一種準柔性仿烏賊脈沖噴射推進器制造技術

一種準柔性仿烏賊脈沖噴射推進器，它涉及仿烏賊脈沖噴射推進器。本發明專利技術解決了現有的脈沖噴射器存在的推力小、推進速度低、噪音大和仿生效果不好的問題。本發明專利技術的所述硅膠漏斗（２）的大直徑端與仿烏賊外套膜（３）的敞口端內壁連接，所述艙體（４）設置在仿烏賊外套膜（３）內，所述多根筋條（７）沿仿烏賊外套膜（３）的圓周方向均勻嵌在仿烏賊外套膜（３）內，每根筋條（７）均沿仿烏賊外套膜（３）的母線方向設置，相鄰的兩根筋條（７）之間通過一根形狀記憶合金絲（５）連接或多根筋條（７）的前后兩端通過兩根形狀記憶合金絲（５）連接。本發明專利技術推進時外壁受到的阻力小，實現了較大的潛深，結構簡單，實現了無聲推進，推進速度快。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種仿烏賊脈沖噴射推進器。
技術介紹
現在多數小型水下機器人利用電動機驅動的螺旋槳實現推進。螺旋槳推進 有螺旋槳體積較小、安裝方便等優點，但是也存在著噪音大，空泡，容易傷害 水下生物、破壞水下環境，易被海草等纏住等缺點。因此，在需要安靜、隱蔽 性和環保的使用場合，如科學觀察、軍事偵査、深海探測等場合，螺旋槳推進 是不合適的。研究人員對海洋生物的推進方式進行了研究，以尋找可行的替代推進方 式。水中生物推進方式可分為三種波動推進(如魚)、脈沖噴射推進(如烏 賊)和鞭毛/纖毛推進(如草履蟲)。前兩種推進方式具有適應性強，推進速 度快等優點，因此是仿生推進模擬的重點。仿生波動推進的代表是機器魚，如美國麻省理工大學研制的電機驅動的RoboTuna (參見文獻Triantafyllou M S， Triantafyllou G S. An Efficient Swimming Machine. Scientific American, 1995 ， 272 (3) : 64-70)和RoboPike，哈爾濱工業大學開發的形狀記憶合金(Shape memory alloy,簡稱SMA)絲驅動的柔性無聲推進微型機器魚(參見文獻杭 觀榮，王振龍，李健，etal..基于柔性鰭單元的尾鰭推進微型機器魚設計研究 Development of a Caudal-Fin Propelled Micro Robot Fish Based on Flexible Fins.機器人Robot, 2008， 30 (2) : 171-175)和日本名古屋大學福田敏男 教授等幵發的壓電陶瓷驅動的微型水下機器人(參見文獻Fukuda T， Kawamoto A， Arai F， et al.. Steering Mechanism of Underwater Micro Mobile Robot. IEEE International Conference on Robotics and Automation, Nagoya, Japan, 1995: 363-368)等。相對于波動推進而言，仿生噴射推進研究得較少，然而與波動推進相比， 脈沖噴射推進具有推力大、瞬時加速性能好等優點，是非常具有應用前景的仿 生推進方式。美國科羅拉多大學采用烏賊脈沖噴射原理，開發了用于小型水下 機器人低速運動的脈沖噴射推進器(參見文獻Mohseni K. Pulsatile vortexgenerators for low-speed maneuvering of small underwater vehicles. Ocean Engineering, 2006， 33: 2209-2223)。這種推進器采用螺線管驅動器驅動一 個膜片，膜片來回振動，從而不斷吸水噴水，實現脈沖噴射。這種推進器優點 是結構簡單，安裝方便，但是它的推力較小，只能用于低速推進。仿生噴射推進器的研制還可用于對烏賊等生物噴水推進機理的研究，國內 外對烏賊推進研究已有數十年，但是對烏賊噴射推進機理還不是特別明晰，原 因主要有兩個 一、在實驗室對烏賊噴射游動進行研究時，烏賊是通過海洋捕 獲得到的，實驗室的環境也和海洋中不同，烏賊在實驗室的狀態肯定不如在海 洋中，試驗時采集到的數據與烏賊在海洋中游動會有不同；二、在海洋中直接對烏賊噴射游動進行研究時，主要利用水下機器人應用攝像機對烏賊游動拍 攝，雖然不存在上述實驗室中的問題，但烏賊的尺寸、質量和關鍵參數不容易 獲得，試驗費用也非常高。如果能在實驗室中利用合適的仿生脈沖噴射推進器 模擬烏賊噴射推進，將有助于對烏賊噴射推進的研究。美國加州工業大學研制了一種形成渦流環的脈沖噴射裝置(參見文獻GHARIB M， RAMBOD E， SHARIFF K. A universal time scale for vortex ring formation. J. Fluid Mech.， 1998， 360: 121-140)。這種裝置利用一個活塞推動圓管中的水噴出圓管，實 現脈沖噴射功能，以用于研究脈沖噴射渦流環的形成機理。美國伍茲霍爾海洋 研究所對一個尺寸相似的脈沖噴射裝置進行了數值模擬，以期研究有背景流時 的烏賊噴射機理(參見文獻Jiang H， Grosenbaugh M A. Numerical simulation of vortex ring formation in the presence of background flow with implications for squid propulsion. Theoretical and Computational Fluid Dynamics ， 2006， 20 (2): 103-123)。然而這兩種裝置是利用活塞實現噴射，同烏賊外套膜收縮實現噴射 的原理和動作均不同。烏賊的英文譯文有Squid和Cuttlefish兩種。這兩種烏賊結構相似，均由 外套膜20、鰭21、內臟22、腮23、漏斗24、噴嘴25、頭26和腕27組成(如 圖1所示)。兩種烏賊的游動方式也相似，采用脈沖噴射推進和鰭波動推進的 復合推進方式。烏賊憑借這種特殊的游動方式，實現了高超的游動技能，足以 和魚的游動相媲美。烏賊的身體沒有常見的硬骨骼支撐，而是由肌肉性靜水骨 骼來支撐。肌肉性靜水骨骼是靜水骨骼的一種。靜水骨骼是骨骼的一種，能夠在沒有硬骨骼的配合下產生力，進行動作和改變組織剛度，其結構是由被膜和 多層肌肉包圍著的、充滿不可壓縮液體的小腔室，其體積很難被壓縮，它能夠 使身體形狀產生較大的變化。肌肉性靜水骨骼沒有靜水骨骼常見的充液腔室， 而是由在三維方向上緊密排列的肌肉纖維束和膠原纖維結締組織陣列組成，這 種致密的組織同樣基本不可壓縮，并能使身體形狀在空間上產生較大的變化。 烏賊鰭、腕能夠進行多種自由度的運動，以及烏賊能夠在數百至上千米落差的 垂直海域運動自如，就是得益于肌肉性靜水骨骼。烏賊脈沖噴射過程可分為充水和噴射這兩個主要的階段(參見圖2和圖 3)。噴射前，噴嘴25口閉合，外套膜20與漏斗24連接處的鎖突打開，外套 膜20膨脹而在外套膜腔28內形成負壓，水流從開口處進入外套膜腔28內實 現充水。外套膜腔28內充滿水后，外套膜20和漏斗24連接處的鎖突閉合， 噴嘴25口張開，外套膜20強有力地收縮，將外套膜腔28內的水沿著漏斗24 從噴嘴25口中噴出，使烏賊受到與水流方向相反的作用力，從而驅使烏賊運 動。噴射完成后，外套膜20重新充水，周而復始'，實現脈沖噴射推進。噴嘴 25可在腹面的半球內向任意方向轉動，從而實現矢量推力，改變游動方向。 噴射推進時外套膜20和噴嘴25就像一個閥，不斷在噴水和充水過程中切換。 在噴射開始的瞬間，噴嘴25 口張開并擴張到最大，隨著噴射的進行，噴嘴25 口慢慢減小，這樣可以在一定的型腔容積變化下獲得最大的動量。以槍烏賊為例介紹烏賊的外套膜結構(參見圖4、圖5和圖6):頂面為外 套膜內被膜29，底面為外套膜外被膜30。槍烏賊的外套膜肌肉主要有兩種 構成外套膜實體的環狀肌纖維35和連接內外被膜的放射肌纖維34。環狀肌可 分為靠近內外被膜的表層富線粒體環狀肌本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種準柔性仿烏賊脈沖噴射推進器，它包括硅膠漏斗（２）、仿烏賊外套膜（３）和艙體（４），其特征在于：所述仿烏賊外套膜（３）由多根形狀記憶合金絲（５）、有機硅膠柔性機體（６）和多根筋條（７）組成，所述硅膠漏斗（２）的大直徑端與仿烏賊外套膜（３）的敞口端內壁連接，所述艙體（４）設置在仿烏賊外套膜（３）內，所述多根筋條（７）沿仿烏賊外套膜（３）的圓周方向均勻嵌在仿烏賊外套膜（３）內，每根筋條（７）均沿仿烏賊外套膜（３）的母線方向設置，相鄰的兩根筋條（７）之間通過一根形狀記憶合金絲（５）連接，且形狀記憶合金絲（５）嵌在仿烏賊外套膜（３）內。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王振龍，李健，王揚威，杭觀榮，吳清華，杜威，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：93[中國|哈爾濱]