一种仿鱿鱼柔性喷流推进装置

1.本发明属于仿生水下机器人领域，具体涉及一种仿鱿鱼柔性喷流推进装置。


背景技术：

2.海洋和陆地一样拥有丰富的自然资源，且大多数的能源位于深海，因此需要人们设计能够在水下运行的航行器。同时为了提高海洋环境的亲和性并保护海洋生态环境，对水下航行器的外形有了更高的要求，希望航行器具有仿生物的外形。传统的水下航行器一般采用螺旋桨驱动，噪声大，机动性差。通过仿照鱼类的游动特点和外形进行航行器设计，有助于提高航行器的水动力性能，同时也极大推进了水下航行器的发展领域。
3.针对当前鱿鱼这种喷流推进形式设计的仿生机器鱼，其机械结构复杂，运动时大都是轴向伸缩推进，对尾流的影响较大，运动稳定性较低。同时，对仿鱿鱼水下航行器的转向系统考虑不周，转弯机动性差。


技术实现要素：

4.要解决的技术问题：
5.为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种仿鱿鱼柔性喷流推进装置，仿照鱿鱼的高机动性设计了一套矢量喷口装置，以便实现快速转弯等运动模式；游动的速度可通过连杆机构改变喷流频率和喷流量对速度进行调节。仿鱿鱼航行器结构简单稳定、体积小，是一种模仿鱿鱼游动形式的高效率喷流推进器。在复杂环境下游动时，外界产生的扰动对其影响较小。
6.本发明的技术方案是：一种仿鱿鱼柔性喷流推进装置，包括沿轴向依次设置的头部电控段、柔性腔体段和矢量喷口段，以及包裹于柔性腔体段和矢量喷口段外围的柔性蒙皮；
7.所述头部电控段内设置有电子控制元件，用于控制整个喷流推进装置；
8.所述柔性腔体段由驱动部件控制，将轴向往复运动转化为径向往复运动，使得包裹于柔性腔体段的柔性蒙皮完成膨胀收缩动作；
9.通过控制所述矢量喷口段的出口方向实现对喷流推进装置游动角度的调整。
10.本发明的进一步技术方案是：所述柔性腔体段包括支撑组件、连杆滑块机构和保形块；所述支撑组件的上、下端分别与头部电控段、矢量喷口段连接，作为喷流推进装置的主体支撑结构；
11.所述连杆滑块机构包括移动块、导向杆组件、第一连杆、导向固定装置、第二连杆，所述导向固定装置同轴安装于支撑组件的中部，其外周面沿周向开有多个导向孔；所述导向杆组件同轴固定于导向固定装置和头部电控段之间，为安装于其上的移动块的轴向运动提供导向作用，两者为间隙配合，能够相对滑动；多个第一连杆和第二连杆均沿周向设置，第一连杆的一端均与移动块的外缘铰接，另一端分别与第二连杆的一端铰接，第二连杆的另一端分别插装于导向固定装置沿周向设置的径向导向孔内，构成径向伸缩结构；
12.多个所述保形块沿周向设置，分别安装于第二连杆一端的端头处，在膨胀过程中用于支撑柔性蒙皮。
13.本发明的进一步技术方案是：所述支撑组件包括沿周向设置的八根定型杆，两根为一组，四组沿周向均布。
14.本发明的进一步技术方案是：所述第一连杆和第二连杆的数量均为四个，分别沿导向固定装置的周向均布；四组连杆与四组定型杆沿周向交错布置。
15.本发明的进一步技术方案是：所述第二连杆的另一端通过通过直线轴承与导向固定装置的导向孔滑动连接，用于减小伸缩运动的摩擦力。
16.本发明的进一步技术方案是：所述移动块是与头部电控段同轴的圆盘结构，其上端与直线电机连接，通过直线电机驱动沿导向杆组件做轴向往复运动；其外周面沿轴向设置有四个凸耳，分别与四个第一连杆铰接。
17.本发明的进一步技术方案是：所述导向固定装置为设置有减重结构的圆板，其端面外缘处沿周向开有八根定型杆的安装孔，端面靠近中部位置沿周向开有四根导向杆的安装孔。
18.本发明的进一步技术方案是：所述保形块包括圆弧板和自锁支撑机构；所述圆弧板内侧中部通过两块平行设置的固定板与第二连杆连接，其上、下端中部分别向两侧延伸安装有自锁支撑机构；所述自锁支撑机构包括多个首尾铰接的保形单元块，所述保形单元块的内侧一端伸出限位板，用以限制旋转角度；
19.在膨胀到最大变形处时，靠近圆弧板处的一级保形单元块最先达到最大旋转角度，其他各级单元仍处于放松状态；当连杆运动至最大位移处时，蒙皮的曲率达到最大，各级保形单元块都达到最大旋转角度，保形机构实现自锁；同时，保形机构能够使蒙皮在膨胀变形过程中更加连续光顺。
20.本发明的进一步技术方案是：所述矢量喷口段包括舵机、拉线、尾端圆盘、万向节、尾部喷口；所述尾端圆盘同轴安装于支撑组件的底部，所述尾部喷口通过万向节同轴安装于尾端圆盘的正下方；
21.两个所述舵机安装于导向固定装置的下端面中心处，呈十字形交叉布置，分别用于控制俯仰和转动；所述舵机的输出轴安装有舵机圆盘，两根拉线的一端分别与舵机圆盘的两端连接，另一端穿过尾端圆盘与尾部喷口的两端连接，通过舵机驱动舵机圆盘转动，进而由拉线牵动尾部喷口调节转角。
22.本发明的进一步技术方案是：所述头部电控段包括头部舱段及设置于其内的直线电机、电控板和电池，所述头部舱段为流线型密封壳体，直线电机与柔性腔体段的移动块连接，由电控板控制直线电机的动作，由直线电机驱动连杆滑块机构动作；通过控制直线电机的伸缩频率和伸缩长度调节收缩膨胀的频率和排水量；
23.所述电池作为整个喷流推进装置的能量来源。
24.工作原理：所述仿鱿鱼柔性喷流推进装置接收到前进指令后，由电控板控制电机驱动移动块做直线往复运动，所述移动块通过第一连杆带动第二连杆沿径向伸缩，同时由第二连杆外端安装的保形块带动柔性蒙皮产生膨胀收缩运动；保形块使外侧蒙皮的膨胀更符合真实生物的膨胀形状及排水量，因此保形块的外形曲率设计要符合蒙皮膨胀时的曲率变化。基于柔性蒙皮的膨胀收缩实现喷流推进装置的喷水动作，该膨胀收缩的排水量能够
实现航行器的运动，运动速度由底部的喷口直径决定，直径越小产生的推力越大，喷流游动速度越大。
25.所述仿鱿鱼柔性喷流推进装置接收到转向指令后，由电控板控制舵机驱动舵机圆盘转动，进而由拉线牵动尾部喷口调节转角，即改变喷流角度；尾部矢量喷口段外侧由柔性蒙皮包裹，万向节改变方向使蒙皮张紧或收缩由此调整角度，尾端的喷口可通过所需的速度调整直径大小。
26.有益效果
27.本发明的有益效果在于：本发明对仿鱿鱼水下航行器的机械结构进行了简化设计，提高了空间利用率，能够大大缩减航行器的体积。同时也提高了游动的机动性和机械效率，也能实现连续的喷射运动，喷射的频率和喷射量也可以通过控制机构进行调整。具体效果如下：
28.1.相比于尾鳍或胸鳍扑动的鱼类游动方式，鱿鱼所使用的喷流游动模式在短时间内从喷口喷出大量液体，产生较大的反作用力，推动鱿鱼产生脉冲状游动形式，该脉冲状游动产生的最大速度可达0.25m/s同时鱿鱼尾部的喷口转动灵活，可以摆动到任意角度提高运动的机动性能。因此在游动过程中速度快、机动性能高。
29.2.针对现有仿生机器鱼结构复杂的情况，我们对仿鱿鱼水下航行器的运动结构进行了简化，连杆机构的设计提高了鱿鱼在收缩膨胀时的连续性和稳定性，这种设计只有径向变形，提高了运动的稳定性。这种连杆机构的游动模式与传统泵喷水下航行器相比，由于没有高速旋转的涡轮叶片，因此没有冲击水流产生的流噪声，仿鱿鱼水下航行器游动的噪声为55db，相比于泵喷航行器的噪声减小38％，因此在过程中对水下环境的影响较小，可以更好的接近所需观察的鱼类，了解其游动特点和生活习性，也保护了水下的生态环境。
30.3.为了提高游动速度并优化收缩膨胀运动外形，对保形块的设计提高了鱿鱼在膨胀收缩运动中产生的排水量，同时保形块轴向的铰链设计能够保证膨胀的连续性，其自锁机构能够保证外形近似真实生物的膨胀弧度。通过理论分析，该仿鱿鱼航行器的相比于其他鱿鱼航行器膨胀收缩过程的排水量和瞬时推力相比于未优化的仿鱿鱼水下航行器增加了23％。
31.4.该航行器设计的矢量喷口提高了运动的机动性能，能够快速自如的进行转弯、上浮和下潜运动。在运动过程中，只有中间的伸缩连杆和尾部矢量喷口的十字形横梁会阻挡水流运动，这些装置对流场产生的扰动较小，因此腔内装置后侧产生的尾涡回流较少，能量损失较小。因此在水下进行喷流运动时，喷流状态更符合真实生物的喷射状态，故能够准确的获取鱿鱼喷流的流场信息。同时，由于尾部矢量喷口结构简单，零件拆卸更换方便、成本低，因此可以通过更换喷口装置来喷口直径调整游动速度。
附图说明
32.图1是本发明所述仿鱿鱼航行器的整体结构示意图。
33.图2是本发明所述保形块的结构示意图。
34.图3是本发明所述柔性腔体舱段连杆滑块机构的结构示意图。
35.图4是本发明所述舵机圆盘的结构示意图。
36.图5是本发明所述尾部矢量喷口的示意图。
37.图6是本发明所述尾部矢量喷口剖视图。
38.图7是本发明所述尾部矢量喷口端矢量转动整体示意图。
39.附图标记说明：101头部壳体；102头部板；103直线电机；104定型杆；105舵机；106保形块；107舵机圆盘；108拉线；301移动块；302导向杆；303第一连杆；304导向固定装置；305第二连杆；501尾端圆盘；502万向节；503尾部喷口。
具体实施方式
40.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.参照图1所示，本实施例一种仿鱿鱼柔性喷流推进装置，包括沿轴向依次设置的头部电控段、柔性腔体段和矢量喷口段，以及包裹于柔性腔体段和矢量喷口段外围的柔性蒙皮；所述头部电控段内设置有电子控制元件，用于控制整个喷流推进装置；所述柔性腔体段由驱动部件控制，将轴向运动转化为径向运动，使得包裹于柔性腔体段的柔性蒙皮完成膨胀收缩动作；通过控制所述矢量喷口段的出口方向实现对喷流推进装置游动角度的调整。
43.其中，仿鱿鱼水下航行器的头部采用流线型设计，目的是减小游动过程中水流冲击产生的阻力。头部舱段内为密封舱体，放置有直线电机、电控板和电池等电子控制元件。直线电机的上下移动带动柔性舱段的移动块，收缩膨胀的频率和排水量由直线电机的伸缩频率和伸缩长度决定。
44.中间的柔性腔体段由连杆滑块机构和外侧包裹的弹性蒙皮构成。连杆滑块机构是产生膨胀收缩的重要机构。头部舱段的直线电机带动该腔体内的移动块在四根导向杆中上下移动，移动块和第一连杆铰接，第一连杆与第二连杆铰接，第二连杆插入中间的导向固定装置沿周向设置的对应导向孔，导向固定装置与导向杆固定连接，导向孔内部装有直线轴承辅助运动。该机构将直线电机带动移动块的竖直运动，通过连杆机构转变为第二连杆水平方向的往复运动，第二连杆的伸缩运动能够使外侧的柔性蒙皮产生膨胀收缩运动，保形块使外侧蒙皮的膨胀更符合真实生物的膨胀形状及排水量，因此保形块的外形曲率设计要符合蒙皮膨胀时的曲率变化，保形块固定在第一、第二连杆的连接处，且保形块保持水平连接。因此该膨胀收缩的排水量能够实现航行器的运动，运动速度由底部的喷口直径决定，直径越小产生的推力越大，喷流游动速度越大。
45.所述矢量喷口段包括舵机、拉线、尾端圆盘、万向节、尾部喷口；导向固定装置下侧中心位置固定了两个舵机，两个舵机轴呈十字形交叉放置，舵机输出轴固定舵机圆盘，在舵机圆盘左右两端的打孔处连接两根绷紧的拉线，拉线的另一端穿过尾部十字形横梁的孔洞，通过舵机的旋转角度来控制尾部矢量喷口的方向。尾部矢量喷口段外侧由柔性蒙皮包裹，万向节改变方向使蒙皮张紧或收缩由此调整角度，尾端的喷口可通过所需的速度调整直径大小。
46.实施例：
47.参照图1所示，本发明由头部电控段、柔性腔体段和矢量喷口段三个部分组成。周围的八根定型杆104用来固定支承整个鱿鱼结构，头部壳体101内装有控制电子元件，直线电机103与柔性腔体内的移动块301连接，控制整个运动装置。
48.参照图3所示，中间的柔性腔体段主要由连杆滑块机构组成。头部舱段的直线电机103带动四根导向杆302上的移动块301进行升降运动，导向杆302确保运动为竖直方向的直线运动，移动块301、第一连杆303与第二连杆305依次连接，第二连杆305在导向固定装置304的导向孔内进行伸缩运动，导向固定装置304与导向杆302固定连接，同时导向固定装置304周向设计了八个孔与定型杆104配合固定，防止连杆机构发生轴向运动导向孔内放置有直线轴承减小伸缩运动的摩擦力。
49.参照图2所示保形块106的结构设计图，竖直方向使用多关节结构，每个保形块单元使用铰接连接，并在保形块单元的一端延伸出限位板来限制旋转角度。在膨胀到最大变形处时，靠近中心处的一级保形块单元最先达到最大旋转角度，其他各级单元仍处于放松状态。当连杆运动至最大位移处时，蒙皮的曲率达到最大，各级保形块单元都达到最大旋转角度，保形机构实现“自锁”。同时，保形机构能够使蒙皮在膨胀变形过程中更加连续光顺。
50.参照图4-7所示，八根定型杆104与尾端圆盘501连接，导向固定装置304下端中心位置放置的两个舵机105呈十字形交叉摆放，这两个舵机分别控制俯仰和转动，舵机输出轴有舵机圆盘107，其左右两端的打孔处分别系有绷紧的拉线108，拉线的另一端系在尾部喷口503十字形横梁的孔洞上。舵机旋转带动系在舵机圆盘左右两侧孔内绷紧的拉线，另外一侧绷紧的拉线将拉动尾部矢量喷口，使其实现转向来控制尾部矢量喷口的转角。尾部矢量喷口外侧由弹性蒙皮包裹，万向节502用来连接尾部喷口和腔体并使尾部喷口可以灵活转动，尾部喷口503的直径大小可以根据所需进行调整。
51.工作原理：所述仿鱿鱼柔性喷流推进装置接收到前进指令后，由电控板控制电机驱动移动块做直线往复运动，所述移动块通过第一连杆带动第二连杆沿径向伸缩，同时由第二连杆外端安装的保形块带动柔性蒙皮产生膨胀收缩运动；保形块使外侧蒙皮的膨胀更符合真实生物的膨胀形状及排水量，因此保形块的外形曲率设计要符合蒙皮膨胀时的曲率变化。基于柔性蒙皮的膨胀收缩实现喷流推进装置的喷水动作，该膨胀收缩的排水量能够实现航行器的运动，运动速度由底部的喷口直径决定，直径越小产生的推力越大，喷流游动速度越大。
52.所述仿鱿鱼柔性喷流推进装置接收到转向指令后，由电控板控制舵机驱动舵机圆盘转动，进而由拉线牵动尾部喷口调节转角，即改变喷流角度；尾部矢量喷口段外侧由柔性蒙皮包裹，万向节改变方向使蒙皮张紧或收缩由此调整角度，尾端的喷口可通过所需的速度调整直径大小。
53.本发明在运动时结构简单，运动效率高，机动性能好，前端的流线型设计能够减小阻力，同时在运动工作是能有较高的机动性。喷射的速度可通过电机伸缩频率进行灵活调整。
54.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。