(19)中华人民共和国国家知识产权局 口▣ (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN104443331A (43)申请公布日2015.03.25 (21)申请号201410583170.7 (22)申请日2014.10.27 (71)申请人哈尔滨工业大学 地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街92号 (72)发明人陈维山董帝渤王鼎汶石胜君 侯珍秀 (74)专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事 务所23109 代理人岳泉清 (51)lnt.C1. B63H130(2006.01) B63H138(2006.01) 权利要求书1页说明书4页附图4页 (54)发明名称 内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置 (57)摘要 内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装 置，它涉及一种仿水母水下推进装置，以解决现有 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，它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：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，腹腔基座的每个处 触手上固装有一个柔性压电纤维复合材料驱动关 节，本发明用于海洋科考等领域。 199956501 石
CN104443331A 权利要求书 1/1页 1.内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置，它包括动力及控制模块(3)，其特征 在于：它还包括腹腔端盖(1)、仿生柔性躯体(6)、腹腔基座(4)和N个柔性压电纤维复合材 料驱动关节(8)，腹腔基座(4)的外边缘加工有N个触手(4-3)，其中N为正整数，且N≥8； 所述仿生柔性躯体(6)的外轮廓呈半球形，仿生柔性躯体(6)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（⑧），腹腔基座(4)嵌入仿生柔性躯体(9)的 底部，腹腔端盖(1)的开口端盖合在腹腔基座(4)的开口端上且二者可拆卸密封连接，腹腔 端盖(1)的封闭端呈弧形，腹腔基座(4)的每个触手(4-3)上固装有一个柔性压电纤维复 合材料驱动关节(8)，动力及控制模块(3)安装在腹腔端盖(1)与腹腔基座(4)构成的封闭 空腔(12)中，动力及控制模块(3)与N个柔性压电纤维复合材料驱动关节（⑧）电连接。 2.根据权利要求1所述的内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置，其特征在于： 仿生柔性躯体(6)由硅胶制成。 3.根据权利要求1或2所述的内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置，其特征在 于：柔性压电纤维复合材料驱动关节（⑧）的数量为八个。 4.根据权利要求3所述的内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置，其特征在于： 仿生柔性躯体(6)、腹腔基座(4)以及柔性压电纤维复合材料驱动关节（⑧）三者一体制成。 5.根据权利要求1、2或4所述的内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置，其特征 在于：柔性压电纤维复合材料驱动关节（⑧）为板状柔性压电纤维复合材料驱动关节，柔性 压电纤维复合材料驱动关节（⑧）倾斜布置，相邻两个柔性压电纤维复合材料驱动关节（⑧） 的长度方向之间的夹角为45°，柔性压电纤维复合材料驱动关节(8)与水平面之间的夹角 为40°~50° 6.根据权利要求5所述的内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置，其特征在于： 腹腔基座(4)由硅胶、尼龙或聚四氟乙烯弹性材料制成。 7.根据权利要求1、2、4、或6所述的内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置，其特 征在于：所述水下推进装置还包括密封圈（⑤），腹腔端盖(1)的开口端与腹腔基座(4)的开 口端螺纹连接，且腹腔端盖(1)的开口端通过密封圈(5)与腹腔基座(4)的开口端密封。 8.根据权利要求7所述的内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置，其特征在于： 腹腔基座(4)包括桶体(4-1)和基体骨架(4-2)，基体骨架(4-2)为具有N个触手(4-3) 的基体骨架，N个触手(4-3)沿基体骨架(4-2)的周向均布设置，桶体(4-1)的封闭端安装 在基体骨架(4-2)上，腹腔端盖(1)的开口端与桶体(4-1)的开口端可拆卸密封连接，桶体 (4-1)的侧壁上加工有穿线孔(4-4)，动力及控制模块（(4)通过穿过穿线孔(4-4)内的导线 (15)与N个柔性压电纤维复合材料驱动关节（⑧）电连接。 2
CN104443331A 说明书 1/4页 内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置 技术领域 [0001] 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 [0002] 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。 [0003]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。 [0004]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。 [0005]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。 [0006]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 3
CN104443331A 说明 书 2/4页 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 [0007]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。 [0008] 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； [0009] 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。 [0010]本发明的有益效果是：一、本发明的内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置 主要通过控制柔性压电纤维复合材料(F℃)驱动关节的正向弯曲和反向弯曲变形来带动 机器水母的柔性壳体进行收缩和舒张以达到水母推进的效果。自然界中水母的一个完整运 动周期包括躯体舒张和躯体收缩两个阶段，其中躯体收缩阶段是喷水产生前向推进力的最 有效阶段，而舒张阶段是为了扩大躯体所包裹流体的体积，为收缩阶段做准备。压电纤维复 合材料(FC)是一种电驱动变形的智能材料，本发明对柔性压电纤维复合材料(MFC)驱动 关节的其中一侧面通电时便会产生弯曲变形，本发明的柔性压电纤维复合材料(FC)驱动 关节内嵌于柔性（如硅胶）躯体中，且绕推进装置中心轴线的周向均匀分布，相邻两个关节 的夹角相同，整体驱动力的分布也较为均匀，因此其运动会直接带动躯体的运动。当柔性压 电纤维复合材料(MF℃)致动关节沿中心轴线的方向弯曲时，会驱动推进装置的柔性躯体收 缩，此时会将柔性躯体的空腔中的流体喷出进而获得反方向的有益推进的动量，实现有效 推进：当柔性压电纤维复合材料(MF℃)驱动关节沿中心轴线的反方向弯曲时，会驱动推进 装置躯体舒张，此时仿生柔性躯体的腹腔中包裹的流体体积会增大，为下一阶段的收缩储 备足够的流体。由于柔性压电纤维复合材料(MF℃)的运动控制较为灵敏，动作迟滞性低，因 此，通过有效的循环控制通电状态便可以精确地控制仿水母推进装置的运动，实现与自然 界中真实水母运动相似的推进效果。 [0011]二、本发明的仿水母水下推进装置机械结构轻巧、设计灵活，系统集成度高，便于 加工制造和维护，由于采用了柔性柔性压电纤维复合材料(FC)驱动关节进行驱动，因此 运动控制精度高，推进效率提高了40%-55%，且推进装置在运动时基本无噪音，对周围环 境和水生生物的影响可以忽略不计，实现了优良的仿生推进性能。 [0012] 三、本发明的外轮廓呈半球形的仿生柔性躯体以及腹腔端盖的封闭端为弧形，二 4
CN104443331A 说明书 3/4页 者与腹腔基座以及柔性压电纤维复合材料驱动关节一起构成了与自然界中真实水母形态 相近的流线型本体。本发明的动作行为与真实水母的推进行为接近。本发明可用于海洋科 学知识普及、深海目标的探测等领域，同时也可作为研究海洋游动生物高效流体动力控制 机理的实验平台。 附图说明 [0013]图1是本发明的内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下水下推进装置的主剖面结构 示意图，图2是腹腔基座的立体结构示意图，图3是腹腔基座与柔性压电纤维复合材料驱动 关节连接的立体结构示意图，图4是本发明的柔性压电纤维复合材料驱动关节的通电后完 全变形示意图，图5是具体实施方式七的基体骨架的立体结构示意图，图6是本发明的仿生 柔性躯体的腹腔收缩排水产生有效推进力的流动结构物理模型图。 具体实施方式 [0014]具体实施方式一：结合图1-图6说明，本实施方式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3，它还包括腹腔端盖1、仿生柔性躯体6、腹腔基座4 和N个柔性压电纤维复合材料驱动关节8，腹腔基座4的外边缘加工有N个触手4-3，其中 N为正整数，且N≥8； [0015]所述仿生柔性躯体6的外轮廓呈半球形，仿生柔性躯体6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8，腹腔基座4嵌入仿生柔性躯体9的底部， 腹腔端盖1的开口端盖合在腹腔基座4的开口端上且二者可拆卸密封连接，腹腔端盖1的 封闭端呈弧形，腹腔基座4的每个触手4-3上固装有一个柔性压电纤维复合材料驱动关节 8,动力及控制模块3安装在腹腔端盖1与腹腔基座4构成的封闭空腔12中，动力及控制模 块3与N个柔性压电纤维复合材料驱动关节8电连接。 [0016]本实施方式的动力及控制模块为现有技术，主要是给柔性压电纤维复合材料驱动 关节供电并实现对柔性压电纤维复合材料驱动关节的信号通讯及控制，以实现压线纤维复 合材料驱动关节的变形。本实施方式的腹腔基座4的触手4-3通过螺栓7与柔性压电纤维 复合材料驱动关节8固装为一体。 [001]具体实施方式二：结合图1说明，本实施方式的仿生柔性躯体6由硅胶制成。如此 设置，化学性质稳定，有较高的机械强度，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式 一相同。 [0018]具体实施方式三：结合图3说明，本实施方式的柔性压电纤维复合材料驱动关节8 的数量为八个。如此设置，满足设计要求和实际水下推进的需要。其它与具体实施方式一 或二相同。 [0019]具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式的仿生柔性躯体6、腹腔基座4以及 柔性压电纤维复合材料驱动关节8三者一体制成。如此设置，加工方便，使用便捷，有利于 构成与自然界中真实水母形态相近的流线型本体，本发明水下推进动作行为与真实水母的 推进行为更加接近，进一步提高了水下推进效率。其它与具体实施方式三相同。 [0020]具体实施方式五：结合图3说明，本实施方式的柔性压电纤维复合材料驱动关节 8为板状柔性压电纤维复合材料驱动关节，柔性压电纤维复合材料驱动关节8倾斜布置，相 5
CN104443331A 说明 书 4/4页 邻两个柔性压电纤维复合材料驱动关节8的长度方向之间的夹角为45°，柔性压电纤维复 合材料驱动关节8与水平面之间的夹角为40°~50°。如此设置，本实施方式的触手4-3 加工有倾斜面，腹腔基座4的触手4-3的倾斜面通过螺栓7与柔性压电纤维复合材料驱动 关节8固装为一体，保证了柔性压电纤维复合材料驱动关节8的倾斜：柔性压电纤维复合材 料驱动关节的均布设置使的整体驱动力分布也均匀，柔性压电纤维复合材料驱动关节的运 动会直接带动仿生柔性躯体的运动。其它与具体实施方式一、二或四相同。 [0021]具体实施方式六：结合图1和图2说明，本实施方式的腹腔基座4由硅胶、尼龙或 聚四氟乙烯弹性材料制成。如此设置，一方面可以减少加工装配误差给推进装置的同轴度 带来负面的影响，如在运动过程中产生额外的偏航：另一方面有利于增加系统机械骨架的 刚度，使得运动更为平稳，仿生效果更良好。其它与具体实施方式五相同。 [0022]具体实施方式七：结合图1和图2说明，本实施方式所述水下推进装置还包括密封 圈5，腹腔端盖1的开口端与腹腔基座4的开口端螺纹连接，且腹腔端盖1的开口端通过密 封圈5与腹腔基座4的开口端密封。如此设置，螺纹连接方便，使用简单，采用0形密封圈 密封，有利于防水绝缘和动力及控制模块的储存。其它与具体实施方式一、二、四或六相同。 [0023]具体实施方式八：结合图2和图5说明，本实施方式的腹腔基座4包括桶体4-1 和基体骨架4-2，基体骨架4-2为具有N个触手4-3的基体骨架，N个触手4-3沿基体骨架 4-2的周向均布设置，桶体4-1的封闭端安装在基体骨架4-2上，腹腔端盖1的开口端与桶 体4-1的开口端可拆卸密封连接，桶体4-1的侧壁上加工有穿线孔4-4，动力及控制模块4 通过穿过穿线孔4-4内的导线15与N个柔性压电纤维复合材料驱动关节8电连接。如此 设置，一方面使用方便可靠，可以减少加工装配误差给推进装置的同轴度带来负面的影响， 如在运动过程中产生额外的偏航：另一方面有利于增加系统机械骨架的刚度，使得运动更 为平稳，仿生效果更良好。其它与具体实施方式七相同。 [0024]工作原理 [0025]本发明的内嵌式柔性关节驱动的仿水母水下推进装置在制造的时候，应预先将多 个柔性压电纤维复合材料(MFC)驱动关节8沿仿生柔性躯体6的中心轴线对称分布在硅胶 浇铸模具中，相邻的两个柔性压电纤维复合材料驱动关节8的夹角相等，导线15穿腹腔基 座4的壁面上的引线孔4-4进入封闭空腔12并与动力及控制模块3相连接，然后浇铸硅胶 同腹腔基座4、柔性压电纤维复合材料(MPC)驱动关节8构成一体化的推进器流线型结构。 [0026]本发明的腹腔端盖1与带有触手的腹腔基座4通过螺纹进行配合，腹腔基座4的 桶体4-1开有密封槽4-5以放置0型密封圈5，起到静密封的作用，以防止外部流体深入封 闭空腔12内造成对动力及控制模块3的负面影响。 [0027]图6为仿生柔性躯体的腹腔收缩排水产生有效推进力的流动结构物理模型图，其 中实心箭头表示推进方向，腹腔9和涡环对16。 6
CN104443331A 说明书附图 1/4页 12312451& 9 图1 7
CN104443331A 说明书附图 2/4页 4 4-1 4-4 4-5 43 4-2 ⑤ 0 0 4-3 0 图2 8
CN104443331A 说明书附图 3/4页 4 1 8 ⊙ o 0 O 图3 15 8 图4 9
CN104443331A 说 明书附图 4/4页 4-2 4-3 图5 9 6 回 @ 16 @ @ 图6 10