[发明专利]内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿水母水下推进装置，属于仿生水下推进系统领域。

背景技术

当前全球人口和工业处于高速发展态势，人类已经意识到陆地上可探明的有限的能源以及一些生产材料等都有可能会在未来一个时期内消耗完，如何解决这个生存矛盾已经成为国际上一个重大的挑战。在这个社会发展背景之下，人们在寻求陆地可替换资源的同时，还积极向占海洋进军，海洋活动及其相关的竞争也日趋激烈。

人类的海洋生产、科研等活动都基本要借助于船、潜艇、水下探测器等推进装置。这些推进装置往往采用的是传统的螺旋桨推进技术，这种技术发展历史比较悠久，技术也比较成熟，因此系统的设计、制造和加工维护的成本都比较低；但也具有一些本质上没法克服的弊端，如水动噪声大、存在潜在的空化和疲劳破坏、推进效率低，且在运动过程中在尾部形成的高能量涡流会影响海洋生物的生存甚至是起到负面的影响。从本质上来说，采用螺旋桨推进技术的水下航行器并不具备环境友好、运动高效的特点，受益于海洋生物的启发，人类逐步从仿生工程学的角度去研究海洋生物的运动，以期开发出新型绿色、高效、节能、环境友好的航行器。

海洋生物经过长期“适者生存”的进化过程，具备了在复杂自然环境中觅食、繁殖、抵抗天敌侵略等本领。除了在理化方面的一些特殊功能之外，如变色、释放毒液、发光灯，海洋生物适应环境的生存能力很大程度上得益于其善于利用周围环境进行流动控制，实现低噪音、高效率、高机动性的推进性能。按照生物力学的角度，海洋游动生物的推进模式主要有躯体尾鳍模式、胸鳍模式、射流模式这三种，其中前两种常见于多数鱼类，而射流模式则主要见于乌贼、水母等生物的运动中。研究表明，采用射流模式推进的水母，其输运能耗比其他的生物都要低，即水母喷水推进的运动模式比其它海洋生物的游动都较为高效节能。此外水母还具有分布范围广、目标隐蔽性强、自然天敌少等优点，因此也成了最近几年仿生推进领域的一个重要研究热点。基于不同的推进原理和驱动形式，研究人员相继开发出来多种机器水母。

经文献检索，公开日为2007年8月22日、公开号为CN101020498的发明名称为“机器仿生水母”的专利申请，它首次提出了一种采用电磁铁作为驱动本体，通过带动复位弹簧拉动挡板来实现收缩和舒张的效果，所述的装置采用两个腔体，通过反相控制两个腔体的运动，来交替完成吸水和喷水的过程，进而提高推进效率，但其结构较为复杂，且与真实水母的动作原理有较大区别。

授权公开日为2014年8月13日、授权公开号为CN102795069B的发明名称为“复合驱动的仿水母两栖机器人”的发明专利，它首次提出了一种采用形状记忆合金SMA和离子交换聚合金属材料IPMC复合驱动的仿生水母。水母壳体的伸缩由SMA带动两个圆盘进行往复运动进行实现，而水母的触手则由IPMC进行驱动。这种复合驱动的方案使得该机器水母具有直线巡游和偏航的多种运动模式。但由于内部采壳体的驱动是由刚性连杆进行传递带动，因此其运动与自然界中真实水母躯体的柔性变形还有一定差距。此外，由于SMA通电后的变形量有限且形态回复过程具有一定的时间迟滞，也使得该机器水母的推进效率和运动控制精度受到了限制。

发明内容

本发明是为解决现有仿生机器水母存在机械结构复杂、系统集成度低、推进效率低、运动控制精度有限，以及推进器本体的推进行为与自然界中真实水母的动作行为有较大区别的问题，进而提供一种内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置包括动力及控制模块，它还包括腹腔端盖、仿生柔性躯体、腹腔基座和N个柔性压电纤维复合材料驱动关节，腹腔基座的外边缘加工有N个触手，其中N为正整数，且N≥8；

所述仿生柔性躯体的外轮廓呈半球形，仿生柔性躯体的侧壁面内沿其周向均布嵌装有N个柔性压电纤维复合材料驱动关节，腹腔基座嵌入仿生柔性躯体的底部，腹腔端盖的开口端盖合在腹腔基座的开口端上且二者可拆卸密封连接，腹腔端盖的封闭端呈弧形，腹腔基座的每个触手上固装有一个柔性压电纤维复合材料驱动关节，动力及控制模块安装在腹腔端盖与腹腔基座构成的封闭空腔中，动力及控制模块与N个柔性压电纤维复合材料驱动关节电连接。