一種多肌肉組合的仿心臟水下推進(jìn)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種多肌肉組合的仿心臟水下推進(jìn)器，通過彈性連接材料連接兩片IPMC肌肉絲、兩端側(cè)連接電極結(jié)構(gòu)組合裝配成IPMC肌肉單元，對組IPMC肌肉單元串聯(lián)組合裝配組成IPMC肌肉束，不同組的IPMC肌肉束通過并聯(lián)插空連接于圓形組合肌肉支撐板構(gòu)成組合肌肉，組合肌肉多層分布裝配構(gòu)成肌肉組，肌肉組采用動力支撐板層層組合裝配，前端固定活塞板，末端裝配連接于儲水腔及射水腔內(nèi)側(cè)；儲水腔及射水腔中間采用兩腔通道連接，儲水腔的進(jìn)水孔固定于殼體上，射水腔采用結(jié)構(gòu)支撐板固定于支撐桿，其垂直軸線方向布置射水孔。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)方案大噪聲與擾動的問題，相比仿生長鰭波式推進(jìn)具備更高效能。
【專利說明】—種多肌肉組合的仿心臟水下推進(jìn)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種推進(jìn)器，具體地說是仿生水下推進(jìn)器。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，面對嚴(yán)峻的能源短缺問題，海底能源的開發(fā)成為重要的探索領(lǐng)域，考慮到海底工況環(huán)境的復(fù)雜性，水下推進(jìn)方式研究意義重大?，F(xiàn)階段，傳統(tǒng)的機(jī)械螺旋槳式的推進(jìn)方式，具有較大的噪聲，其設(shè)備泄漏對于海洋環(huán)境存在重大的隱患，同時，螺旋槳式的推進(jìn)方式對于海底生態(tài)系統(tǒng)的擾動性較大，故并非海洋水下推進(jìn)的最佳選擇；仿生長鰭波式水下推進(jìn)方式解決了水下生態(tài)環(huán)境的污染及擾動性等問題，然而，其水下推進(jìn)效能較低，仍處于試驗(yàn)研究階段，無法真正將其應(yīng)用于水下推進(jìn)；生物運(yùn)動特性是仿生學(xué)的研究領(lǐng)域，心臟作為人類的動力器官，時刻不停地工作，為機(jī)體提供動力，目前，人類心臟原理的動力模型在裝備的開發(fā)中應(yīng)用的案例較為少見，基于仿生學(xué)的思想，將人類心臟生物原型應(yīng)用于水下動力推進(jìn)的研究是一個創(chuàng)新的嘗試。離子聚合物金屬復(fù)合材料(ionic polymer metalcomposites, IPMC)作為一種綠色高效的電致動材料，其組合驅(qū)動結(jié)構(gòu)的研究，顯著提高了IPMC的應(yīng)用輸出參數(shù)，為仿生心臟的研究提供研究基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供高效能、低噪聲及低擾動性的一種多肌肉組合的仿心臟水下推進(jìn)器。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0005]本發(fā)明一種多肌肉組合的仿心臟水下推進(jìn)器，其特征是:包括殼體、支撐桿、支撐板、推進(jìn)單元，推進(jìn)單元包括進(jìn)水側(cè)、出水側(cè)，進(jìn)水側(cè)包括進(jìn)水殼體、進(jìn)水肌肉組、進(jìn)水動力支撐板、進(jìn)水活塞板，進(jìn)水肌肉組包括組合肌肉支撐板、IPMC肌肉束，IPMC肌肉束包括IPMC肌肉單元，IPMC肌肉單元包括IPMC肌肉絲、導(dǎo)電電極、彈性連接材料，IPMC肌肉絲之間通過彈性連接材料相連，IPMC肌肉絲的端部安裝導(dǎo)電電極，IPMC肌肉單元與IPMC肌肉單元之間通過各自的導(dǎo)電電極相連組成IPMC肌肉束，IPMC肌肉束之間并聯(lián)安裝在組合肌肉支撐板里組成進(jìn)水肌肉組，進(jìn)水肌肉組與進(jìn)水肌肉組之間安裝進(jìn)水動力支撐板，進(jìn)水肌肉組和進(jìn)水動力支撐板安裝在進(jìn)水殼體里，最右端進(jìn)水肌肉組右端安裝進(jìn)水活塞板，出水側(cè)包括出水殼體、出水肌肉組、出水動力支撐板、出水活塞板，出水側(cè)與進(jìn)水側(cè)結(jié)構(gòu)相同，出水殼體、出水肌肉組、出水動力支撐板、出水活塞板分別對應(yīng)進(jìn)水殼體、進(jìn)水肌肉組、進(jìn)水動力支撐板、進(jìn)水活塞板，進(jìn)水活塞板與右側(cè)進(jìn)水殼體之間形成儲水腔，出水活塞板與右側(cè)出水殼體之間形成射水腔，殼體包括相連的半圓殼體和圓柱殼體，圓柱殼體的端部安裝端側(cè)板，支撐桿的一端固定在半圓殼體上，支撐桿的另一端固定在端側(cè)板上，推進(jìn)單元安裝在圓柱殼體里，出水側(cè)位于進(jìn)水側(cè)的內(nèi)側(cè)，出水殼體通過支撐板安裝在支撐桿上，儲水腔和射水腔通過兩腔通道相通，進(jìn)水殼體的儲水腔處設(shè)置進(jìn)水孔，進(jìn)水孔固定在殼體上，出水殼體的射水腔處設(shè)S射水孔，射水孔固定在端側(cè)板上。[0006]本發(fā)明還可以包括:
[0007]1、所述的推進(jìn)單元至少包括兩組，推進(jìn)單元之間沿圓柱殼體的圓周方向均勻布置。
[0008]2、進(jìn)水孔上設(shè)置有閥。
[0009]3、半圓殼體里安裝控制部件，控制部件連接閥和推進(jìn)單元的進(jìn)水肌肉組、出水肌肉組，控制部件控制閥的開啟和關(guān)閉以及進(jìn)水肌肉組、出水肌肉組的伸縮從而射水孔中液體的噴射。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:采用仿生學(xué)的思路將心臟原型結(jié)構(gòu)應(yīng)用的水下推進(jìn)器的動力推進(jìn)，在仿生學(xué)的研究領(lǐng)域，極具創(chuàng)新性；水下推進(jìn)器較傳統(tǒng)推進(jìn)裝備具有顯著低噪聲及低擾動性的優(yōu)點(diǎn)，相比長鰭波式的推進(jìn)效能更高；動力部分采用組合肌肉逐級組合的結(jié)構(gòu)，能夠提高其動力輸出，是一種研究思路的創(chuàng)新；仿心臟水下推進(jìn)器結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，滿足節(jié)能環(huán)保的綠色設(shè)計(jì)理念。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1a為本發(fā)明的仿心臟原理單循環(huán)推進(jìn)結(jié)構(gòu)簡圖a，圖1b為本發(fā)明的仿心臟原理單循環(huán)推進(jìn)結(jié)構(gòu)簡圖b;
[0012]圖2為本發(fā)明的IPMC組合肌肉的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖3為本發(fā)明的IPMC肌肉元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖4a為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖a，圖4b為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖b。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述:
[0016]結(jié)合圖1?4，本發(fā)明主要由動力部分1、水通道部分11、控制及殼體部分III三部分組成；
[0017]殼體18的采用半圓殼體及圓柱殼體裝配連接,半圓殼體內(nèi)布置控制部件16,圓柱殼體布置動力部分I及水通道部分II ;通過4對彈性連接材料15連接兩片IPMC肌肉絲13、兩端側(cè)連接電極14結(jié)構(gòu)組合裝配成IPMC肌肉單元12，對組IPMC肌肉單元12串聯(lián)組合裝配組成IPMC肌肉束11，不同組的IPMC肌肉束11通過并聯(lián)插空連接于圓形組合肌肉支撐板10構(gòu)成組合肌肉1，組合肌肉I多層分布裝配組合與圓形組合肌肉支撐板10的軸心構(gòu)成肌肉組4，肌肉組4采用動力支撐板5層層組合裝配，前端固定活塞板7，末端裝配連接于儲水腔3及射水腔8內(nèi)側(cè)，構(gòu)成動力部分I ;儲水腔3及射水腔8兩腔內(nèi)部端側(cè)裝配動力部分I的各部件，中間采用兩腔通道6連接，儲水腔3的進(jìn)水孔2固定于殼體18上，射水腔8采用結(jié)構(gòu)支撐板17固定于支撐桿19，其垂直軸線方向布置射水孔9，構(gòu)成水通道部分II。
[0018]當(dāng)外界供給驅(qū)動信號，IPMC肌肉絲13彎曲組合實(shí)現(xiàn)IPMC肌肉單元12的收縮運(yùn)動，經(jīng)由IPMC肌肉束11到組合肌肉I的組成傳遞，實(shí)現(xiàn)對肌肉組4的控制；在驅(qū)動周期開始時，通過控制部件對儲水腔3的肌肉組4施加電信號，使肌肉組4帶動活塞板7進(jìn)行收縮，腔內(nèi)壓強(qiáng)減小，水經(jīng)過進(jìn)水孔2進(jìn)入儲水腔3內(nèi)；當(dāng)儲水腔3內(nèi)水達(dá)閥值后，其內(nèi)部肌肉組4帶動活塞板7舒張，同時，射水腔8中的肌肉組4帶動活塞板7收縮，使得射水腔8內(nèi)的壓強(qiáng)增大，水通過兩腔通道6進(jìn)入射水腔8，在控制信號下，射水腔8的肌肉組4舒張，腔內(nèi)壓強(qiáng)增大，水分通過射水孔9噴射出；推進(jìn)器采用四循環(huán)通道的方式進(jìn)行推進(jìn)，通過控制其不同肌肉組4的收縮速度與儲水腔3及射水腔8協(xié)調(diào)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)其水下運(yùn)動推進(jìn)過程。
[0019]結(jié)合圖1?4，動力部分I主要由組合肌肉1、肌肉組4、動力支撐板5、活塞板7、組合肌肉支撐板10、IPMC肌肉束IUIPMC肌肉單元12組成。IPMC肌肉單元12由IPMC肌肉絲13、導(dǎo)電電極14、彈性連接材料15構(gòu)成；彈性連接材料15連接兩片IPMC肌肉絲13，通過四對導(dǎo)電電極14對稱組合結(jié)構(gòu)，裝配成IPMC肌肉單元12，多組IPMC肌肉單元12串聯(lián)連接裝配組成IPMC肌肉束11，IPMC肌肉束11通過并聯(lián)插空連接于圓形組合肌肉支撐板10構(gòu)成組合肌肉1，如圖1俯視圖所示，組合肌肉I對稱于圓形組合肌肉支撐板10的軸心，多層分布裝配組合，構(gòu)成肌肉組4，肌肉組4的上下部分采用動力支撐板5支撐與連接，最下端為活塞板7，作為水動力的推進(jìn)部分，而多級肌肉組4通過動力支撐板5層層裝配連接構(gòu)成動力部分I。并聯(lián)插空的IPMC肌肉束11，節(jié)約的裝配空間；肌肉組4通過中間的動力支撐板5連接逐級組合裝配，提高其動力輸出能力。
[0020]具體工作原理:
[0021]當(dāng)外界供給驅(qū)動信號，IPMC肌肉絲13電壓作用下彎曲，兩側(cè)的IPMC肌肉絲13同時彎曲，實(shí)現(xiàn)IPMC肌肉單元12的收縮運(yùn)動，IPMC肌肉單元12力輸出疊加組合，傳遞給IPMC肌肉束11，經(jīng)由多組IPMC肌肉束11的傳遞實(shí)現(xiàn)組合疊加實(shí)現(xiàn)組合肌肉I的作用力傳遞，多組組合肌肉I疊加組成傳遞給肌肉組4，肌肉組4作用力則經(jīng)由動力支撐板5逐級疊加傳導(dǎo)，最終通過端側(cè)活塞板7進(jìn)行推進(jìn)。
[0022]結(jié)合圖1?4，水通道部分II主要由進(jìn)水孔2、儲水腔3、肌肉組4、動力支撐板5、組合肌肉支撐板10、射水腔8、射水孔9、活塞板7、兩腔通道6、結(jié)構(gòu)支撐板15、結(jié)構(gòu)支撐板17、殼體18組成。儲水腔3及射水腔8內(nèi)部一端側(cè)裝配連接動力部分I的各個部件，儲水腔3與射水腔8通過兩腔通道6連接；儲水腔3的進(jìn)水孔2連接于殼體18，射水腔8采用結(jié)構(gòu)支撐板17固定連接，射水孔9垂直分布在射水腔8的軸線上。通過兩腔組合的方式，在推進(jìn)器工作時，儲水腔3實(shí)施儲水，射水腔8進(jìn)行噴射水，兩者協(xié)調(diào)配合，提高推進(jìn)工作的效率；射水孔9及進(jìn)水孔2采用單向閥結(jié)構(gòu)，通過控制部件，實(shí)現(xiàn)對其開閉噴射。
[0023]具體工作原理:
[0024]控制部件發(fā)送控制信號，控制多個肌肉組4的收縮運(yùn)動，肌肉組4帶動活塞板7的收縮運(yùn)動使得外側(cè)儲水腔3內(nèi)的壓強(qiáng)增大，此時，控制進(jìn)水孔2閥門打開，水進(jìn)入儲水腔3 ;在下一個信號脈沖中，肌肉組4伸張，推動并壓縮活塞板7，使得內(nèi)側(cè)儲水腔3內(nèi)壓強(qiáng)逐漸增大，同時，射水腔8中的肌肉組4進(jìn)行收縮，使得射水腔9內(nèi)壓強(qiáng)減小，利用壓力關(guān)系變化，水通過兩腔通道6壓入射水腔8中，此時儲水腔3帶動活塞板7繼續(xù)收縮進(jìn)行下個周期的儲水；通過控制信號控制射水腔8的肌肉組4伸張，使得腔內(nèi)壓強(qiáng)增大，經(jīng)由活塞板7推動水流自射水孔9緩慢地射出，4對射水孔水流噴水的配合關(guān)系，推動水下推進(jìn)器前進(jìn)。
[0025]結(jié)合圖4，控制及殼體部分III主要由殼體18、結(jié)構(gòu)支撐板17、支撐桿19、控制部件16組成。殼體18是有半圓殼體及圓柱殼體組成，控制部件16裝配于半圓殼體處，動力部分I及水通道部分II的部件分布于圓柱殼體內(nèi)部，中心軸線方向安裝支撐桿19，用于連接端側(cè)板及結(jié)構(gòu)支撐板17 ;結(jié)構(gòu)支撐板17與支撐桿19主要作用是支撐各個射水腔，保證其工作過程的平穩(wěn)性?？刂撇糠?4主要選用單片機(jī)等微型控制元件，采用閉環(huán)電路設(shè)計(jì)思想進(jìn)行運(yùn)動控制；通過發(fā)出不同的控制信號，可以實(shí)現(xiàn)肌肉組4的收縮速度，使得活塞板7的吸壓水的速度及射水腔8與儲水腔3的協(xié)調(diào)工作關(guān)系進(jìn)行控制。
【權(quán)利要求】
1.一種多肌肉組合的仿心臟水下推進(jìn)器，其特征是:包括殼體、支撐桿、支撐板、推進(jìn)單元，推進(jìn)單元包括進(jìn)水側(cè)、出水側(cè)，進(jìn)水側(cè)包括進(jìn)水殼體、進(jìn)水肌肉組、進(jìn)水動力支撐板、進(jìn)水活塞板，進(jìn)水肌肉組包括組合肌肉支撐板、IPMC肌肉束，IPMC肌肉束包括IPMC肌肉單元，IPMC肌肉單元包括IPMC肌肉絲、導(dǎo)電電極、彈性連接材料，IPMC肌肉絲之間通過彈性連接材料相連，IPMC肌肉絲的端部安裝導(dǎo)電電極，IPMC肌肉單元與IPMC肌肉單元之間通過各自的導(dǎo)電電極相連組成IPMC肌肉束，IPMC肌肉束之間并聯(lián)安裝在組合肌肉支撐板里組成進(jìn)水肌肉組，進(jìn)水肌肉組與進(jìn)水肌肉組之間安裝進(jìn)水動力支撐板，進(jìn)水肌肉組和進(jìn)水動力支撐板安裝在進(jìn)水殼體里，最右端進(jìn)水肌肉組右端安裝進(jìn)水活塞板，出水側(cè)包括出水殼體、出水肌肉組、出水動力支撐板、出水活塞板,出水側(cè)與進(jìn)水側(cè)結(jié)構(gòu)相同，出水殼體、出水肌肉組、出水動力支撐板、出水活塞板分別對應(yīng)進(jìn)水殼體、進(jìn)水肌肉組、進(jìn)水動力支撐板、進(jìn)水活塞板，進(jìn)水活塞板與右側(cè)進(jìn)水殼體之間形成儲水腔，出水活塞板與右側(cè)出水殼體之間形成射水腔，殼體包括相連的半圓殼體和圓柱殼體，圓柱殼體的端部安裝端側(cè)板，支撐桿的一端固定在半圓殼體上，支撐桿的另一端固定在端側(cè)板上，推進(jìn)單元安裝在圓柱殼體里，出水側(cè)位于進(jìn)水側(cè)的內(nèi)側(cè)，出水殼體通過支撐板安裝在支撐桿上，儲水腔和射水腔通過兩腔通道相通，進(jìn)水殼體的儲水腔處設(shè)置進(jìn)水孔，進(jìn)水孔固定在殼體上，出水殼體的射水腔處設(shè)置射水孔，射水孔固定在端側(cè)板上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多肌肉組合的仿心臟水下推進(jìn)器，其特征是:所述的推進(jìn)單元至少包括兩組，推進(jìn)單元之間沿圓柱殼體的圓周方向均勻布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多肌肉組合的仿心臟水下推進(jìn)器，其特征是:進(jìn)水孔上設(shè)置有閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多肌肉組合的仿心臟水下推進(jìn)器，其特征是:半圓殼體里安裝控制部件，控制部件連接閥和推進(jìn)單元的進(jìn)水肌肉組、出水肌肉組，控制部件控制閥的開啟和關(guān)閉以及進(jìn)水肌肉組、出水肌肉組的伸縮從而射水孔中液體的噴射。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多肌肉組合的仿心臟水下推進(jìn)器，其特征是:半圓殼體里安裝控制部件，控制部件連接閥和推進(jìn)單元的進(jìn)水肌肉組、出水肌肉組，控制部件控制閥的開啟和關(guān)閉以及進(jìn)水肌肉組、出水肌肉組的伸縮從而射水孔中液體的噴射。
【文檔編號】B63H11/04GK103935495SQ201410174637
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】趙剛, 孫壯志, 趙華興, 饒宇, 郭華君, 隋智陽, 喬東潘, 李芳 , 王好軍, 畢紅時 申請人:哈爾濱工程大學(xué)