆硅胶材料作为水下机器人管状折纸结构的制作材料，选择柔且避水的硅胶材料作为水下机器人管状折纸内外的包裹材料，折纸需要柔性较好的材料以保证管状折纸结构具有较高的灵敏度，同时材料也要有较大的强度防止其在装配工作过程中失效，必须要保证材料的强度极限符合要求。通过以上实施方式可较好地实现运动速度可测可控的水下机器人。

通过以上实施方式可较好地实现稳定性能好、运动分辨率高、转向效率高和的运动速度快的新型水下机器人。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。