上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（专利资料）水下仿生（2014）一种多肌肉组合的仿心脏水下推进器.pdf_大学文库

CN103935495A 权利要求书 1/1页 1.一种多肌肉组合的仿心脏水下推进器，其特征是：包括壳体、支撑杆、支撑板、推进单元，推进单元包括进水侧、出水侧，进水侧包括进水壳体、进水肌肉组、进水动力支撑板、进水活塞板，进水肌肉组包括组合肌肉支撑板、IPMC肌肉束，IPC肌肉束包括IPMC肌肉单元，IPMC肌肉单元包括IPMC肌肉丝、导电电极、弹性连接材料，IPMC肌肉丝之间通过弹性连接材料相连，IPMC肌肉丝的端部安装导电电极，IPMC肌肉单元与IPMC肌肉单元之间通过各自的导电电极相连组成IPMC肌肉束，IPMC肌肉束之间并联安装在组合肌肉支撑板里组成进水肌肉组，进水肌肉组与进水肌肉组之间安装进水动力支撑板，进水肌肉组和进水动力支撑板安装在进水壳体里，最右端进水肌肉组右端安装进水活塞板，出水侧包括出水壳体、出水肌肉组、出水动力支撑板、出水活塞板，出水侧与进水侧结构相同，出水壳体、出水肌肉组、出水动力支撑板、出水活塞板分别对应进水壳体、进水肌肉组、进水动力支撑板、进水活塞板，进水活塞板与右侧进水壳体之间形成储水腔，出水活塞板与右侧出水壳体之间形成射水腔，壳体包括相连的半圆壳体和圆柱壳体，圆柱壳体的端部安装端侧板，支撑杆的一端固定在半圆壳体上，支撑杆的另一端固定在端侧板上，推进单元安装在圆柱壳体里，出水侧位于进水侧的内侧，出水壳体通过支撑板安装在支撑杆上，储水腔和射水腔通过两腔通道相通，进水壳体的储水腔处设置进水孔，进水孔固定在壳体上，出水壳体的射水腔处设置射水孔，射水孔固定在端侧板上。 2.根据权利要求1所述的一种多肌肉组合的仿心脏水下推进器，其特征是：所述的推进单元至少包括两组，推进单元之间沿圆柱壳体的圆周方向均匀布置。 3.根据权利要求1或2所述的一种多肌肉组合的仿心脏水下推进器，其特征是：进水孔上设置有阀。 4.根据权利要求1或2所述的一种多肌肉组合的仿心脏水下推进器，其特征是：半圆壳体里安装控制部件，控制部件连接阀和推进单元的进水肌肉组、出水肌肉组，控制部件控制阀的开启和关闭以及进水肌肉组、出水肌肉组的伸缩从而射水孔中液体的喷射。 5.根据权利要求3所述的一种多肌肉组合的仿心脏水下推进器，其特征是：半圆壳体里安装控制部件，控制部件连接阀和推进单元的进水肌肉组、出水肌肉组，控制部件控制阀的开启和关闭以及进水肌肉组、出水肌肉组的伸缩从而射水孔中液体的喷射。 2

CN103935495A 说明书 1/4页一种多肌肉组合的仿心脏水下推进器技术领域 [0001] 本发明涉及的是一种推进器，具体地说是仿生水下推进器。背景技术 [0002] 当前，面对严峻的能源短缺问题，海底能源的开发成为重要的探索领域，考虑到海底工况环境的复杂性，水下推进方式研究意义重大。现阶段，传统的机械螺旋桨式的推进方式，具有较大的噪声，其设备泄漏对于海洋环境存在重大的隐患，同时，螺旋桨式的推进方式对于海底生态系统的扰动性较大，故并非海洋水下推进的最佳选择：仿生长鳍波式水下推进方式解决了水下生态环境的污染及扰动性等问题，然而，其水下推进效能较低，仍处于试验研究阶段，无法真正将其应用于水下推进：生物运动特性是仿生学的研究领域，心脏作为人类的动力器官，时刻不停地工作，为机体提供动力，目前，人类心脏原理的动力模型在装备的开发中应用的案例较为少见，基于仿生学的思想，将人类心脏生物原型应用于水下动力推进的研究是一个创新的尝试。离子聚合物金属复合材料(ionic polymer metal composites,IPMC)作为一种绿色高效的电致动材料，其组合驱动结构的研究，显著提高了 IPMC的应用输出参数，为仿生心脏的研究提供研究基础。发明内容 [0003] 本发明的目的在于提供高效能、低噪声及低扰动性的一种多肌肉组合的仿心脏水下推进器。 [0004]本发明的目的是这样实现的： [0005]本发明一种多肌肉组合的仿心脏水下推进器，其特征是：包括壳体、支撑杆、支撑板、推进单元，推进单元包括进水侧、出水侧，进水侧包括进水壳体、进水肌肉组、进水动力支撑板、进水活塞板，进水肌肉组包括组合肌肉支撑板、IPMC肌肉束，IPMC肌肉束包括IPMC 肌肉单元，IPMC肌肉单元包括IPMC肌肉丝、导电电极、弹性连接材料，IPMC肌肉丝之间通过弹性连接材料相连，IPMC肌肉丝的端部安装导电电极，IPWC肌肉单元与IPMC肌肉单元之间通过各自的导电电极相连组成IPMC肌肉束，IPMC肌肉束之间并联安装在组合肌肉支撑板里组成进水肌肉组，进水肌肉组与进水肌肉组之间安装进水动力支撑板，进水肌肉组和进水动力支撑板安装在进水壳体里，最右端进水肌肉组右端安装进水活塞板，出水侧包括出水壳体、出水肌肉组、出水动力支撑板、出水活塞板，出水侧与进水侧结构相同，出水壳体、出水肌肉组、出水动力支撑板、出水活塞板分别对应进水壳体、进水肌肉组、进水动力支撑板、进水活塞板，进水活塞板与右侧进水壳体之间形成储水腔，出水活塞板与右侧出水壳体之间形成射水腔，壳体包括相连的半圆壳体和圆柱壳体，圆柱壳体的端部安装端侧板，支撑杆的一端固定在半圆壳体上，支撑杆的另一端固定在端侧板上，推进单元安装在圆柱壳体里，出水侧位于进水侧的内侧，出水壳体通过支撑板安装在支撑杆上，储水腔和射水腔通过两腔通道相通，进水壳体的储水腔处设置进水孔，进水孔固定在壳体上，出水壳体的射水腔处设置射水孔，射水孔固定在端侧板上。 3

CN103935495A 说明书 2/4页 [0006] 本发明还可以包括： [0007] 1、所述的推进单元至少包括两组，推进单元之间沿圆柱壳体的圆周方向均匀布置。 [0008] 2、进水孔上设置有阀。 [0009] 3、半圆壳体里安装控制部件，控制部件连接阀和推进单元的进水肌肉组、出水肌肉组，控制部件控制阀的开启和关闭以及进水肌肉组、出水肌肉组的伸缩从而射水孔中液体的喷射。 [0010]本发明的优势在于：采用仿生学的思路将心脏原型结构应用的水下推进器的动力推进，在仿生学的研究领域，极具创新性：水下推进器较传统推进装备具有显著低噪声及低扰动性的优点，相比长鳍波式的推进效能更高：动力部分采用组合肌肉逐级组合的结构，能够提高其动力输出，是一种研究思路的创新：仿心脏水下推进器结构简单、维护方便，满足节能环保的绿色设计理念。附图说明 [o011]图1a为本发明的仿心脏原理单循环推进结构简图a,图1b为本发明的仿心脏原理单循环推进结构简图b; [0012] 图2为本发明的IPMC组合肌肉的结构示意图； [0013] 图3为本发明的IPMC肌肉元结构示意图： [0014] 图4a为本发明的结构示意图a,图4b为本发明的结构示意图b。具体实施方式 [0015] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述： [0016] 结合图1~4，本发明主要由动力部分I、水通道部分II、控制及壳体部分II三部分组成； [0017] 壳体18的采用半圆壳体及圆柱壳体装配连接，半圆壳体内布置控制部件16，圆柱壳体布置动力部分I及水通道部分II:通过4对弹性连接材料15连接两片IPMC肌肉丝13、两端侧连接电极14结构组合装配成IPMC肌肉单元12，对组IPMC肌肉单元12串联组合装配组成IPMC肌肉束11，不同组的IPMC肌肉束11通过并联插空连接于圆形组合肌肉支撑板 10构成组合肌肉1，组合肌肉1多层分布装配组合与圆形组合肌肉支撑板10的轴心构成肌肉组4，肌肉组4采用动力支撑板5层层组合装配，前端固定活塞板7，末端装配连接于储水腔3及射水腔8内侧，构成动力部分I:储水腔3及射水腔8两腔内部端侧装配动力部分I 的各部件，中间采用两腔通道6连接，储水腔3的进水孔2固定于壳体18上，射水腔8采用结构支撑板17固定于支撑杆19，其垂直轴线方向布置射水孔9，构成水通道部分II。 [0018]当外界供给驱动信号，IPMC肌肉丝13弯曲组合实现IPMC肌肉单元12的收缩运动，经由IPMC肌肉束11到组合肌肉1的组成传递，实现对肌肉组4的控制：在驱动周期开始时，通过控制部件对储水腔3的肌肉组4施加电信号，使肌肉组4带动活塞板7进行收缩，腔内压强减小，水经过进水孔2进入储水腔3内：当储水腔3内水达阀值后，其内部肌肉组 4带动活塞板7舒张，同时，射水腔8中的肌肉组4带动活塞板7收缩，使得射水腔8内的压强增大，水通过两腔通道6进入射水腔8，在控制信号下，射水腔8的肌肉组4舒张，腔内压 4

CN103935495A 说明书 3/4页强增大，水分通过射水孔9喷射出；推进器采用四循环通道的方式进行推进，通过控制其不同肌肉组4的收缩速度与储水腔3及射水腔8协调运动，实现其水下运动推进过程 [0019]结合图1~4，动力部分I主要由组合肌肉1、肌肉组4、动力支撑板5、活塞板7、组合肌肉支撑板10、IPMC肌肉束11、IPMC肌肉单元12组成。IPMC肌肉单元12由IPMC肌肉丝13、导电电极14、弹性连接材料15构成：弹性连接材料15连接两片IPMC肌肉丝13，通过四对导电电极14对称组合结构，装配成IPMC肌肉单元12，多组IPMC肌肉单元12串联连接装配组成IPC肌肉束11，IPMC肌肉束11通过并联插空连接于圆形组合肌肉支撑板10 构成组合肌肉1，如图1俯视图所示，组合肌肉1对称于圆形组合肌肉支撑板10的轴心，多层分布装配组合，构成肌肉组4，肌肉组4的上下部分采用动力支撑板5支撑与连接，最下端为活塞板7，作为水动力的推进部分，而多级肌肉组4通过动力支撑板5层层装配连接构成动力部分I。并联插空的IPMC肌肉束11，节约的装配空间；肌肉组4通过中间的动力支撑板5连接逐级组合装配，提高其动力输出能力。 [0020]具体工作原理： [00211 当外界供给驱动信号，IPMC肌肉丝13电压作用下弯曲，两侧的IPMC肌肉丝13同时弯曲，实现IPMC肌肉单元12的收缩运动，IPMC肌肉单元12力输出叠加组合，传递给IPMC 肌肉束11，经由多组IPMC肌肉束11的传递实现组合叠加实现组合肌肉1的作用力传递，多组组合肌肉1叠加组成传递给肌肉组4，肌肉组4作用力则经由动力支撑板5逐级叠加传导，最终通过端侧活塞板7进行推进。 [0022]结合图1~4，水通道部分II主要由进水孔2、储水腔3、肌肉组4、动力支撑板5、组合肌肉支撑板10、射水腔8、射水孔9、活塞板7、两腔通道6、结构支撑板15、结构支撑板 17、壳体18组成。储水腔3及射水腔8内部一端侧装配连接动力部分I的各个部件，储水腔3与射水腔8通过两腔通道6连接：储水腔3的进水孔2连接于壳体18，射水腔8采用结构支撑板17固定连接，射水孔9垂直分布在射水腔8的轴线上。通过两腔组合的方式，在推进器工作时，储水腔3实施储水，射水腔8进行喷射水，两者协调配合，提高推进工作的效率：射水孔9及进水孔2采用单向阀结构，通过控制部件，实现对其开闭喷射。 [0023]具体工作原理： [0024]控制部件发送控制信号，控制多个肌肉组4的收缩运动，肌肉组4带动活塞板7的收缩运动使得外侧储水腔3内的压强增大，此时，控制进水孔2阀门打开，水进入储水腔3；在下一个信号脉冲中，肌肉组4伸张，推动并压缩活塞板7，使得内侧储水腔3内压强逐渐增大，同时，射水腔8中的肌肉组4进行收缩，使得射水腔9内压强减小，利用压力关系变化，水通过两腔通道6压入射水腔8中，此时储水腔3带动活塞板7继续收缩进行下个周期的储水：通过控制信号控制射水腔8的肌肉组4伸张，使得腔内压强增大，经由活塞板7推动水流自射水孔9缓慢地射出，4对射水孔水流喷水的配合关系，推动水下推进器前进。 [0025]结合图4，控制及壳体部分III主要由壳体18、结构支撑板17、支撑杆19、控制部件16组成。壳体18是有半圆壳体及圆柱壳体组成，控制部件16装配于半圆壳体处，动力部分I及水通道部分II的部件分布于圆柱壳体内部，中心轴线方向安装支撑杆19，用于连接端侧板及结构支撑板17：结构支撑板17与支撑杆19主要作用是支撑各个射水腔，保证其工作过程的平稳性。控制部分14主要选用单片机等微型控制元件，采用闭环电路设计思想进行运动控制：通过发出不同的控制信号，可以实现肌肉组4的收缩速度，使得活塞板7 5