基于弹性薄板振型的双腔多向射流驱动器及水下射流机器人

本发明属于小型机器人领域，具体地涉及一种基于弹性薄板振型的双腔多向射流驱动器及水下射流机器人。

背景技术：

1、随着对水域资源开发与保护的不断加强，水域机器人在水下环境探测、设备维护以及信息侦察等相关任务中发挥出越发重要的作用，逐渐成为国内外研究热点。而微小型水下机器人由于具有体积小、运动灵活等优势，能够进入到狭窄的水下环境中开展作业任务，从而表现出广阔的应用前景。然而，受到此类机器人尺寸因素的影响，如何在有限的尺寸范围内实现有效的多自由度运动及运动控制始终是微小型水下机器人研究中的关键技术问题。

2、目前，水下机器人常见的推进方式主要包括螺旋桨推进、喷射推进以及仿生鱼式推进等。然而，这些推进方式普遍存在着驱动机构尺寸偏大、控制方式复杂且无法利用单个驱动单元实现多种推进模式。而基于合成射流的水下推进方式仅需单个射流孔口即可实现驱动，具有结构简单紧凑、易于集成等优势，适用于微小型机器人的水下驱动。不过大多数合成射流驱动器通常采用单腔结构，射流孔口的位置固定，因此仅能在固定方向产生射流，导致其难以根据机器人运动需求灵活调整射流方向，推进方向受限。此外，现有合成射流驱动器大多采用振动薄板的单一振型进行工作，对弹性薄板不同振型特征的利用不足，无法充分发挥不同振型产生不同局部流场的优势。

技术实现思路

1、为了解决现有合成射流驱动器存在的推进方向单一、运动自由度不足等问题，本发明提出一种基于弹性薄板振型的双腔多向射流驱动器及基于该双腔多向射流驱动器的水下射流机器人。

2、本发明的上述目的之一通过以下技术方案来实现：

3、一种基于弹性薄板振型的双腔多向射流驱动器，包括上射流外壳、下射流外壳、振动激励元件以及振动弹性薄板；

4、所述上射流外壳与下射流外壳扣合密封连接，内部形成容纳流体的腔室；所述振动弹性薄板设置于腔室内的中部位置，通过其四边与上、下射流外壳固定连接；所述振动弹性薄板与上射流外壳1组成封闭的上射流腔体，所述振动弹性薄板与下射流外壳组成封闭的下射流腔体；在上射流外壳上至少设置有一与上射流腔体内腔连通的射流孔口，在下射流外壳上至少设置有一与下射流腔体内腔连通的射流孔口；

5、所述振动弹性薄板的板体中部开设有安装口，所述振动激励元件整体嵌入振动弹性薄板的安装口内，并与安装口孔壁密封紧固，使振动激励元件与振动弹性薄板共同组合成为振动执行单元；

6、所述振动激励元件包括激励元件上外壳、激励元件下外壳和偏心旋转质量式电机；所述激励元件上外壳和激励元件下外壳扣合密封连接，内部形成封闭的安装腔，所述偏心旋转质量式电机固定于安装腔内，在激励元件下外壳一侧设置开口，实现与外部控制系统的通信。

7、进一步的，沿上射流外壳的外周方向依次设置四个候选射流孔口，分别为射流孔口

u1、射流孔口

u2、射流孔口

u3、射流孔口

u4，其中射流孔口

u1位于左侧面，射流孔口

u2位于顶面靠近左侧的位置，射流孔口

u3位于顶面靠近右侧的位置，射流孔口

u4位于右侧面；沿下射流外壳的外周方向依次设置四个候选射流孔口，分别为射流孔口

d1、射流孔口

d2、射流孔口

d3、射流孔口

d4；其中射流孔口

d1位于左侧面，射流孔口

d2位于底面靠近左侧的位置，射流孔口

d3位于底面靠近右侧的位置，射流孔口

d4位于右侧面。

8、进一步的，当振动弹性薄板发生变形时，

u1、

u2处于上射流腔体的左侧激励区，

u3、

u4处于上射流腔体的右侧激励区，

d1、

d2处于下射流腔体的左侧激励区，

d3、

d4处于下射流腔体的右侧激励区；处于同一激励区的射流孔口同时产生吸水或排水，而位于不同射流腔体同一侧的两个激励区产生的吸水或排水效果相反。

9、进一步的，所述上射流外壳与下射流外壳通过二者相互适配的整圈阶梯状接触面扣合，并实现密封连接；在上、下射流外壳扣合位置内侧的接合面之间预留有空隙，所述振动弹性薄板的四边被夹紧于空隙内，且振动弹性薄板四边与下射流外壳的内侧结合面粘接固定。

10、进一步的，所述射流驱动器的激励方法为：

11、从上、下射流腔体分别选择一个位置作为射流孔口，形成双射流孔口布置模式；

12、所述双射流孔口布置模式包括

u1

d4布置模式：选择上射流外壳左侧面的射流孔口

u1及下射流外壳右侧面的射流孔口

d4；在该布置模式下，单独激励射流孔口

u1时可实现正向直线运动，单独激励射流孔口

d4时可实现反向直线运动；

13、所述双射流孔口布置模式包括

u2

d4布置模式：选择上射流外壳顶面靠近左侧的射流孔口

u2及下射流外壳右侧面的射流孔口

d4；在该布置模式下，单独激励射流孔口

u2时可实现俯仰姿态的调节，单独激励射流孔口

d4时可实现直线推进；

14、所述双射流孔口布置模式包括

u4

d4布置模式：选择上射流外壳右侧面的射流孔口

u4及下射流外壳右侧面的射流孔口

d4；在该布置模式下，射流孔口

u4和射流孔口

d4均位于右侧激励区，无法单独激励；当同时激励射流孔口

u4和射流孔口

d4时，可实现双射流直线推进；

15、所述双射流孔口布置模式包括

u3

d2布置模式：选择上射流外壳顶面靠近右侧的射流孔口

u3及下射流外壳底面靠近左侧的射流孔口

d2；在该布置模式下，单独激励射流孔口

u3及单独激励射流孔口

d2均能够产生相同方向的旋转力矩，以实现俯仰姿态的调控；当同时激励射流孔口

u3及射流孔口

d2时，则能实现原位的旋转运动。

16、本发明的上述目的之二通过以下技术方案来实现：

17、一种采用上述的基于弹性薄板振型的双腔多向射流驱动器的水下射流机器人，包括一个控制模块以及两个或以上双腔多向射流驱动器；多个双腔多向射流驱动器安装于控制模块周围，并根据水下射流机器人的运动需求配置各双腔多向射流驱动器的射流孔口，利用双腔多向射流驱动器的协同实现水下射流机器人的多自由度运动。

18、进一步的，所述水下射流机器人包括右侧双腔多向射流驱动器、左侧双腔多向射流驱动器以设置于中部的扇形控制模块，整体外观呈扁平型；

19、所述右侧双腔多向射流驱动器和左侧双腔多向射流驱动器均采用

u2

d4模式，

d4孔口通过两侧配合实现推进和方向调控，

u2孔口实现姿态调控。

20、进一步的，所述水下射流机器人包括右侧双腔多向射流驱动器、左侧双腔多向射流驱动器以及柱形控制模块，整体外观呈细长型；

21、所述右侧双腔多向射流驱动器和左侧双腔多向射流驱动器均采用

u2

d4模式，

d4孔口通过两侧配合实现推进和方向调控，

u2孔口实现姿态调控。

22、本发明基于的优点和积极效果：

23、1、本发明提出了一种基于弹性薄板振型的双腔多向射流驱动器，利用上、下两个射流腔体产生多向合成射流，从而能够通过单个合成射流单元实现多向推进，有效提高了合成射流驱动方式的推进灵活性。

24、2、本发明提供了一种基于弹性薄板振型的多向射流激励方法，针对射流孔口的不同布置方式，利用弹性薄板不同振型分别激励不同区域的射流孔口，实现不同射流孔口的可控射流，无需额外执行机构，有效降低了驱动模块的整体尺寸。

25、3、本发明提出了一种基于弹性薄板振型的双腔多向射流驱动器的模块化组合装置，通过多个双腔多向射流驱动模块组合装置，实现了水下机器人的多自由度运动，并具有良好的模块拓展性和替换性。