一种基于管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种基于管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人，该机器人由脉冲喷射机构和两个转向推进机构组成，其中脉冲喷射机构实现储水‑喷水‑储水‑喷水的重复过程，采用脉冲式喷射推进方式实现机器人运动；两个转向推进机构的结构相同，第一转向推进机构实现向右转向，第二转向推进机构实现向左转向。脉冲喷射机构是通过管状折纸结构的轴向伸缩来实现储水和喷水功能，管状折纸结构采用齿轮齿条机构驱动实现管状折纸结构的轴向伸缩，转向推进机构采用流线型半圆鱼鳍结构作往复摆动实现转向推进功能，鱼鳍结构是通过摆动导杆机构实现往复摆动。本发明专利技术是具有结构简单、推进速度快和转向灵活等优点的新型水下机器人。

【技术实现步骤摘要】
一种基于管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人
本专利技术涉及一种基于管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人，可实现深水快速游动，属于水下探测领域，主要应用于海洋生物考察、海底勘探、水下机器人、微型仿生机器人等高尖端科学

技术介绍
水下机器人的研发随着人类探索水下世界、开发水下资源逐渐加快的步伐得到了较快的发展，其中对具有推力大、瞬时加速性能好的脉冲喷射式推进器的研究正受到越来越多的关注。现多数水下脉冲喷射式机器人利用形状记忆合金丝驱动，优点是结构简单、体积小，但推进力小、响应速度慢，只能用于低速推进。折纸结构是近几十年发展起来的新型空间结构形式，近年来基于刚性折纸的可折叠结构在工程和设计中的应用越来越广泛。折纸结构的空间可展性使得结构在需要使用时，可以展开至工作状态，工作完毕后可以收回到折叠状态。折纸结构可以方便地在现场展开成形，因而适用范围很广，应用于生活、军事、医学、土木工程、航天工程等领域。管状折纸结构是一种由具有折痕的薄片组装成管状结构，通过折展进行重构，形成具有不同构型和力学性能的空间机构。管状折纸结构可通过折纸结构的可重构特性获取多种不同的截面形状，其具有不同的力学性能，沿不同的方向进行拉伸和弯曲变形。管状折纸结构是采用折纸艺术思想，同一薄片材料制成的、可在制造平面之外运动的一种新的柔性机构类型，可以实现如伸缩、弯曲和翻转等运动，具有仿生软体动物变形的功能。管状折纸结构具有的结构特点，不但使其加工过程简单、经济，加工材料种类多、成本低，且在设备空间受限时，能够满足设计需求。管状折纸结构在进行圆管轴向的折叠和展开运动的过程中管内体积不断改变，类似于动物体内的薄膜结构，这种特性很符合水下推进器的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人，所设计的水下机器人具有结构简单、瞬时加速快、转向灵活、响应速度快等优点。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术设计的水下机器人组成如图1所示，由脉冲喷射单元1和转向单元2组成，脉冲喷射单元1采用脉冲式喷射方式实现机器人的推进运动，图1(a)表示脉冲喷射单元1处于储水状态，图1(b)表示脉冲喷射单元1处于喷水状态，脉冲喷射单元重复储水-喷水-储水-喷水过程，则可实现脉冲式喷射推进；转向单元2利用鱼鳍摆动原理实现机器人的转向，图1(c)、(d)分别表示转向单元2作摆动运动使得水下机器人实现转向。所述脉冲喷射单元1的功能由脉冲喷射机构实现，脉冲喷射机构如图2所示，脉冲喷射机构由单向阀3、喷射结构4、齿轮齿条机构5、第一支撑结构10组成。喷射结构4包括密封板8、管状折纸结构9。管状折纸结构9由若干个直线排列折纸单元14组成，折纸单元14由平面折纸13的8个板块①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧沿折痕HE、AE、EI、FB、FJ、FG、GC、GH、GK、HD、HM折叠而成，其中实线表示的AD、BC、DH、AE、EF、FB、CG、GH、HM、MI、IE、FJ、JK、GK在折叠过程中向外凸出，虚线表示的HE、AB、IJ、FG、CD、KM在折叠过程中向里凹陷，折纸单元14的板块①和⑤、②和⑥、③和⑦、④和⑧之间形成的4个夹角α均相等。当夹角α增大时，折纸单元14会通过折痕的折展产生伸张，折纸单元14的伸张使得管状折纸结构9产生伸张，则管状折纸结构9的腔内体积增大；当夹角α减小时，折纸单元14会通过折痕的折展产生压缩，折纸单元14的压缩使得管状折纸结构9产生压缩，则管状折纸结构9的腔内体积减小。也就是说，当夹角α不同时，管状折纸结构的折展程度不同，α决定了管状折纸结构的折展程度和腔内体积大小，夹角α越大，腔内体积越大。这就说明折纸单元14在折展过程中会产生内部体积变化，所以管状折纸结构9能通过折纸单元14的折展变化来实现储水和喷水功能。当管状折纸结构9一端固定，另一端受力拉伸时，夹角α增大，内部体积增大，水流从开口进入，可实现储水；当管状折纸结构9一端固定，另一端受力压缩时，夹角α减小，内部体积减小，水流从开口喷出，可实现喷水，所以，脉冲喷射机构可通过管状折纸结构的轴向伸缩来实现储水和喷水功能。采用密封板8布置于管状折纸结构9前后两端，形成管状折纸结构9的腔内密闭。采用齿轮齿条机构5实现管状折纸结构9的轴向伸缩，如图2所示，齿轮6与第一支撑结构10的电机输出轴固定联接，当电机转动时，齿轮6带动齿条7作往复直线运动。齿条左端与管状折纸结构左端相连，齿条7的往复运动使得管状折纸结构9伸缩，也就是说，管状折纸结构9是通过齿条7实现驱动进行轴向伸缩。当齿轮6逆时针转动时，齿条7沿X反方向运动，管状折纸结构9轴向收缩，水流从腔内向外喷出，安装于左端密封板8的单向阀3受腔内水流挤压作用，阀口封闭，水从第一支撑结构10的喷水口13喷出，实现喷水；当齿轮6顺时针转动时，齿条沿X正方向运动，管状折纸结构9轴向伸张，水流从腔外进入腔内，单向阀3受腔外水流挤压作用，阀口开放，水从单向阀3进入管状折纸结构9腔内，实现储水。第一支撑结构10与管状折纸结构右端相连，第一支撑结构10包括电机布置孔11、喷水口13、夹紧块12，夹紧块12用于支撑齿条右端并使得其与齿轮能紧密啮合。所述转向单元2的功能由两个结构相同的转向推进机构实现，第一转向推进机构16实现向右转向，第二转向推进机构17实现向左转向。转向推进机构如图3所示，由摆动导杆机构22和第二支撑结构18组成，摆动导杆机构22包括鱼鳍结构26、曲柄24和滑块25。转向推进机构是采用流线型半圆鱼鳍结构26作往复摆动实现转向功能，其工作原理为：曲柄24一端与第二支撑结构18的电机输出轴固定联接，另一端与滑块25连接，滑块25方形口与鱼鳍结构26贯穿连接，当电机转动时，曲柄24绕电机输出轴作回转运动，滑块25沿鱼鳍结构26长杆作往复直线运动，带动鱼鳍结构26在水下作往复摆动，也就是说，鱼鳍结构26是通过摆动导杆机构22实现往复摆动，产生转向推进所需动力。第二支撑结构18包括单向阀连接口19、齿条连接口20、进水口21和电机布置口23，当管状折纸结构9与第二支撑结构18连接并进行储水时，水流由进水口21流向单向阀连接口19，通过单向阀3进入管状折纸结构9腔内。所述水下机器人结构设计示意图如图4所示，由脉冲喷射机构27、转向推进机构29组成。水下机器人的结构特点是管状折纸结构9进行往复直线伸缩运动，喷水口13喷射水流推动水下机器人作脉冲式直线运动；转向推进机构的鱼鳍结构作往复摆动使水下机器人作转向运动。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：(1)本专利技术设计的水下机器人，利用管状折纸结构在折展变化过程中的管内体积变化实现储水和喷水功能，具有储水量大、脉冲喷射速度快、瞬时加速大、游动速度快等特点；(2)本专利技术设计的水下机器人，采用摆动导杆机构实现鱼鳍结构的往复摆动实现转向，具有结构简单、转向灵活的特点；(3)本专利技术的水下机器人，采用齿轮齿条的传动方式驱动管状折纸结构，使得管状折纸结构的轴向运动具有运动平稳、驱动力大、响应速度快的优点。附图说明图1是水下机器人运动原理图；图2是水下机器人脉冲喷射机构；图3是水下机器人转向推进机构；图4是水下机器人结构设计示意图。图1中，1、脉冲喷射单元，2、转向单元；图2中，3、单向阀，4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人，其特征在于，由脉冲喷射机构和两个转向推进机构组成，其中脉冲喷射机构实现储水‑喷水‑储水‑喷水的重复过程，采用脉冲式喷射推进方式实现机器人运动；两个转向推进机构的结构相同，第一转向推进机构实现向右转向，第二转向推进机构实现向左转向。

【技术特征摘要】
1.一种基于管状折纸结构的脉冲喷射式水下机器人，其特征在于，由脉冲喷射机构和两个转向推进机构组成，其中脉冲喷射机构实现储水-喷水-储水-喷水的重复过程，采用脉冲式喷射推进方式实现机器人运动；两个转向推进机构的结构相同，第一转向推进机构实现向右转向，第二转向推进机构实现向左转向。2.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，脉冲喷射机构是通过管状折纸结构的轴向伸缩来实现储水和喷水功能，管状折纸结构由若干个直线排列折纸单元组成，折纸单元在折展过程中会产生内部体积变化，管状折纸结构能通过折纸单元的折展变化来实现储水和喷水功能，当管状折纸结构一端固定，另一端受力拉伸时，内部体积增大，水流从开口进入，可实现储水；当管状折纸结构一端固定，另一端受力压缩时，内部体积减小，水流从开口喷出，可实现喷水，所以，脉冲喷射机构可通过管状折纸结构的轴向伸缩来实现储水和喷水功能，推动水下机...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡俊峰，程亮亮，梁龙，林茂虎，赵鑫赢，何建康，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西,36