CN103950527A - 仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构，包括曲轴、导杆、摇块、压电复合鳍条、鱼体底座、曲轴支座、驱动电机、电池组和主控制板，所述曲轴设置在曲轴支座上，所述摇块包括销轴和摇块支座，所述销轴设置在摇块支座上，所述曲轴支座和摇块支座固设在鱼体底座上，所述摇块的一端和曲轴间连接导杆，所述驱动电机与曲轴间通过齿轮连接，所述摇块的另一端设置压电复合鳍条，所述电池组提供直流电源，所述主控制板与压电复合鳍条电连接，所述曲轴为四拐曲轴，且四拐曲轴的每个拐轴上均设置导杆。以实现减小结构尺寸和鱼体重量且实现弦向的波动推进的优点。

Description

仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构

技术领域

本发明具体地，涉及一种仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构。

背景技术

鱼类游动灵活、高效，而且没有噪声，其许多优势可以应用于水下科研、勘测、救助等领域。现有采用胸鳍摆动推进模式的仿生鱼样机在运动速度、推进效率、机动性能等方面尚未达到其自然原型的水平，距离实际应用亦存在一定差距。其推进性能有待进一步提升，推进机理研究将会继续深入，鉴于胸鳍摆动推进模式所具有的特质，以及以其为原型研制的仿生鱼的潜在优势和广阔应用前景，采用这一推进模式仿生鱼的研究已经逐渐得到科研人员的重视。

对于鳐鱼游动推进特性，胸鳍运动是运动动力的主要来源，仿生设计的关键在胸鳍结构设计。一般根据仿生实验和游动机理胸鳍可以被分为两类：一是单鳍条驱动的扁平被动柔性鳍面；二是多鳍条复合运动主动控制柔性鳍面。第一类型胸鳍的运动变形和波动特性主要依赖于材料特性和流体作用力，限制了仿生鱼体运动的可控性，可能使仿生设计实体脱离设计原型；而第二类则可以根据运动需求控制鳍面的变形和波动特性，有效增加仿生鳐鱼推进的灵活性，使仿生设计鱼体更加接近于鳐鱼的自然属性。但是柔性鳍面可能出现一些无效形变，或者鳍面波动幅度过小不足以产生足够的推进力，这些问题主要源于选材和驱动方法的设计。

胸鳍推进鳐鱼的动态波分布在鳍面的两个方向即弦向和展向，刚性鳍条只能实现弦向波动，无法实现展向波动，多铰链鳍条虽然满足鳍面推进特性，但是会使结构中包含太多的连接部件和动力源，导致结构太过复杂。为了减少部件和控制电机数量，目前很多研究将压电材料（PZT）、形状记忆合金（SMA）和人工肌肉（IPMC）作为柔性鳍条材料，利用电压和温度变化控制鳍面的运动形成鳍面的波动，但是由于要实现较大较快速的形变响应要求，必须有较高的电压源以及高频变化的电压和温度，同时在推进过程中还要保证克服水阻力影响导致推进力过小的情况。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构，以实现减小结构尺寸和鱼体重量且实现弦向的波动推进的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构，包括曲轴、导杆、摇块、压电复合鳍条、鱼体底座、曲轴支座、驱动电机、电池组和主控制板，所述曲轴设置在曲轴支座上，所述摇块包括销轴和摇块支座，所述销轴设置在摇块支座上，所述曲轴支座和摇块支座固设在鱼体底座上，所述摇块的一端和曲轴间连接导杆，所述驱动电机与曲轴间通过齿轮连接，所述摇块的另一端设置压电复合鳍条，所述电池组提供直流电源，所述主控制板与压电复合鳍条电连接，所述曲轴为四拐曲轴，且四拐曲轴的每个拐轴上均设置导杆。

根据本发明的优选实施例，所述驱动电机上设置电机输出锥齿轮，所述曲轴的一端设置曲轴驱动锥齿轮，所述曲轴驱动锥齿轮在电机输出锥齿轮的带动下转动，从而带动曲轴旋转。

根据本发明的优选实施例，所述导杆包括导杆上接头、导杆体和导杆下接头，所述导杆上接头和导杆下接头采用螺栓连接，所述导杆下接头和导杆体采用螺纹连接。

根据本发明的优选实施例，所述压电复合鳍条包括鳍条基体和压电层，所述压电层设置在鳍条基体的两侧。

根据本发明的优选实施例，所述压电复合鳍条为压电夹层结构，压电层采用压电材料，鳍条基体为硬质塑料，行进过程中两个压电层电压相位差为180度。

根据本发明的优选实施例，所述主控制板包括压电变形控制模块，所述压电变形控制模块包括控制器、功放模块、运放器A1、运放器A2、电容 C2、电容C3、电容C1和摇块角速度传感器，所述摇块角速度传感器和控制器间连接功放模块，所述运放器A1的同相输入端上并联电容C2和电阻R1，所述运放器A2的同相输入端上并联电容C3和电阻R4，所述电容C1和电容C2串联，且电容C1的一端与压电层串联。

根据本发明的优选实施例，所述电容C2=C3，电容C1=Cp ，Cp为压电层电容。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，采用四拐曲轴形成四组曲柄摇块机构的组合运动，避免了鳍条的多动力驱动，有效减小了结构尺寸和鱼体重量；同时曲柄摇块机构大幅增加鳍条的摆角，使鳐鱼胸鳍具有足够的推进，而且四拐曲轴相角的设计初步实现弦向的波动推进；本技术方案鳍条固接在摇块上，鳍条采用压电夹层复合而成，压电材料控制响应快速增加了仿生鳐鱼运动的灵活性，利用双层压电反相驱动变形实现鳍条的大幅展向波动。推进过程中根据摇块摆动角速度和压电层压差实时调整控制电压，以保证仿生鳐鱼的游动特性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构中导杆的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构中销轴的结构示意图；

图4为本发明实施例所述的仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构中压电复合鳍条的结构示意图；

图5为本发明实施例所述的压电变形控制模块的电子电路图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-曲轴，2-导杆，3-摇块，4-压电复合鳍条，5-鱼体底座，6-曲轴支座，7-摇块支座，8-驱动电机，9-电机输出锥齿轮，10-曲轴驱动锥齿轮，11-电池组，12-主控制板，2-1为导杆上接头，2-2为导杆体，2-3为导杆下接头，3-1为销轴，4-1为鳍条基体，4-2为压电层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构，包括曲轴1、导杆2、摇块3、压电复合鳍条4、鱼体底座5、曲轴支座6、驱动电机8、电池组11和主控制板12，曲轴1设置在曲轴支座6上，摇块3包括销轴3-1和摇块支座7，销轴3-1设置在摇块支座7上，曲轴支座6和摇块支座7固设在鱼体底座5上，摇块3的一端和曲轴1间连接导杆2，驱动电机8与曲轴1间通过齿轮连接，摇块3的另一端设置压电复合鳍条4，电池组11提供直流电源，主控制板12与压电复合鳍条4电连接，曲轴1为四拐曲轴，且四拐曲轴的每个拐轴上均设置导杆。

其中，驱动电机8上设置电机输出锥齿轮9，曲轴1的一端设置曲轴驱动锥齿轮10，曲轴驱动锥齿轮10在电机输出锥齿轮9的带动下转动，从而带动曲轴1旋转。

如图2所示，导杆包括导杆上接头、导杆体和导杆下接头，导杆上接头和导杆下接头采用螺栓连接，导杆下接头和导杆体采用螺纹连接。

如图4所示，压电复合鳍条包括鳍条基体和压电层，压电层设置在鳍条基体的两侧。

压电复合鳍条为压电夹层结构，压电层采用压电材料，鳍条基体为硬质塑料，行进过程中两个压电层电压相位差为180度。

压电夹层复合鳍条

4-1为鳍条基体，4-2为压电层

鳍条固接在摇块上，实现鳍条的大角度拍动，产生较大的推动力。鳍条为压电夹层结构，外层采用压电材料，中间层为硬质塑料，行进过程中上下两个压电层电压相位差为180度，实现鳍的大幅度弯曲，通过改变控制电压形成鳍面的仿生学运动特性。

主控制板包括压电变形控制模块，如图5所示，压电变形控制模块包括控制器、功放模块、运放器A1、运放器A2、电容 C2、电容C3、电容C1和摇块角速度传感器，摇块角速度传感器和控制器间连接功放模块，运放器A1的同相输入端上并联电容C2和电阻R1，运放器A2的同相输入端上并联电容C3和电阻R4，电容C1和电容C2串联，且电容C1的一端与压电层串联。其中控制器采用单片机。

电容C2=C3，电容C1=Cp ，Cp为压电层电容。

可以得出压电层压差Vs与鳍条应变成正比，压电层控制电压V是摇块角速度反馈量与Vs的合成。

其具体运动如下：

推进机构设计成以鱼体轴线分布的左右对称结构，推进机构的曲轴1通过曲轴支座6固定在鱼体底座5上，当驱动电机8带动电机输出锥齿轮9将动力传递给曲轴驱动锥齿轮10，带动曲轴1同步转动，与之相连接的导杆2在跟随曲轴1转动的同时，相对摇块3作直线往复运动，摇块3由销轴与摇块支座7组成，摇块支座7用螺钉固定在鱼体底座5上，实现相对鱼体底座5的摆动，从而在鳐鱼推进中形成主推进运动，实现仿生鳐鱼的弦向波动。由于主推进运动零部件刚性较大，采用压电复合鳍条4固结接在摇块3上，增加鳍面柔性，压电复合鳍条4通过施加控制电压达到与主推进运动一致的弯曲变形，形成鱼鳍展向波动。电池组11为驱动电机8和主控制板12提供电源。本技术方案中由于曲轴各拐之间存在相位角，各鳍条不是共面布置，鳍条为整个鳍面推进提供动力，鳍面选用柔性材料制作，鳍面与鱼体采用防水胶粘接保证鱼体可靠密封。

四拐曲轴的相角比较小以保证鳍面比较平整，鳍面的展向波动可以主要通过调整各鳍条控制电压的相位和电压幅值实现，各鳍条控制电压和相角变化由控制器调控。 图5是压电激励反馈控制电路，由两个压电片同步实现结构的变形检测和激励控制。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构，其特征在于，包括曲轴、导杆、摇块、压电复合鳍条、鱼体底座、曲轴支座、驱动电机、电池组和主控制板，所述曲轴设置在曲轴支座上，所述摇块包括销轴和摇块支座，所述销轴设置在摇块支座上，所述曲轴支座和摇块支座固设在鱼体底座上，所述摇块的一端和曲轴间连接导杆，所述驱动电机与曲轴间通过齿轮连接，所述摇块的另一端设置压电复合鳍条，所述电池组提供直流电源，所述主控制板与压电复合鳍条电连接，所述曲轴为四拐曲轴，且四拐曲轴的每个拐轴上均设置导杆。

2.根据权利要求1所述的仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构，其特征在于， 所述驱动电机上设置电机输出锥齿轮，所述曲轴的一端设置曲轴驱动锥齿轮，所述曲轴驱动锥齿轮在电机输出锥齿轮的带动下转动，从而带动曲轴旋转。

3.根据权利要求1或2所述的仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构，其特征在于，所述导杆包括导杆上接头、导杆体和导杆下接头，所述导杆上接头和导杆下接头采用螺栓连接，所述导杆下接头和导杆体采用螺纹连接。

4.根据权利要求1或2所述的仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构，其特征在于，所述压电复合鳍条包括鳍条基体和压电层，所述压电层设置在鳍条基体的两侧。

5.根据权利要求4所述的仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构，其特征在于，所述压电复合鳍条为压电夹层结构，压电层采用压电材料，鳍条基体为硬质塑料，行进过程中两个压电层电压相位差为180度。

6.根据权利要求5所述的仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构，其特征在于，所述主控制板包括压电变形控制模块，所述压电变形控制模块包括控制器、功放模块、运放器A1、运放器A2、电容 C2、电容C3、电容C1和摇块角速度传感器，所述摇块角速度传感器和控制器间连接功放模块，所述运放器A1的同相输入端上并联电容C2和电阻R1，所述运放器A2的同相输入端上并联电容C3和电阻R4，所述电容C1和电容C2串联，且电容C1的一端与上述压电层串联。

7.根据权利要求6所述的仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构，其特征在于，所述电容C2=C3，电容C1=Cp ，Cp为压电层电容。