(19)中华人民共和国国家知识产权局 回书回 (12)发明专利申请 ▣袋 (10)申请公布号CN103935493A (43)申请公布日2014.07.23 (21)申请号201410174646.1 (22)申请日2014.04.28 (71)申请人哈尔滨工程大学 地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区南通 大街145号哈尔滨工程大学科技处知 识产权办公室 (72)发明人赵刚孙壮志郭华君饶宇 隋智阳赵华兴乔东潘王好军 王晶晶毕红时 (51)Int.CI. B63H1102(2006.01) 权利要求书1页说明书4页附图4页 (54)发明名称 一种快速转向运动的仿生水下推进器 (57)摘要 本发明的目的在于提供一种快速转向运动的 仿生水下推进器，在驱动周期开始时，储水腔处于 收缩状态，外界水通过进水孔进入储水腔内，经由 上、下弹性薄膜的配合，实现水流在储水腔内的波 浪式推进运动，当储水腔内的压强达到固定值，瓣 膜喷嘴的IPMC瓣膜张开，水流进入喷水腔，经由 上、下弹性薄膜的配合，实现水流在喷水腔内的再 次波浪式推进运动，当压力达到喷水鸭嘴的设定 值，实现水流喷射，推进推进器的前进运动：中间 两侧弹性薄膜是相互协调配合，实现三通道的动 力部分的波浪式推进运动：当采用快速转向运动 时，通过控制部件控制8根SMA丝的弯曲，使得弯 曲喷嘴的弯曲，实现不同方向的射流变化。本发明 解决了水下推进器的快速转向运动问题。 S95999901 石
CN103935493A 权利要求书 1/1页 1.一种快速转向运动的仿生水下推进器，其特征是：包括壳体、电极支撑架、叠加电 极、弹性薄膜、第一喷水支架、第二喷水支架，壳体包括相连的半圆壳体和圆柱壳体，叠加电 极包括电极单元，电极单元包括正电极、负电极，正电极和负电极上均安装第一一第三金属 板，正电极的第二金属板与负电极的第一金属板之间设置第一绝缘层，正电极的第三金属 板与负电极的第二金属板之间设置第二绝缘层，电极支撑架有两层，分别固定在壳体内壁 上，电极单元之间并联安装在两层电极支撑架上，电极单元里安装IPMC肌肉条，两层电极 支撑架旁各设置有第一弹性薄膜和第二弹性薄膜，第一弹性薄膜和第二弹性薄膜将壳体从 上至下分割成上、中、下腔，IPMC肌肉条分别黏贴于第一弹性薄膜或第二弹性薄膜上，圆柱 壳体里设置第一喷水支架和第二喷水支架，第一喷水支架将第一弹性薄膜和第二弹性薄膜 均隔成左右两部分，第二喷水支架将第一弹性薄膜和第二弹性薄膜右部分的右端，第一喷 水支架与半圆壳体、圆柱壳体形成储水腔，第二喷水支架与第一喷水支架、圆柱壳体形成喷 水腔，第一喷水支架上设置膜瓣喷嘴，第二喷水支架上设置弯曲喷嘴，四片1/4的圆形的 IPMC瓣膜依次连接组合，构成圆形的瓣膜喷嘴，弯曲喷嘴包括喷水鸭嘴、SMA丝、硅胶壳，硅 胶壳为锥形，SMA丝包括4组，4组SMA丝对称布置在硅胶壳上，喷水鸭嘴安装在锥形硅胶壳 的顶点处，半圆壳体上设置进水孔，液体从进水孔进入壳体后，依次通过膜瓣喷嘴和弯曲喷 嘴后从壳体喷出，实现动力的输出。 2.根据权利要求1所述的一种快速转向运动的仿生水下推进器，其特征是：所述的膜 瓣喷嘴、弯曲喷嘴均有六个，且分别沿第一喷水支架和第二喷水支架的圆周均匀布置，两个 膜瓣喷嘴和两个弯曲喷嘴位于上腔里，两个膜瓣喷嘴和两个弯曲喷嘴位于中腔里，两个膜 瓣喷嘴和两个弯曲喷嘴位于下腔里。 3.根据权利要求1或2所述的一种快速转向运动的仿生水下推进器，其特征是：所述 的进水孔至少有三层，至少有一层进水孔位于上腔处，至少有一层进水孔位于中腔处，至少 有一层进水孔位于下腔处。 2
CN103935493A 说明书 1/4页 一种快速转向运动的仿生水下推进器 技术领域 [0001]本发明涉及的是一种推进器，具体地说是水下仿生推进器。 背景技术 [0002] 随着海洋资源的开发力度的增加，水下装备的开发凸显出重要的研究意义，鉴于 水下推进动力问题能够直接影响到装备的推进效能，现阶段，国内外相关学者对水下推进 方式进行了广泛的的探索研究，并在诸多方面取得了许多研究成果。随着研究的深入发现， 传统的电机驱动的螺旋桨的推进方式，日益暴露出噪声大、机械结构复杂等局限性，不适应 水下驱动的应用：仿鱼鳍式水下推进方式能够满足节能环保的设计需要，具有低噪声、无污 染优异性能，获得了学术界的一致肯定，然而，该推进方案无法满足高效能的应用理念，更 重要的是，在众多的仿生水下推进器的设计方案中，未能解决推进器的转向运动问题或需 要复杂的结构设计才能实现水下的转向运动问题，此问题是当前水下推进器设计需要解决 的关键问题之一。智能材料的兴起，突破了传统电机驱动的轴向转动及复杂性，同时，在低 电压下可以方便地实现直线驱动特性，在航天、仿生及医学方面具有重要应用前景，另一方 面，仿生学对于工程实践具有重要的指导意义，利用仿生学原理，将心脏原型结构应用于推 进器的开发，是一种重要的应用创新。因此，利用智能材料IPMC(离子聚合物金属复合材 料)和SMA(形状记忆金属材料)的组合，结合生物心脏原理，设计一款能够实现快速转向 运动的高效能水下推进器结构，具有重要研究价值。 发明内容 [0003]本发明的目的在于提供能够解决传统水下推进机械常见缺陷的一种快速转向运 动的仿生水下推进器。 [0004]本发明的目的是这样实现的： [0005]本发明一种快速转向运动的仿生水下推进器，其特征是：包括壳体、电极支撑架、 叠加电极、弹性薄膜、第一喷水支架、第二喷水支架，壳体包括相连的半圆壳体和圆柱壳体， 叠加电极包括电极单元，电极单元包括正电极、负电极，正电极和负电极上均安装第一一第 三金属板，正电极的第二金属板与负电极的第一金属板之间设置第一绝缘层，正电极的第 三金属板与负电极的第二金属板之间设置第二绝缘层，电极支撑架有两层，分别固定在壳 体内壁上，电极单元之间并联安装在两层电极支撑架上，电极单元里安装PMC肌肉条，两 层电极支撑架旁各设置有第一弹性薄膜和第二弹性薄膜，第一弹性薄膜和第二弹性薄膜将 壳体从上至下分割成上、中、下腔，IPC肌肉条分别黏贴于第一弹性薄膜或第二弹性薄膜 上，圆柱壳体里设置第一喷水支架和第二喷水支架，第一喷水支架将第一弹性薄膜和第二 弹性薄膜均隔成左右两部分，第二喷水支架将第一弹性薄膜和第二弹性薄膜右部分的右 端，第一喷水支架与半圆壳体、圆柱壳体形成储水腔，第二喷水支架与第一喷水支架、圆柱 壳体形成喷水腔，第一喷水支架上设置膜瓣喷嘴，第二喷水支架上设置弯曲喷嘴，四片1/4 的圆形的IPMC瓣膜依次连接组合，构成圆形的瓣膜喷嘴，弯曲喷嘴包括喷水鸭嘴、SMA丝、 3
CN103935493A 说明书 2/4页 硅胶壳，硅胶壳为维形，SMA丝包括4组，4组SMA丝对称布置在硅胶壳上，喷水鸭嘴安装在 锥形硅胶壳的顶点处，半圆壳体上设置进水孔，液体从进水孔进入壳体后，依次通过膜瓣喷 嘴和弯曲喷嘴后从壳体喷出，实现动力的输出。 [0006]本发明还可以包括： [0007]1、所述的膜瓣喷嘴、弯曲喷嘴均有六个，且分别沿第一喷水支架和第二喷水支架 的圆周均匀布置，两个膜瓣喷嘴和两个弯曲喷嘴位于上腔里，两个膜瓣喷嘴和两个弯曲喷 嘴位于中腔里，两个膜瓣喷嘴和两个弯曲喷嘴位于下腔里 [0008]2、所述的进水孔至少有三层，至少有一层进水孔位于上腔处，至少有一层进水孔 位于中腔处，至少有一层进水孔位于下腔处。 [0009]本发明的优势在于：本发明采用SMA丝制作尾部的弯曲喷嘴，通过简单的结构设 计解决了水下推进器的快速转向运动问题：通过三通道两腔室的结构设计，充分利用了内 部空间，且各部分的协调配合，提高了水下推进器的工作效率：将仿生学的原理应用于工程 实践，服务指导的实践应用，且扩宽仿生学的应用领域：利用智能材料解决了传统机械的常 见缺陷，同时，改善了仿生鱼鳍式推进的水下推进效能。 附图说明 [0010] 图1是水下推进器A-A剖视图： [0011] 图2a是叠加电极三视图a,图2b是叠加电极三视图b,图2c是叠加电极三视图c; [0012] 图3是水下推进器D-D剖视图； [0013] 图4是水下推进器B-B剖视图： [0014] 图5a是水下推进器弯曲喷嘴放大图a,图5b是水下推进器弯曲喷嘴放大图b; [0015] 图6是水下推进器C-C剖视图： [0016] 图7a是水下推进器喷水部分放大图a,图7b是水下推进器喷水部分放大图b: [0017] 图8是本发明的整体剖面图。 具体实施方式 [0018]下面结合附图举例对本发明做更详细地描述： [0019] 结合图1~8，本发明主要主要分为动力及传动部分I、储水部分II、喷水部分 III、壳体及控制部分IV四部分；外部前端沿轴向方向分布多排进水孔10的半圆壳体与圆 柱壳体装配连接，尾部沿圆周方向分布六个弯曲喷嘴14，弯曲喷嘴14采用8根SMA丝16对 称布置于奶嘴型的弯曲喷嘴14内部，外层包裹硅胶壳17，端侧处安装有喷水鸭嘴15：内部 采用两片弹性薄膜1将整体均分上、中、下三个供水通道，中间横截面处采用弹性薄膜1分 隔将水下推进器分为两个供水腔：储水腔18与喷水腔19：三片金属板等距焊接平面金属 板，其一侧焊接电极6或8，在其电极6或8上焊接有导线5与9，两个相同结构焊接件通过 结位叠加、中间贴有绝缘层7进行装配，构成叠加电极2，叠加电极2固定于电极支撑架4 上，电极支撑架4固定于壳体12上，多片IPMC肌肉条3端侧插入叠加电极2的空隙处，表 面处黏贴于弹性薄膜1上，四片1/4的圆形的IPMC瓣膜13连接组合，构成圆形的瓣膜喷嘴 11。 [0020] 在驱动周期开始时，上、下通道的储水腔18处于收缩状态，在控制信号控制IPMC 4
CN103935493A 说明书 3/4页 肌肉条3的运动实现弹性薄膜1的回复运动，腔内压强增加，外界水通过进水孔10进入储 水腔18内，在正弦波电信号的激励下，控制IPMC肌肉条3的运动，经由上、下弹性薄膜1的 配合，实现水流在储水腔18内的波浪式推进运动，当储水腔18内的压强达到固定值，中间 弹性薄膜1上瓣膜喷嘴11的IPMC瓣膜13张开，水流进入喷水腔19，在正弦波电信号的激 励下，控制IPMC肌肉条3的运动，经由上、下弹性薄膜1的配合，实现水流在喷水腔19内的 再次波浪式推进运动，当压力达到喷水鸭嘴15的设定值，实现水流喷射，推进推进器的前 进运动：中间两侧弹性薄膜1是相互协调配合，实现三通道的动力部分的波浪式推进运动： 当采用快速转向运动时，通过控制部件控制8根SMA丝16的弯曲，使得弯曲喷嘴14的弯曲， 实现不同方向的射流变化。 [0021]结合图1、2及8，动力及传动部分I主要由弹性薄膜1、叠加电极2、IPMC肌肉条3、 电极支撑架4、导线5与9、正负电极6与8、绝缘层7组成；叠加电极2包括导线5与9、正 负电极6与8、绝缘层7，三片金属板等距焊接平面金属板上，靠近连接三片金属板的水平板 侧焊接小片电极6或8，两对这种焊接板结构错位叠加、中间贴有绝缘层7进行装配，并在 正负电极6与8的水平金属板焊接导线5与9，构成叠加电极2：多片IPMC肌肉条3端侧插 入叠加电极2的空隙处，表面处黏贴于弹性薄膜1上，叠加电极2固定于电极支撑架4上， 电极支撑架4固定于壳体12上。弹性薄膜1在传动过程中进行能量储蓄，在IPMC肌肉条 3回复阶段释放，提高能量的利用率：电极支撑架4用于电极的固定，驱动导线可从内部输 出：鉴于采用串联电路驱动会使得PMC肌肉条3运动不协调，叠加电极2采用并联电路的 设计方案，实现IPMC肌肉条3驱动：叠加电极2可以实现多片IPMC肌肉条3的叠加，提高 输出外力的大小，叠加片数可以通过改变叠加电极2结构进行调整：绝缘层7的作用绝缘正 负两个电极，防止工作时短路：前、后两腔由于空间体积不同，在工作时，前腔的IPMC肌肉 条3需要快速摆动，存储大量水来供给后腔的喷水过程，故前、后腔的IPMC肌肉条3要分开 控制；为了保证系统的压力，需要弹性薄膜1与壳体12实现较好的密封，实现各个通道独立 工作。 [0022] 动力及传动部分I具体工作原理： [0023]电压经由电源导线5与9，分别为正负电极6与8提供控制信号，驱动IPMC肌肉 条3的动作，多组IPMC肌肉条3组合叠加，完成力的输出，带动粘结在IPMC肌肉条3弹性 薄膜1不同形式的运动：在电压信号回程段，IPMC肌肉条3进行反向运动，弹性薄膜1储存 的弹性能释放，快速回复，实现弹性薄膜1的回程运动：在正弦波信号的驱动下，不同的上、 下弹性薄膜1进行挤压配合，驱动上、下弹性薄膜1波浪式的周期挤压运动，最终实现实现 水下驱动器的动力供给。 [0024]结合图35及8，储水部分II主要由进水孔10、膜瓣喷嘴11、IPMC肌肉条3、弹 性薄膜1、壳体12、IPMC瓣膜13、储水腔18组成：四片1/4的圆形的IPMC瓣膜13连接组 合，构成圆形的瓣膜喷嘴11，中心处沿十字交叉处开有擦间隙，防止瓣膜贴的太近导致工作 过程时卡死：壳体12主要由半圆壳体及圆柱壳体连接成，半圆壳体头部开有3排沿圆周分 布的进水孔10，圆周壳体中间部分端面处采用弹性薄膜1封闭，内部采用两层弹性薄膜1将 整个腔分为三部分，在中间部分端面处采用弹性薄膜1上沿圆周方向布置六个由四片IPMC 瓣膜13连接的膜瓣喷嘴11。进水孔10的作用除了通道内部供水外，还可以防止大的颗粒 杂质进入管内，起到过滤杂质功能；考虑到推进管的受力作用，进水孔10的方向与推进管 5
CN103935493A 说明 书 4/4页 相同，减小径向分力影响其运动轨迹，同时在吸水过程中可以借助其反作用力实现推进；鉴 于IPMC材料在通电条件下可以弯曲的特性，采用4片IPMC材料作为膜瓣喷嘴11，控制实现 储水腔18与喷水腔19内水量供给。 [0025]储水部分II具体工作原理： [0026]在一个供水周期完成时，前腔的IPMC肌肉条3与弹性薄膜1保持收缩状态，随着 正弦波电压激励的施加，上、下弹性薄膜1将波形向外传递，逐渐舒张而张开，内部压强增 大，水经由进水孔10进入储水腔18，当腔内压强达到设定值通过外部控制电路对膜瓣喷嘴 11发出脉冲信号，IPMC瓣膜13在电激励下张开，水流进入喷水腔19。 [0027]结合图6、7及8，喷水部分III主要膜瓣喷嘴11、IPMC肌肉条3、弹性薄膜1、壳体 12、IPMC瓣膜13、弯曲喷嘴14、喷水腔19、喷水鸭嘴15、SMA丝16、硅胶壳17组成；弯曲喷 嘴14由喷水鸭嘴15、SMA丝16、硅胶壳17组成，4组SMA丝16对称布置于奶嘴型的弯曲 喷嘴14内部，外部采用硅胶壳17包裹，端侧处安装有喷水鸭嘴15；IPMC瓣膜13作为喷水 腔19的水流入口，中间处采用安装在叠加电极2的IPMC肌肉条3黏贴于弹性薄膜1，在尾 部端侧壳体上沿周向均匀布置六个弯曲喷嘴14，上、中、下每个通道分得两个弯曲喷嘴14， 作为水流喷水口。SMA丝16作为一种形状记忆材料，在受热时能够发生较大作用力的弯曲 变形，采用8条SMA丝结构包裹在硅胶壳内部，通过控制不同SMA丝的弯曲，可以实现对其 不同方向弯曲：喷水鸭嘴15是一种单向阀门，在压力超过一定值时进行单向喷水：每个通 道采用两个弯曲喷嘴14进行喷水推进，其均匀分布于圆周上，便于对不同方位进行喷水控 制：采用PWM(脉冲宽度调制)控制不同的占空比来实现不同SMA丝的弯曲状态控制。 [0028]喷水推进部分III具体工作原理： [o029]当喷水腔19内的压强达到固定值，通过控制部件控制膜瓣喷嘴11上的IPMC瓣膜 13关闭，喷水腔19内部的IPMC肌肉丝3在正弦波信号下运动，实现弹性薄膜1波浪式推 进，当腔内压强超过喷水鸭嘴15的固定压力值后，喷水鸭嘴打开喷水，通过水流喷水作用 力与反作用力的关系，实现推进管的水下推进，当需要实现转向时，通过控制部件控制弯曲 喷嘴14上的多条SMA丝16的弯曲运动，达到曲喷嘴14弯曲的目的，最终可以使得水下推 进器不同角度的喷水，实现其快速弯曲运动。 [0030]壳体及控制部分IV主要壳体12、弹性薄膜1、PWM控制组件组成：整个壳体12通 过半圆壳体及圆柱壳体装配连接成，头部的半圆壳体开有进水孔10，尾部沿圆周分布有6 个弯曲喷嘴14；壳体12与弹性薄膜1之间严实密封，防止后期内压强过低，使得推进效率 下降；壳体12是一种刚性材料，表层光滑，起到支撑及降低表面阻力的作用：PWW是一种利 用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，使用其对IPMC肌 肉条3及弯曲喷嘴14的SMA丝16进行周期控制。 6
CN103935493A 说明书附图 1/4页 图1 6 5 图2b 图2a 图2c 7
CN103935493A 说明书附图 2/4页 10 中twW 4447 图3 11 12 图5a nmmtmmmiaaawaazzzzz 图4 8
CN103935493A 说明书附图 3/4页 13 14 图5b 图6 16 17 * 15 图7a 图7b
CN103935493A 说明书附图 4/4页 18 19 D B 图8 10