一种水下仿生推进器的制作方法

本发明涉及一种水下仿生推进器，属于水下推进器技术领域。

背景技术：

随着人们对海洋的探索不断的深入，普通的潜水勘探技术已经无法满足人类对海洋探索的需求，越来越多的水下工作被水下机器人取代，但是由于水下推进器发展比较滞后，水下机器人在水中不能灵活地实现各种动作。对于那些体积较大的水下机器人还可以使用螺旋桨推进器来实现前进，但是对于那些体积微小水下机器人，传统的水下推进器就不再适用，同时水底环境复杂多变，因此非常需要灵活、高效的水下推进器使得水下机器人能适应多变的水底环境，尤其是在石油开采、海底矿藏调查、管道检修、海上养殖、江河水库检修以及军事等领域，体积小巧的水下推进器具有广阔的应用前景。

目前国内外主要采用螺旋推进器作为各种水下机器人的动力装置，该方法主要依靠螺旋桨快速旋转，通过浆叶不断把大量的水向后推去，形成向前的推力。该方法存在以下一些缺点：第一，机构体积大、重量大，常见的水下推进器大多为一体式结构设计，其壳体为椭圆形，尾部安装螺旋桨，并且整体进行密封，同时需要外加连接部件才能与水下机器人连接，这样导致推进器整体结构复杂，体积以及重量较大，不利于该推进器运用于小型水下机器人领域；第二，对环境扰动大、噪音大，传统的螺旋桨推进器尾部安装螺旋桨，运用浆叶向后排水来达到前进的目的，这样在运转时具有非常大的噪声，对水底环境扰动较大；第三，响应速度低、灵活性差，传统的螺旋桨推进器利用浆叶旋转并向后排水来实现动力，由于水的巨大阻力，螺旋桨无法立即高速旋转使机器人获得爆发力，动力响应较慢。

因此急需要一款能安装在小型水下机器人上，并且实现其灵活移动的仿生推进器。

技术实现要素：

本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，解决上述技术问题，提出一种基于乌贼喷射推进原理、能够运用在小型机器人领域的水下仿生推进器。

本发明采用如下技术方案：一种水下仿生推进器，其特征在于，包括推进器支架、动力装置、活塞装置、喷射装置、控制装置，所述动力装置、所述活塞装置、所述喷射装置、所述控制装置均安装在所述推进器支架上，所述控制装置的输入端与所述活塞装置的输出端通讯连接，所述控制装置的输出端分别与所述动力装置的输入端、所述喷射装置的输入端通讯连接，所述动力装置的输出端与所述活塞装置的输入端配合联接，所述活塞装置滑动联接于所述喷射装置中。

作为一种较佳的实施例，动力装置包括交流伺服电机、传动齿轮组、偏心轮、连杆、连杆连接器，交流伺服电机的输出端通过联轴器与传动齿轮组的输入轴相联接，传动齿轮组的输出轴通过联轴器与偏心轮相联接，连杆的一端与偏心轮紧固连接，连杆的另一端通过连杆连接器与活塞装置紧固连接。

作为一种较佳的实施例，活塞装置包括活塞体、压强传感器、活塞密封装置，活塞密封装置固定设置于活塞体的外表面上，压强传感器安装在活塞体的内端，活塞体的外端与动力装置紧固连接。

作为一种较佳的实施例，活塞装置还包括弹簧卡圈、轴套、夹紧装置，活塞密封装置通过两个弹簧卡圈固定在活塞体上，轴套、夹紧装置分别套设在活塞体上，压强传感器通过夹紧装置固定在活塞体的内端，两个弹簧卡圈分别通过轴套、夹紧装置紧固在活塞体上。

作为一种较佳的实施例，活塞体为中空轴零件，压强传感器的连接线从活塞体中间穿过，避免外部布线的缺陷。

作为一种较佳的实施例，喷射装置包括密封舱、多路阀，多路阀固定设置于密封舱的一端，密封舱上位于多路阀的一侧分别设置有喷射口、进水口，喷射口沿密封舱的轴向分布，进水口沿密封舱的径向分布，喷射口、进水口分别通过多路阀与密封舱相连通，密封舱的内壁与活塞装置的外表面滑动连接。

作为一种较佳的实施例，喷射口的口径小于进水口的口径，以保证快速吸水。

作为一种较佳的实施例，多路阀根据密封舱中的压强变化，通过调节液体流向来控制喷射口与进水口，并与活塞装置在密封舱中的运动来调节水流的进出。

作为一种较佳的实施例，控制装置包括控制器，控制器的输出端与多路阀的输入端通讯连接，控制器通过采集密封舱中的压强数据控制多路阀开通进水口或喷射口。

作为一种较佳的实施例，活塞装置推入密封舱中在密封舱内形成正压，控制器控制多路阀打开喷射口，实现水流从喷射口喷射而出获得动力；活塞装置拔出时，密封舱内形成负压，控制器控制多路阀打开进水口，实现密封舱通过进水口快速吸水。

本发明所达到的有益效果：第一，本发明主要基于乌贼喷射原理设计而成，本发明的仿生推进器利用喷射液体获得反作用力，其活塞装置模仿乌贼的外膜肌肉，利用该活塞装置的推进与拉出达到喷射与吸水的目的；本发明的密封舱模仿乌贼的漏斗状腹腔，该密封舱整体设计成圆柱结构，消除活塞的运动阻碍；压强传感器以及控制装置模仿乌贼的神经控制单元，利用算法控制吸水与喷射的速度与时间；第二，本发明结构简单高效，体积小巧、响应速度快，本发明主要用作小型水下机器人的水下推进器，因为工作原理采用乌贼喷射原理，结构主要分为动力装置、活塞装置、喷射装置以及控制装置，整体机构简单高效，因此本发明可以加工的非常小巧，由于采用喷射式方式获得动力，而水流可以在极短的时间内达到非常高的速度，响应速度较快；第三，本发明利用曲柄滑块原理进行动力转化，该结构是将交流伺服电机的圆周运动转化成直线运动，从而实现活塞体能够在密封舱内来回运动，达到吸水与喷射的功能，该机构主要由偏心轮、连杆、连杆连接器以及活塞体组成，结构简单便于通过伺服电机对活塞体运动速度的控制，同时大大减轻推进器的重量；第四，本发明利用多路阀控制进水口以及喷射口，其中喷射口的口径比进水口的口径要小很多，这样可以根据电机转速控制实现快速吸水，然后根据所需要的推进力进行喷射，由于进水口的口径较大，使密封舱吸水的时间极短，能够使仿生推进器达到接近连续喷射的理想状态；第五，本发明把活塞体设计成空心轴，实现活塞体上的压强传感器进行活塞体的内部走线，这样安装方便，消除了外部走线对活塞运动以及密封舱的密封性能的影响。

附图说明

图1是本发明的优选实施例的传动连接示意图。

图2是本发明的喷射装置的结构示意图。

图3是图2的a-a向剖视图的结构示意图。

图4是本发明的整体结构示意图。

图5是图4的c-c向剖视图的结构示意图。

图中标记的含义：1-交流伺服电机，2-传动齿轮组，3-偏心轮，4-连杆，5-活塞体，6-轴套，7-弹簧卡圈，8-压强传感器，9-夹紧装置，10-喷射口，11-进水口，12-多路阀，13-密封舱，14-活塞密封装置，15-连杆连接器，16-推进器支架，17-控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

根据生物学相关知识可知，乌贼靠发达的外膜肌肉有节奏的膨胀与收缩，使其漏斗状的腹腔吸水，并且高速喷射出去，形成反作用力，实现身体的快速移动。本申请是在长期的研究过程中总结出乌贼快速移动的原理，并在此原理上设计出一款水下仿生推进器。其原理为：本发明的活塞装置模仿乌贼的外膜肌肉，密封舱13模仿乌贼的漏斗状腹腔，压强传感器8以及控制装置模仿乌贼的神经控制单元。本发明的一个工作周期的流程是：首先动力装置通过连杆4快速拉回活塞体5，此时密封舱13内形成负压，压强传感器8检测到负压并传递给控制器17，控制器17接收信号然后控制多路阀12打开进水口11，使水快速充满整个密封舱13，接着动力装置通过连杆4推进活塞体5，此时密封舱13内形成正压，压强传感器8检测到正压并传递给控制器17，控制器17接收信号然后控制多路阀12打开喷射口10，使水流高速喷出，形成推力，然后在控制算法的控制下，吸水与喷射周期性的循环，使机器人获得源源不断的动力。

如图1、图3和图5所示，本发明提供一种水下仿生推进器，该发明包括交流伺服电机1、传动齿轮组2、偏心轮3、连杆4、活塞体5、轴套6、弹簧卡圈7、压强传感器8、夹紧装置9、喷射口10、进水口11、多路阀12、密封舱13、活塞密封装置14、连杆连接器15、推进器支架16、控制器17。

如图1所示，本发明的动力装置主要由交流伺服电机1、传动齿轮组2、偏心轮3、连杆4以及连杆连接器15组成。动力装置可采用100w交流伺服电机1，通过联轴器与传动齿轮组2的输入轴相连接，传动齿轮组2为多级齿轮减速装置或采用行星减速器装置代替，从而获得匹配的转动惯量和扭矩。动力装置中的偏心轮3通过联轴器与传动齿轮组2输出轴相连接，连杆4通过连杆连接器15与偏心轮3和活塞体5相连接，该结构是将交流伺服电机1的圆周运动转化成直线运动，从而实现活塞体5能够在密封舱13内来回运动，达到吸水与喷射的功能，偏心轮3、连杆4、连杆连接器15等非标件，可采用7075铝镁合金加工而成，大大减轻本发明的装置的重量。

如图1所示，本发明的活塞装置主要由活塞体5、轴套6、弹簧卡圈7、压强传感器8、夹紧装置9以及活塞密封装置14组成。由于活塞装置会与海水等液体充分接触，而海水等液体会带有一定的腐蚀性，因此活塞体5、轴套6、弹簧卡圈7以及夹紧装置9采用耐腐蚀的铝合金或钛合金作为加工材料，压强传感器8需要在表面涂上一层耐腐蚀材料，活塞密封装置14由耐腐蚀橡胶制成。

更进一步地说，活塞装置的活塞体5为中空轴零件，压力传感器8的连接线从该中空轴零件的中间穿过，消除了外部布线对推进器整体性能的影响。活塞装置的活塞密封装置14通过两个弹簧卡圈7固定，右边的弹簧卡圈7通过轴套6实现位置的固定，压强传感器8安装在活塞体5的一端，并且通过加紧装置9固定。在实际工作中，活塞密封装置14通过其他组件固定，并且与密封舱13的内壁过盈配合，当整体的活塞装置在密封舱13内部来回运动时，密封舱13内的水会被快速吸入然后喷射出去。

如图2和图3所示，本发明的喷射装置主要由喷射口10、进水口11、多路阀12以及密封舱13组成。喷射口10采用耐腐蚀的铝合金或钛合金制成，其管道内壁采用螺旋状设计，使得喷射的液体形成涡流环，形成更大的反推进力。

更进一步地说，进水口11的管道口径比喷射口10的口径较大，这样能够实现快速吸水，使密封舱13吸水的时间尽可能的短。密封舱13采用圆柱状设计，内壁表面粗糙度要求比较高，加工材料选用耐腐蚀的铝合金或钛合金。多路阀12采用可以动态调节流体流量的双路阀，可以通过控制器17调节喷射速度，获得不同的反推进力。喷射装置的喷射口10与进水口11与多路阀12相连接，然后多路阀12与密封舱13的进出水口相连接。在实际工作中，多路阀12会根据压强传感器8的压强值变化，调节液体流向来控制喷射口10与进水口11，实现根据活塞装置的运动来调节水流的进出。

本发明的控制装置主要由压强传感器8、多路阀12、控制器17组成。压强传感器8用来感知密封舱13内的压强正负，控制器17通过采集压力传感器8的数据，然后控制多路阀12开通进水口11或喷射口10。在实际运行中，当活塞装置推入密封舱13，在密封舱13内形成正压，此时控制器17控制多路阀12打开喷射口10，实现水流喷射而出，获得动力；当活塞装置拔出时，密封舱13内形成负压，控制器17控制多路阀12打开进水口11，实现密封舱13快速吸水；本发明的控制器17采用已有的plc或者pc控制器即可实现，本领域技术人员可根据需要选用，本发明不再赘述。

如图4和图5所示，将动力装置、活塞装置、喷射装置以及控制装置安装在推进器支架16上，形成一个整体。

本发明的具体运行过程如下：第一步，控制器17控制交流伺服电机1转动，通过联轴器将动力传递给传动齿轮组2，传动齿轮组2通过输出轴带动偏心轮3转动；第二步，偏心轮3、连杆4通过连杆连接器15与活塞体5组成一个曲柄滑块机构，将交流伺服电机1的旋转运动转化成活塞体5在密封舱13内的滑动；第三步，当活塞体5从密封舱13内拉出时，密封舱13内会形成负压，然后压强传感器8会感知密封舱13的负压强，控制器17通过采集压强传感器8的负压强数据，然后控制器17会控制多路阀12打开进水口11，使水流在负压强的作用下快速充满密封舱13，由于进水口11的口径较大，因此液体充满密封舱13的速度极短，使得本发明的仿生推进器达到接近连续喷射的理想状态；第四步，当密封舱13内部充满液体时，活塞装置会在控制器17的作用下快速推进密封舱13内，使得密封舱13内部快速形成正压强，然后压强传感器8会感知密封舱13的正压强，控制器17通过采集压强传感器8的正压强数据，然后控制器17会控制多路阀12打开喷射口10，使密封舱13内的液体快速喷射出去，形成反推进力，控制器17可以通过交流伺服电机1转动速度来调节活塞装置的推进速度，因此控制液体喷射的速度，从而灵活地控制推进器产生的反推进力；第五步，在控制器17的控制下，整个推进系统从第一步到第四步快速的循环工作，使得推进器获得连续不断的动力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。