(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN103950524A (43)申请公布日2014.07.30 (21)申请号201410149882.8 (22)申请日2014.04.15 (71)申请人南京航空航天大学 地址210016江苏省南京市秦准区御道街 29号 (72)发明人王扬威于凯赵东标刘凯 谭进波 (74)专利代理机构江苏圣典律师事务所32237 代理人贺翔 (51)1nt.Cl. B63H1/30(2006.01) B63011/48(2006.01) B63C1152(2006.01) 权利要求书2页说明书4页附图4页 (54)发明名称 喷射式仿生水下航行器及其工作方式 (57)摘要 本发明涉及一种喷射式仿生水下航行器及其 工作方式，属于机器人仿生技术领域中功能仿生。 它包括壳体、推进机构、传动机构、沉浮机构、喷管 角度调整机构和电源及控制系统。本发明的喷射 202 式仿生水下航行器通过模仿墨鱼、樽海鞘等海洋 0 生物的吸水喷水模式，利用四个弹性吸水喷水筒 间歇性规律的吸水和喷水动作实现航行器前后两 个喷头的持续性喷水，通过对喷头的偏摆角度的 控制实现航行器运动方向的调整。本发明的喷射 式仿生水下航行器可用于水下探测、水下跟踪、水 下救援等相关领域。 #7209990 石
CN103950524A 权利要求书 1/2页 1.一种喷射式仿生水下航行器，其特征在于： 包括壳体(1)、推进机构(4)、传动机构(2)、喷管及喷管角度调整机构(5)、沉浮机构 (6)电源及控制系统(7)： 其中推进机构(4)包括安装于壳体内的弹性吸水喷水筒(3)，弹性吸水喷水筒(3)由 若干围绕排布的弹性长条(301)、附于弹性长条(301)外的弹性膜(308)、连接于弹性长条 (301)第一端的第一支撑架(303-1)、连接于弹性长条(301)第二端的第二支撑架(303-2) 组成；弹性吸水喷水筒(3)第一端通过单向阀片(307)结构形成单向吸水口(309)，弹性吸 水喷水筒(3)第二端通过单向阀片(307)结构形成单向出水口(310)； 其中传动机构(2)包括安装于壳体(1)内的传动电机(201)、与传动电机(201)相连的 传动转轴(202)，还包括与传动轴相连的齿轮齿条机构，齿轮齿条机构包括安装于传动转轴 (202)上的齿轮(203)以及与齿轮相配合的齿条(204)，齿条(204)的一端与弹性吸水喷水 筒(3)的第一支撑架(303-1)相连： 其中喷管及喷管角度调整机构(5)包括一端与弹性吸水喷水简(3)的单向出水口 (310)相连的喷管(503)，还包括用以调节喷管角度的喷管角度调整机构(5)； 其中沉浮机构(6)包括弹性储水袋(601)、通过第一连接管与弹性储水袋(601)相连的 水泵(602)、一端连接水泵另一端连接外界的第二连接管。 2.根据权利要求1所述的喷射式仿生水下航行器，其特征在于： 所述推进机构(4)的弹性吸水喷水筒(3)共有四个，分别为一号弹性吸水喷水筒 (3-1)、二号弹性吸水喷水筒(3-2)、三号弹性吸水喷水筒(3-3)、四号弹性吸水喷水筒 (3-4); 所述传动机构(2)中的齿轮齿条机构共有两套：分别为一号齿轮齿条机构(2-1)、二号 齿轮齿条机构(2-2)；一号齿轮齿条机构(2-1)中的齿轮、齿条分别称为一号齿轮、一号齿 条；二号齿轮齿条机构(2-2)中的齿轮、齿条分别称为二号齿轮、二号齿条；且一号齿条和 二号齿条均为回程齿条： 所述喷管角度调整机构(5)有两套，分别为一号喷管角度调整机构(5-1)、二号喷管角 度调整机构(5-2)； 上述一号弹性吸水喷水筒(3-1)和二号弹性吸水喷水筒(3-2)分别位于一号齿轮齿条 机构的两端，即一号弹性吸水喷水筒(3-1)的第一支撑架、二号弹性吸水喷水筒(3-2)的第 一支撑架分别连于一号齿条的两端： 上述三号弹性吸水喷水筒(3-3)和四号弹性吸水喷水筒(3-4)分别位于二号齿轮齿条 机构的两端，即三号弹性吸水喷水筒(3-3)的第一支撑架、四号弹性吸水喷水筒(3-4)的第 一支撑架分别连于二号齿条的两端； 上述一号弹性吸水喷水筒(3-1)、三号弹性吸水喷水筒(3-3)的单向出水口(310)同时 与一号喷管角度调整机构(5-1)相连： 二号弹性吸水喷水筒(3-2)、四号弹性吸水喷水筒(3-4)的单向出水口(310)同时与 二号喷管角度调整机构(5-2)相连； 上述一号齿轮和二号齿轮安装于同一传动轴：且一号齿轮、一号齿条的配合传动关系， 与二号齿轮、二号齿条的配合传动关系恰好相反。 3.根据权利要求1所述的喷射式仿生水下航行器，其特征在于： 2
CN103950524A 权利要求书 2/2页 所述喷管角度调整机构(5)包括调节电机(501)、安装于喷管(503)一端的连接件 (502)、一端与调节电机(501)相连另一端与连接件(502)相连的L形转轴(508)； 所述喷管(503)通过关节轴承(504)安装于支撑结构(504)上；支撑结构(504)用螺栓 固定在壳体(1)外。 4.根据权利要求1所述的喷射式仿生水下航行器，其特征在于：所述沉浮机构(6)由两 套，分别位于喷射式仿生水下航行器的左右两侧。 5.根据权利要求1所述的喷射式仿生水下航行器，其特征在于： 弹性吸水喷水筒(3)的第二支撑架(303-2)与壳体(1)相固定； 弹性吸水喷水筒(3)的第一支撑架(303-1)处安装有密封滑块(305)； 喷射式仿生水下航行器还包括与壳体(1)相固定的定位轴(306)； 定位轴(306)穿过密封滑块(305)伸入弹性吸水喷水筒(3)中。 6.根据权利要求1所述的喷射式仿生水下航行器，其特征在于： 上述弹性长条(301)第一端和第一支撑架(303-1)的连接方式具体如下： 上述弹性长条(301)第一端固定在转动连接头(302)上，转动连接头(302)上加工有 一个偏心孔，偏心孔在转动连接头上的位置偏向于弹性筒内部，弹性筒被压缩时，弹性长条 可以向着弹性筒外部方向鼓起，短轴穿过偏心孔后固定在第一支撑架(303-1)上。 7.根据权利要求1所述的喷射式仿生水下航行器的工作方式，其特征在于包括以下过 程： 通过控制传动机构(2)的齿条(204)对弹性吸水喷水简(3)的第一支撑架(303-1)的 压或拉，使弹性长条(301)和弹性膜(308)变形造成弹性吸水喷水筒(3)容积变化，进而弹 性吸水喷水筒(3)吸水或排水，排出的水通过喷管(503)喷出使喷射式仿生水下航行器运 动； 其中沉浮机构(6)通过控制弹性储水袋(601)中水量，控制沉浮状态： 其中喷管角度调整机构(5)调整喷管的喷射角度，改变航行方向。 8.根据权利要求2所述的喷射式仿生水下航行器的工作方式，其特征在于包括以下过 程： 通过控制传动机构(2)的齿条(204)对弹性吸水喷水筒(3)的第一支撑架(303-1)的 压或拉，使弹性长条(301)和弹性膜(308)变形造成弹性吸水喷水筒(3)容积变化，进而弹 性吸水喷水筒(3)吸水或排水，排出的水通过喷管(503)喷出使喷射式仿生水下航行器运 动； 其中沉浮机构(6)通过控制弹性储水袋(601)中水量，控制沉浮状态： 其中喷管角度调整机构(5)调整喷管的喷射角度，改变航行方向； 由于一号弹性吸水喷水筒(3-1)的单向出水口(310-1)、三号弹性吸水喷水筒(3-3)的单 向出水口(310-3)同时与一号喷管(503-1)相连；二号弹性吸水喷水简(3-2)的单向出水口 (310-2)、四号弹性吸水喷水筒(3-4)的单向出水口(310-4)同时与二号喷管(503-2)相连； 一号弹性吸水喷水筒(3-1)和四号弹性吸水喷水筒(3-4)的吸水排水状态相同；二号 弹性吸水喷水筒(3-2)和三号弹性吸水喷水筒(3-3)的吸水排水状态相同；一号弹性吸水 喷水筒(3-1)和二号弹性吸水喷水筒(3-2)吸水排水状态相反，使得一号喷管(503-1)和二 号喷管(503-2)实现连续喷水状态。 3
CN103950524A 说明书 1/4页 喷射式仿生水下航行器及其工作方式 技术领域 [0001]本发明涉及一种喷射式仿生水下航行器及其工作方式，属于机器人仿生技术领 域。 背景技术 [0002]早在19世纪末，喷射推进器作为一种特殊的推进装置被应用在船舶推进。随着船 舶工业的不断发展，推进器技术也由此产生了巨大的变化，从传统的螺旋桨推进器发展到 今天各种特色的泵喷推进器、磁流体推进器以及固体火箭发动推进器。 [0003]墨鱼是海洋中常见的一种动物，属于软体动物门头足刚亚纲乌贼目。它们依靠喷 射和鳍波动复合推进这种特殊的方式来实现游动，不仅能灵活地游动，还能够实现翻滚、快 速后退等游动动作。哈尔滨工业大学研制的仿乌贼机器鱼，利用记忆合金丝的受热收缩使 得弹性筒体内的水向外喷射以达到推进的效果，但是存在着速度慢、控制难等不足。 发明内容 [0004]本发明提供了一种新型的喷射式仿生水下航行器及其工作方式，够实现较高的速 度、效率和机动性，为水下探测、水下跟踪以及水下救援等提供高效的新型工具。 [0005]为实现标，通过模仿墨鱼、樽海鞘等海洋生物的吸水喷水模式，以机构简单、控 制方便为基本的设计思想，本发明的 种新型的喷射式仿生水下航行器，其特征在于：壳体、推进机构、传动机构、喷管及喷 管角度调整机构、沉浮机构和电源及控制系统；其中推进机构包括安装于壳体内的弹性吸 水喷水筒，弹性吸水喷水筒由若干围绕排布的弹性长条、附于弹性长条外的弹性膜、连接于 弹性长条第一端的第一支撑架、连接于弹性长条第二端的第二支撑架组成：弹性吸水喷水 筒第一端通过单向阀片结构形成单向吸水口，弹性吸水喷水筒，第二端通过单向阀片结构 形成单向出水口：其中传动机构包括安装于壳体内的传动电机、与传动电机相连的传动转 轴，还包括与传动轴相连的齿轮齿条机构，齿轮齿条机构包括安装于传动转轴上的齿轮以 及与齿轮相配合的齿条，齿条的一端与弹性吸水喷水筒的第一支撑架相连；其中喷管及喷 管角度调整机构包括一端与弹性吸水喷水筒的单向出水口相连的喷管，还包括用以调节喷 管角度的喷管角度调整机构；其中沉浮机构包括弹性储水袋、通过第一连接管与弹性储水 袋相连的水泵、一端连接水泵另一端连接外界的第二连接管。 [0006]上述的喷射式仿生水下航行器的工作方式，其特征在于包括以下过程：通过控制 传动机构的齿条对弹性吸水喷水筒的第一支撑架的压或拉，使弹性长条变形造成弹性吸水 喷水筒容积变化，进而弹性吸水喷水筒吸水或排水，排出的水通过喷管喷出使喷射式仿生 水下航行器运动：其中沉浮机构通过控制弹性储水袋中水量，控制沉浮状态；其中喷管角 度调整机构调整喷管的喷射角度，改变航行方向。 [0007]上述的喷射式仿生水下航行器其特征在于：所述推进机构的弹性吸水喷水筒共有 四个，分别为一号弹性吸水喷水筒、二号弹性吸水喷水筒、三号弹性吸水喷水筒、四号弹性 4
CN103950524A 说明书 2/4页 吸水喷水筒：所述传动机构中的齿轮齿条机构共有两套：分别为一号齿轮齿条机构、二号 齿轮齿条机构；一号齿轮齿条机构中的齿轮、齿条分别称为一号齿轮、一号齿条；二号齿轮 齿条机构中的齿轮、齿条分别称为二号齿轮、二号齿条；且一号齿条和二号齿条均为回程齿 条：所述喷管由两套，分别为一号喷管、二号喷管；上述一号弹性吸水喷水筒和二号弹性吸 水喷水筒分别位于一号齿轮齿条机构的两端，即一号弹性吸水喷水筒的第一支撑架、二号 弹性吸水喷水筒的第一支撑架分别连于一号齿条的两端；上述三号弹性吸水喷水筒和四 号弹性吸水喷水筒分别位于二号齿轮齿条机构的两端，即三号弹性吸水喷水筒的第一支撑 架、四号弹性吸水喷水筒的第一支撑架分别连于二号齿条的两端：上述一号弹性吸水喷水 筒、三号弹性吸水喷水筒的单向出水口同时与一号喷管相连；二号弹性吸水喷水筒、四号弹 性吸水喷水筒的单向出水口同时与二号喷管相连；上述一号齿轮和二号齿轮安装于同一传 动轴：且一号齿轮、一号齿条的配合传动关系，与二号齿轮、二号齿条的配合传动关系恰好 相反。 [0008] 上述的喷射式仿生水下航行器的工作方式，其特征在于包括以下过程：由于一号 弹性吸水喷水筒、三号弹性吸水喷水筒的单向出水口同时与一号喷管相连；二号弹性吸水 喷水筒、四号弹性吸水喷水筒的单向出水口同时与二号喷管相连：一号弹性吸水喷水筒和 四号弹性吸水喷水筒的吸水排水状态相同：二号弹性吸水喷水筒和三号弹性吸水喷水筒的 吸水排水状态相同：一号弹性吸水喷水筒和二号弹性吸水喷水筒吸水排水状态相反，使得 一号喷管和二号喷管实现连续喷水状态。 [0009]上述的喷射式仿生水下航行器，其特征在于：上述喷管角度调整机构有两套，分别 为喷管上下角度调整机构、喷管左右角度调整机构。一号喷管角度调整机构实现一号喷管 的左右偏摆从而实现航行器偏航角度的调整，二号喷管角度调整机构实现二号喷管的上下 偏摆从而实现航行器的俯仰角度的调整，两套喷管角度调整机构相互配合可实现水下航行 器水下的自由航行。 [0010]上述的喷射式仿生水下航行器，其特征在于：所述喷管通过关节轴承安装于壳体 外；所述喷管角度调整机构包括调节电机、喷管、安装于喷管一端的连接件、一端与调节电 机相连另一端与连接件相连的L形转轴。通过调节电机的转动实现L型转轴与连接块相连 接的部分的偏摆，连接块将喷管与L型转轴固连在一起，从而使得喷管的随着L型转轴一起 摆动。 [0011] 上述的喷射式仿生水下航行器，其特征在于：所述沉浮机构由两套，分别位于喷射 式仿生水下航行器的左右两侧，两个储水袋同时吸水、排水通过改变航行器的整体重量而 实现航行器沉浮，两个储水袋一个进水另一个吸水实现航行器自身的质量分布的变化从而 实现姿态调整，即翻滚角的改变。 [0012]上述的喷射式仿生水下航行器，其特征在于：弹性吸水喷水筒的第二支撑架与壳 体相固定：弹性吸水喷水简的第一支撑架处安装有密封滑块，喷射式仿生水下航行器还包 括与壳体相固定的定位轴：定位轴穿过密封滑块伸入弹性吸水喷水筒中，在弹性筒的伸缩 变形中，固定在筒内的滑块在定位轴上来回滑动以改变筒的容积大小，实现弹性筒的吸水 和喷水。 [0013] 上述的喷射式仿生水下航行器，其特征在于：上述弹性长条第一端和第一支撑架 的连接方式具体如下：上述弹性长条第一端固定在转动连接头上，转动连接头上加工有一 5
CN103950524A 说明书 3/4页 个偏心孔，偏心孔在转动连接头上的位置偏向于弹性筒内部，弹性简被压缩时，弹性长条可 以向着弹性筒外部方向鼓起，小短轴穿过偏心孔后固定在第一支撑架上，当齿条运动压缩 弹性筒时弹性长条将弯曲变形整个弹性筒膨胀鼓起从吸水口将水吸进筒内，弹性长条上间 隔布置的的无弹性绳使得弹性同的最大变形形状固定，同时，同一根轴上的另一个弹性筒 在弹性长条和弹性膜的的变形恢复力作用下由膨胀状态变为正常状态，容积变小使得筒内 的水从出水口喷出。 附图说明 [0014]图1是本发明的单弹性吸水喷水筒式喷射式仿生水下航行器基本原理示意图： 图2是本发明的四弹性吸水喷水筒式喷射式仿生水下航行器的外形前视图； 图3是四弹性吸水喷水筒式水下航行器的俯视剖面图： 图4是四弹性吸水喷水筒式水下航行器的左视剖面图； 图5是四弹性吸水喷水筒式水下航行器的四个弹性筒和回程齿条的空间布置图； 图6是四弹性吸水喷水筒式水下航行器的弹性吸水喷水筒示意图； 图7是四弹性吸水喷水简式水下航行器的航向调整机构的示意图； 图中标号名称：1、壳体，2、传动机构，2-1、一号齿轮齿条机构，2-2、二号齿轮齿条机 构，201、传动电机，202、传动转轴，203、齿轮，204、齿条，3、弹性吸水喷水筒，3-1、一号弹性 吸水喷水筒，3-2、二号弹性吸水喷水筒，3-3、三号弹性吸水喷水筒，3-4、四号弹性吸水喷水 简，301、弹性长条，302、转动连接头，303、支撑架，303-1、第一支撑架，303-2、支撑架，305、 滑块，306、轴，307、薄片，308、弹性膜，309、单向进水口，309-1、一号单向进水口，309-2、二 号单向进水口，309-3、三号单向进水口，309-4、四号单向进水口，310、单向出水口，310-1、 一号单向出水口，310-2、二号单向出水口，310-3、三号单向出水口，310-4、四号单向出水 口，4、推进机构，5、喷管角度调整机构，5-1、一号喷管角度调整机构，5-2、二号喷管角度调 整机构，501、调节电机，502、连接件，503、喷管，503-1、一号喷管，503-2、二号喷管，504、关 节轴承，505，支撑结构、506，导管、507，万向导管、508、L形转轴，6、沉浮机构，601、弹性储 水袋，602、水泵，7、电源及控制系统。 具体实施方式 [0015]以下结合附图对本发明的喷射式仿生水下航行器的具体及时方案进行描述。 [0016]如图1所示，为本发明的单弹性吸水喷水筒式喷射式仿生水下航行器的基本原理 示意图，其包括电机201、齿轮、传动轴202、半齿轮203、齿条204、弹性吸水喷水筒3、喷管 503及喷管角度调整机构5由电机201带动传动轴202上的半齿轮203旋转带动齿条204 来回运动，使得弹性吸水喷水筒交替膨胀与收缩，利用弹性筒的膨胀和收缩以实现从进水 口吸水和喷管503喷水的交替进行。 [0017]如图27所示，本发明的四弹性吸水喷水筒式喷射式仿生水下航行器包括壳体1、 推进机构4、传动机构2、喷管角度调整机构5、沉浮机构6、电源及控制系统7组成。 [0018]壳体1由内壳体、外壳体组成，作用在于航行器零部件的密封与防水，为方便安装 内壳体与外壳体均可由面板通过粘合剂粘合而成，内外壳体的接合处也采用粘合剂粘合， 起到固定与密封的作用，或采用螺钉和密封件加以固定和密封。 6
CN103950524A 说明 书 4/4页 [0019] 推进机构4由四个弹性吸水喷水简3、弹性长条301、转动连接头302、支撑架303、 柔性绳、滑块305、轴306、薄片307、弹性膜308组成，弹性吸水喷水筒的弹性长条301采用 弹性钢片制成，与转动连接头302的连接通过一个卡槽连接在一起，采用螺钉拧紧固定，利 用转动连接头上偏心孔、轴、支撑架303上的孔，通过孔轴的间隙配合将转动连接头与支撑 架连接起来，偏心孔在转动连接头上的位置偏向于弹性筒内部，使得两端的支撑架被压近 时弹性长条向外鼓起，为保证弹性长条最大变形的形状固定，在弹性长条上面间隔的连接 着柔性绳，采用无弹性尼龙绳，可在弹性长条片上加工环形浅槽以固定柔性绳，四个弹性薄 片307采用PVC面板，其固定在支撑架的部分可用粘合剂固定或采用螺钉密封圈固定，其作 用相当于单向阀，连接导管由导管506，万向管507组成，导管506可以采用柔性乳胶管或定 制的铜管，与外壳体的交汇处均采用密封胶密封，喷嘴503采用定制的铜管并连接万向管 507以使其可以实现偏摆。 [0020]传动机构2采用齿轮传动，通过电机201上的齿轮，实现传动轴202的两端固定着 两个半齿轮203，两个半齿轮驱动回程齿条204往复运动，回程齿条的两端与轴306固定从 而驱动弹性简的膨胀和收缩，两个半齿轮在其径向平面上的投影中的齿形没有重合部分， 以实现两端的回程齿条运动方向保持相反，四个弹性简始终保持前后各一个在喷水另外两 个吸水，从而实现航行器的前后两个喷头的持续喷水，同一轴上的两个弹性筒一个蓄能 个释能，利用这样的弹性机制以提高机械效率，且使得驱动电机的负荷的变化趋于平缓。 [0021]沉浮控制及姿态调整机构6，由内外壳体封闭的空间作为储水仓，储水仓内置一个 乳胶支撑的弹性储水袋601由PVC连接管与水泵连接，由另一个PVC连接管一端连接水泵 602另一端连接外界水环境，两个储水袋同时吸水、排水实现航行器沉浮，两个储水袋一个 进水另一个吸水实现姿态调整，即翻滚角的改变。 [0022]喷管角度调整机构5，其支撑件505采用螺栓螺母固定于外壳体上，电机安装在内 壳体上其轴穿过外壳体上的孔，采用密封圈作防水处理，电机的L型转轴508可以采用长轴 电机弯曲而成，或采用连接件连接两段短轴，关节轴承504安装在支撑件505内，作为喷嘴 503偏摆时的支点，其中前部的一号喷管503-1可左右偏摆以实现航行器的偏航，后部的二 号喷管503-2可上下偏摆以实现航行器的俯仰。 [0023]电源及控制系统7，内壳体与外壳体在航行器底部密封了较大的空间用来放置蓄 电池、电机201，蓄电池和电机可作为航行器的压舱物，中部的密封空间可用于放置控制硬 件电路板，以实现航行器运动及空间位姿态调整。 7
CN103950524A 说明书附图 1/4页 309 3 308 306 506 202 201 203 204 图1 503-2 5- 5031 52 图2 8
CN103950524A 说明书附图 2/4页 310-1 309-3 309.3 3104 3103309-3 305 309-43104 图3 6 601 602 202 201 图4 9
CN103950524A 说明书附图 3/4页 3-2 2-1 303 3-1 3-4 204 203 2-2 3-3 图5 309 301 308 303-2 302 305 307 3 310 303-1 图6 10