CN106741773B - 一种夹心式压电驱动仿生蝌蚪及其工作方式 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种夹心式压电驱动仿生蝌蚪及其工作方式，仿生蝌蚪包括头部壳体、压电换能器和尾巴；头部壳体内设有空腔、外壁上设有和空腔相通的通孔；尾巴为连续变截面结构，其在空腔内较粗的一端设有螺纹盲孔；压电换能器包含第一金属块、弯振压电陶瓷组件、固定片、纵振压电陶瓷组件、第二金属块和螺栓，通过螺栓和尾巴上的螺纹盲孔螺纹连接，通过固定片和空腔中的两个支架固定连接。工作时，采用有π/2相位差的两组电信号分别激励两组压电陶瓷组件，使换能器分别产生纵振和弯振，纵振和弯振耦合成行波并沿着尾巴传播，从而模拟出蝌蚪游动时尾巴波动运动。本发明结构简单，可实现微型化，控制方便。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器人领域，尤其涉及一种夹心式压电驱动仿生蝌蚪及其工作方式。
背景技术
近年来，南海局势持续升温，我国在南海领域投入了大量的人力物力，以对复杂多变的局势做出快速反应。但是派遣舰艇巡逻的方式不仅需要大量的国防开支，还做不到无遗漏的全天候信息获取。目前，机器仿生鱼已成为一个研究热点，仿生鱼可以成为一个信息获取的工具，持续地在南海巡逻。现有的仿生鱼技术打过是靠多关节串联的摆尾装置驱动，这种方式控制复杂，仿生鱼重量大，结构大；采用人工肌肉驱动的仿生鱼成本高且控制复杂，以上两种技术都不适于实用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种夹心式压电驱动仿生蝌蚪及其工作方式。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种夹心式压电驱动仿生蝌蚪，包括头部壳体、压电换能器和尾巴；
所述头部壳体为球形结构，其内设有空腔，其外壁上设有和所述空腔相通用于安装尾巴的通孔；
所述尾巴为连续变截面结构，其较粗的一端设置在头部壳体的空腔内，较细的一端通过所述通孔伸出头部壳体，较粗的一端无法穿过所述通孔，且较粗的一端设有螺纹盲孔；
所述头部壳体空腔的左边内壁上和右边内壁上分别设有用于固定所述压电换能器的支架；
所述压电换能器包含第一金属块、弯振压电陶瓷组件、固定片、纵振压电陶瓷组件、第二金属块和螺栓；所述第一金属块、弯振压电陶瓷组件、固定片、纵振压电陶瓷组件、第二金属块上均设有所述螺栓穿过的孔；所述螺栓依次穿过所述第一金属块、弯振压电陶瓷组件、固定片、纵振压电陶瓷组件、第二金属块后和所述尾巴上的螺纹盲孔螺纹连接；所述固定片的上端和下端分别和所述头部壳体空腔中的两个支架固定连接；
所述弯振压电陶瓷组件用于产生弯振沿着尾巴传播；
所述纵振压电陶瓷组件用于产生纵振沿着尾巴传播。
作为本发明一种夹心式压电驱动仿生蝌蚪进一步的优化方案，所述尾巴在与所述通孔接触处的内侧设有弧形台阶，用于保证所述尾巴在受力时不脱离上述头部壳体。
作为本发明一种夹心式压电驱动仿生蝌蚪进一步的优化方案，所述头部壳体采用金属或玻璃钢制成。
作为本发明一种夹心式压电驱动仿生蝌蚪进一步的优化方案，所述尾巴呈扁平状。
作为本发明一种夹心式压电驱动仿生蝌蚪进一步的优化方案，所述弯振压电陶瓷组件包含两片弯振陶瓷片和一片电极片，所述两片弯振陶瓷片将电极片夹在中间，每片弯振压电陶瓷片均有左右两个极化方向相反的极化分区，且两片弯振陶瓷片在同一端的极化分区的极化方向相反。
作为本发明一种夹心式压电驱动仿生蝌蚪进一步的优化方案，所述纵振压电陶瓷组件包含两片纵振陶瓷片和一片电极片，所述两片纵振陶瓷片将电极片夹在中间，两片纵振陶瓷片均为单一极化分区，极化方向分别垂直于所述电极片向外。
本发明还公开了一种基于该夹心式压电驱动仿生蝌蚪的工作方法，包含以下具体步骤：
采用有π/2相位差的两组电信号分别激励两组压电陶瓷组件，使换能器分别产生纵振和弯振；
纵振和弯振耦合成行波并沿着尾巴传播，因为水对尾巴振动的阻尼作用，大大减弱了尾巴末端的行波反射避免驻波的产生，从而模拟出蝌蚪游动时尾巴波动运动；
通过改变电压大小改变游动速度，改变弯振压电陶瓷组件的电信号形式实现转向。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 结构简单，便于小型化；
2. 控制方式简单，有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中头部壳体的结构示意图；
图3是本发明中压电换能器的结构示意图；
图4是本发明中尾巴结构示意图；
图5是本发明中纵振压电陶瓷片组件及极化方向示意图；
图6是本发明中弯振压电陶瓷片组件及极化方向示意图；
图7是本发明中压电换能器的振型图。
其中，1-头部壳体，2-螺母，3-螺栓，4-压电换能器，4.1-第一金属块，4.2-弯振压电陶瓷组件，4.3-固定片，4.4-纵振压电陶瓷组件，4.5-第二金属块，4.6-螺栓，5-尾巴，6-电极片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明公开了一种夹心式压电驱动仿生蝌蚪，包括头部壳体、压电换能器和尾巴。
如图2所示，头部壳体为球形结构，其内设有空腔，其外壁上设有和空腔相通用于安装尾巴的通孔。
头部壳体可为任何形式的空腔结构，材料可为任何强度足够的材料，例如金属或玻璃钢。
尾巴为连续变截面结构，其较粗的一端设置在头部壳体的空腔内，较细的一端通过通孔伸出头部壳体，较粗的一端无法穿过通孔，且较粗的一端设有螺纹盲孔。
头部壳体空腔的左边内壁上和右边内壁上分别设有用于固定压电换能器的支架。
如图3所示，压电换能器包含第一金属块、弯振压电陶瓷组件、固定片、纵振压电陶瓷组件、第二金属块和螺栓；第一金属块、弯振压电陶瓷组件、固定片、纵振压电陶瓷组件、第二金属块上均设有螺栓穿过的孔；螺栓依次穿过第一金属块、弯振压电陶瓷组件、固定片、纵振压电陶瓷组件、第二金属块后和尾巴上的螺纹盲孔螺纹连接；固定片的上端和下端分别和头部壳体空腔中的两个支架固定连接；
弯振压电陶瓷组件用于产生弯振沿着尾巴传播；
纵振压电陶瓷组件用于产生纵振沿着尾巴传播。
尾巴为扁平状连续变截面结构，越远离头部截面越小，其在与所述通孔接触处的内侧设有弧形台阶，以保证尾巴在受到X轴正向力时不脱离头部壳体，其结构如图4所示。
如图5所示，纵振压电陶瓷组件包含两片纵振陶瓷片和一片电极片，两片纵振陶瓷片将电极片夹在中间，两片纵振陶瓷片均为单一极化分区，极化方向分别垂直于电极片向外，一片极化方向为X轴正方形，一片为X轴负方向。
如图6所示，弯振压电陶瓷组件包含两片弯振陶瓷片和一片电极片，两片弯振陶瓷片将电极片夹在中间，每片弯振压电陶瓷片均有左右两个极化方向相反的极化分区，且两片弯振陶瓷片在同一端的极化分区的极化方向相反。
仿生蝌蚪采用硅胶或玻璃胶密封。头部壳体中剩余空间可放置其他附件以实现不同功能。例如摄像头、红外探测器、小型声呐系统等。
通过使用有π/2相位差的两组电信号分别激励两组压电陶瓷组件，使换能器分别产生纵振和弯振，其中实线表示纵振模态，虚线表示弯振模态，椭圆箭头表示椭圆轨迹，如图7所示（此处以一阶纵振和二阶弯振为例），使纵振振型的振幅最大处位于压电换能器和尾巴的结合位置，使弯振振型的节点位于压电换能器和尾巴的结合位置，纵振和弯振的耦合使尾巴端部的质点呈现椭圆运动，椭圆运动沿着尾巴传播，从而产生一个行波。因为水对尾巴振动的阻尼作用，大大减弱了尾巴末端的行波反射避免驻波的产生，从而模拟出蝌蚪游动时尾巴波动运动。通过改变电压大小可以改变游动速度，改变弯振压电陶瓷组件的电信号形式可实现转向，如将正弦信号变为半周期信号。本发明结构简单，便于小型化，控制方式简单，有广阔的应用前景。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种夹心式压电驱动仿生蝌蚪，其特征在于，包括头部壳体（1）、压电换能器（4）和尾巴（5）；
所述头部壳体（1）为球形结构，其内设有空腔，其外壁上设有和所述空腔相通用于安装尾巴（5）的通孔；
所述尾巴（5）为连续变截面结构，其较粗的一端设置在头部壳体（1）的空腔内，较细的一端通过所述通孔伸出头部壳体（1），较粗的一端无法穿过所述通孔，且较粗的一端设有螺纹盲孔；
所述头部壳体（1）空腔的左边内壁上和右边内壁上分别设有用于固定所述压电换能器（4）的支架；
所述压电换能器（4）包含第一金属块（4.1）、弯振压电陶瓷组件（4.2）、固定片（4.3）、纵振压电陶瓷组件（4.4）、第二金属块（4.5）和螺栓（4.6）；所述第一金属块（4.1）、弯振压电陶瓷组件（4.2）、固定片（4.3）、纵振压电陶瓷组件（4.4）、第二金属块（4.5）上均设有所述螺栓穿过的孔；所述螺栓（4.6）依次穿过所述第一金属块（4.1）、弯振压电陶瓷组件（4.2）、固定片（4.3）、纵振压电陶瓷组件（4.4）、第二金属块（4.5）后和所述尾巴（5）上的螺纹盲孔螺纹连接；所述固定片的上端和下端分别和所述头部壳体（1）空腔中的两个支架固定连接；
所述弯振压电陶瓷组件（4.2）用于产生弯振沿着尾巴（5）传播；
所述纵振压电陶瓷组件（4.4）用于产生纵振沿着尾巴（5）传播。
2.根据权利要求1所述的夹心式压电驱动仿生蝌蚪，其特征在于，所述尾巴（5）在与所述通孔接触处的内侧设有弧形台阶，用于保证所述尾巴（5）在受力时不脱离上述头部壳体（1）。
3.根据权利要求1所述的夹心式压电驱动仿生蝌蚪，其特征在于，所述头部壳体（1）采用金属或玻璃钢制成。
4.根据权利要求1所述的夹心式压电驱动仿生蝌蚪，其特征在于，所述尾巴（5）呈扁平状。
5.根据权利要求1所述的夹心式压电驱动仿生蝌蚪，其特征在于，所述弯振压电陶瓷组件（4.2）包含两片弯振陶瓷片和一片电极片，所述两片弯振陶瓷片将电极片夹在中间，每片弯振压电陶瓷片均有左右两个极化方向相反的极化分区，且两片弯振陶瓷片在同一端的极化分区的极化方向相反。
6.根据权利要求1所述的夹心式压电驱动仿生蝌蚪，其特征在于，所述纵振压电陶瓷组件（4.4）包含两片纵振陶瓷片和一片电极片，所述两片纵振陶瓷片将电极片夹在中间，两片纵振陶瓷片均为单一极化分区，极化方向分别垂直于所述电极片向外。
7.基于权利要求1所述的夹心式压电驱动仿生蝌蚪的工作方法，其特征在于，包含以下具体步骤：
采用有π/2相位差的两组电信号分别激励两组压电陶瓷组件，使换能器分别产生纵振和弯振；
纵振和弯振耦合成行波并沿着尾巴传播，因为水对尾巴振动的阻尼作用，大大减弱了尾巴末端的行波反射避免驻波的产生，从而模拟出蝌蚪游动时尾巴波动运动；
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