CN106787936B - 一种仿生蝌蚪运动机构及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生蝌蚪运动机构及其工作方法，仿生蝌蚪包含头部壳体、两个驱动机构、四个圆柱体和尾巴；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左右对称的第一安装平面和第二安装平面；空腔的上部和下部设有对称的第一凸起和第二凸起；两个驱动机构分别设置在第一凸起的端面、第一安装平面之间和第二凸起的端面、第二安装平面之间，用于配合驱动尾巴左右摆动；驱动机构包含压电叠堆和两个预紧装置。工作时，采用有π/2相位差的两组电信号分别激励两个压电叠堆使其产生伸缩变形，激励尾巴上的质点产生椭圆运动，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，尤其涉及一种仿生蝌蚪运动机构及其工作方法。
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，提供一种仿生蝌蚪运动机构及其工作方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种仿生蝌蚪运动机构，包含头部壳体、两个驱动机构、四个圆柱体和尾巴；
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，且较粗的一端设有左右对称的第一安装平面和第二安装平面；
所述头部壳体空腔的上部和下部设有对称的第一凸起和第二凸起，所述第一凸起的端面、第二凸起的端面分别对应第一安装平面、第二安装平面；
所述两个驱动机构中的一个设置在第一凸起的端面和第一安装平面之间，另外一个设置在第二凸起的端面和第二安装平面之间，用于配合驱动尾巴左右摆动；
所述驱动机构包含压电叠堆和两个预紧装置；其中，两个预紧装置的一端分别和压电叠堆的两端固定相连，另一端的端面上均设有V形凹槽；所述两个预紧装置用于调整所述压电叠堆的预紧力；
所述第一安装平面、第二安装平面、第一凸起的端面、第二凸起的端面对应所述两个驱动机构中的V形凹槽设有匹配的V形凹槽，使得所述两个驱动机构和第一安装平面、第二安装平面、第一凸起的端面、第二凸起的端面的相接处形成四个菱形空隙；
所述四个圆柱体分别设置在所述四个菱形空隙中，且四个圆柱体的柱面均和其对应菱形空隙的四个平面相抵，用于缓解调整预紧力时驱动机构中压电叠堆受到的切向力作用。
作为本发明一种仿生蝌蚪运动机构进一步的优化方案，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。
作为本发明一种仿生蝌蚪运动机构进一步的优化方案，所述预紧装置包含两个楔形块和一个螺栓；
所述两个楔形块的斜面相抵，其中一个楔形块的斜面上设有和预紧装置调节方向垂直的通孔，所述通孔的内壁上设有和所述螺栓相匹配的螺纹；另一个楔形块的斜面沿预紧装置调节方向设有供所述螺栓滑动的滑槽；
所述螺栓穿过所述滑槽和所述通孔螺纹连接，通过调节两个楔形块的斜面进行滑动进而调整预紧装置的长度。
作为本发明一种仿生蝌蚪运动机构进一步的优化方案，所述头部壳体采用金属或玻璃钢制成。
作为本发明一种仿生蝌蚪运动机构进一步的优化方案，所述尾巴呈扁平状。
本发明还公开了一种基于该仿生蝌蚪运动机构的工作方法，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所述两个驱动机构中的压电叠堆，使其产生伸缩变形，激励尾巴上的质点做椭圆运动，从而在上述尾巴产生一个弯曲行波；
由于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可避免驻波的形成，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、改变两相信号的电压差实现空间360度运动。
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是本发明中预紧装置的结构示意图；
图4是本发明中预紧装置装配与调节预紧力的原理图；
图5是本发明中尾巴的结构示意图。
图中，1-头部壳体，2-圆柱体，3-压电叠堆，4-预紧装置，5-尾巴，6-V形凹槽。
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，本发明公开了一种仿生蝌蚪运动机构，包含头部壳体、两个驱动机构、四个圆柱体和尾巴。
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。
头部壳体可以采用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，且较粗的一端设有左右对称的第一安装平面和第二安装平面。
头部壳体空腔的上部和下部设有对称的第一凸起和第二凸起，第一凸起的端面、第二凸起的端面分别对应第一安装平面、第二安装平面；
两个驱动机构中的一个设置在第一凸起的端面和第一安装平面之间，另外一个设置在第二凸起的端面和第二安装平面之间，用于配合驱动尾巴左右摆动；
驱动机构包含压电叠堆和两个预紧装置；其中，两个预紧装置的一端分别和压电叠堆的两端固定相连，另一端的端面上均设有V形凹槽；两个预紧装置用于调整压电叠堆的预紧力；
第一安装平面、第二安装平面、第一凸起的端面、第二凸起的端面对应两个驱动机构中的V形凹槽设有匹配的V形凹槽，使得两个驱动机构和第一安装平面、第二安装平面、第一凸起的端面、第二凸起的端面的相接处形成四个菱形空隙；
四个圆柱体分别设置在四个菱形空隙中，且四个圆柱体的柱面均和其对应菱形空隙的四个平面相抵，用于缓解调整预紧力时驱动机构中压电叠堆受到的切向力作用。
如图3所示，预紧装置包含两个楔形块和一个螺栓；两个楔形块的斜面相抵，其中一个楔形块的斜面上设有和预警装置调节方向垂直的通孔，通孔的内壁上设有和螺栓相匹配的螺纹；另一个楔形块的斜面沿预警装置调节方向设有供螺栓滑动的滑槽；螺栓穿过滑槽和通孔螺纹连接。
调节螺栓可以使两个楔形块沿着斜面产生相对滑动，从而改变预紧装置的长度，以此可以改变预紧力。
如图4所示，驱动机构中，压电叠堆设置在两个预紧装置之间，四个圆柱体分别设置对应的四个V形凹槽中，以缓解改变预紧力时压电叠堆受到的切向力作用。
尾巴由可传播振动的材料制成，例如金属。尾巴呈扁平状，为连续变截面结构，越远离头部截面越小
尾巴在与所述通孔接触处的内侧设有弧形台阶，使得尾巴较粗的一端扣在头部壳体的内侧，以保证尾巴在受到X轴正向力时不脱离头部头部壳体，尾巴结构如图5所示。
仿生蝌蚪以硅胶方式密封。头部壳体中剩余空间可放置其他附件已实现不同功能，例如摄像头、红外探测器、小型声呐系统等。
两个压电叠堆安装时呈一定角度，采用两组有π/2相位差的电信号激励。压电叠堆在受到电信号激励时会产生伸缩变形，因为两组电信号之间有π/2相位差且两个压电叠堆之间有一定角度，尾巴上的质点受到激励产生椭圆运动（如图5中所示），椭圆运动随尾巴传播，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改变游动速度，改变两相信号的电压差可实现转向。
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 (6)
1.一种仿生蝌蚪运动机构，其特征在于，包含头部壳体（1）、两个驱动机构、四个圆柱体（2）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，且较粗的一端设有左右对称的第一安装平面和第二安装平面；
所述头部壳体（1）空腔的上部和下部设有对称的第一凸起和第二凸起，所述第一凸起的端面、第二凸起的端面分别对应第一安装平面、第二安装平面；
所述两个驱动机构中的一个设置在第一凸起的端面和第一安装平面之间，另外一个设置在第二凸起的端面和第二安装平面之间，用于配合驱动尾巴（5）左右摆动；
所述驱动机构包含压电叠堆（3）和两个预紧装置（4）；其中，两个预紧装置（4）的一端分别和压电叠堆（3）的两端固定相连，另一端的端面上均设有V形凹槽；所述两个预紧装置（4）用于调整所述压电叠堆（3）的预紧力；
所述第一安装平面、第二安装平面、第一凸起的端面、第二凸起的端面对应所述两个驱动机构中的V形凹槽设有匹配的V形凹槽，使得所述两个驱动机构和第一安装平面、第二安装平面、第一凸起的端面、第二凸起的端面的相接处形成四个菱形空隙；
所述四个圆柱体（2）分别设置在所述四个菱形空隙中，且四个圆柱体（2）的柱面均和其对应菱形空隙的四个平面相抵，用于缓解调整预紧力时驱动机构中压电叠堆（3）受到的切向力作用。
2.根据权利要求1所述的仿生蝌蚪运动机构，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所述的仿生蝌蚪运动机构，其特征在于，所述预紧装置（4）包含两个楔形块和一个螺栓；
所述两个楔形块的斜面相抵，其中一个楔形块的斜面上设有和预紧装置（4）调节方向垂直的通孔，所述楔形块斜面上的通孔的内壁上设有和所述螺栓相匹配的螺纹；另一个楔形块的斜面沿预紧装置（4）调节方向设有供所述螺栓滑动的滑槽；
所述螺栓穿过所述滑槽和所述楔形块斜面上的通孔螺纹连接，通过调节两个楔形块的斜面进行滑动进而调整预紧装置（4）的长度。
4.根据权利要求1所述的仿生蝌蚪运动机构，其特征在于，所述头部壳体（1）采用金属或玻璃钢制成。
5.根据权利要求1所述的仿生蝌蚪运动机构，其特征在于，所述尾巴（5）呈扁平状。
6.基于权利要求1所述的仿生蝌蚪运动机构的工作方法，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所述两个驱动机构中的压电叠堆（3），使其产生伸缩变形，激励尾巴（5）上的质点做椭圆运动，从而在上述尾巴（5）产生一个弯曲行波；
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