CN112061348B - 一种贴片式压电驱动仿生蝠鲼及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种贴片式压电驱动仿生蝠鲼及其驱动方法，仿生蝠鲼包括包括腹部板、柔性鳍模块和压电换能器；腹部板呈矩形板状；柔性鳍模块包含第一至第二横向鳍、以及第一至第二纵向鳍，分别对应设在腹部板的四条边上；压电换能器设置在腹部板上，包含第一纵向压电陶瓷片、第二纵向压电陶瓷片和横向压电陶瓷片。工作时，采用有π/2相位差的两组电信号分别激励压电换能器，分别产生纵向二阶弯曲振动和横向一阶弯曲振动，叠加耦合成行波，形成柔性鳍的波形推进。本发明结构简单，易于实现微型化，控制简便。

Description

一种贴片式压电驱动仿生蝠鲼及其驱动方法
技术领域
本发明涉及仿生机器人领域，尤其涉及一种贴片式压电驱动仿生蝠鲼及其驱动方法。
背景技术
近年来，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，提供一种贴片式压电驱动仿生蝠鲼及其驱动方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种贴片式压电驱动的仿生蝠鲼，包括腹部板、柔性鳍模块和压电换能器；
所述腹部板呈矩形板状，包含第一至第二长边、以及第一至第二短边；
所述柔性鳍模块包含第一至第二横向鳍、以及第一至第二纵向鳍，均采用弹性模量小于腹部板的柔性材料制成；
所述第一至第二横向鳍、以及第一至第二纵向鳍均为五边形，均包含长度相等的第一至第二长斜边、底边、以及长度相等的第一至第二短斜边，第一长斜边、第二长斜边、第二短斜边、底边、第一短斜边依次首位相连；
所述第一至第二横向鳍、第一至第二纵向鳍的第一短斜边长度相等；
所述第一横向鳍、第二横向鳍的底边分别和腹部板的第一长边、第二长边长度相等且对应固连，第一纵向鳍、第二纵向鳍的底边分别和腹部板的第一短边、第二短边长度相等且对应固连，且第一横向鳍的第二短斜边和第一纵向鳍的第一短斜边固连、第一纵向鳍的第二短斜边和第二横向鳍的第一短斜边固连、第二横向鳍的第二短斜边和第二纵向鳍的第一短斜边固连、第二纵向鳍的第二短斜边和第一横向鳍的第一短斜边固连；
所述压电换能器设置在腹部板上，包含第一纵向压电陶瓷片、第二纵向压电陶瓷片和横向压电陶瓷片；
所述横向压电陶瓷片设置在所述腹部板的中心、为单一极化分区压电陶瓷片，其极化方向垂直于腹部板向外，用于使腹部板产生横向弯曲振动，带动第一横向鳍、第二横向鳍产生横向的一阶弯曲振动；
所述第一纵向压电陶瓷片和第二纵向压电陶瓷片均为单一极化分区压电陶瓷片、极化方向垂直于腹部板向外；第一纵向压电陶瓷片、第二纵向压电陶瓷片均设置在腹部板上，且在纵向上对称设置在横向压电陶瓷片两侧，用于配合使腹部板产生纵向弯曲振动，带动第一纵向鳍、第二纵向鳍产生纵向的二阶弯曲振动。
作为本发明一种贴片式压电驱动的仿生蝠鲼进一步的优化方案，所述第一至第二横向鳍、第一至第二纵向鳍中，除底边以外的边缘的厚度均由内朝外逐渐变小。
作为本发明一种贴片式压电驱动的仿生蝠鲼进一步的优化方案，所述腹部板采用金属或玻璃钢制成。
本发明还公开了一种该贴片式压电驱动的仿生蝠鲼的驱动方法，包含如下步骤：
采用第一电信号激励第一、第二纵向压电陶瓷片，同时采用第二电信号激励横向压电陶瓷片，第一电信号、第二电信号的相位差为π/2，使腹部板产生沿纵向的二阶弯曲振动、带动第一纵向鳍、第二纵向鳍产生纵向的二阶弯曲振动，同时使腹部板产生沿横向的一阶弯曲振动、带动第一横向鳍、第二横向鳍产生沿腹部板纵向的一阶弯曲振动，纵向的二阶弯曲振动和纵向的一阶弯曲振动叠加形成纵向的行波，实现水中的波形推进；
如果需要仿生蝠鲼实现水中反向的波形推进，调整第一电信号、第二电信号的相位差为-π/2即可。
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是本发明中腹部板的结构示意图；
图3是本发明中压电换能器的结构示意图；
图4（a）、图4（b）分别是本发明中第一横向鳍、第一纵向鳍的侧视图；
图5是本发明中第一、第二纵向压电陶瓷片及极化方向示意图；
图6是本发明中横向压电陶瓷片及极化方向示意图；
图7（a）、图7（b）分别是本发明中产生的纵向二阶弯曲振动、横向一阶弯曲振动的振型图。
其中，1-腹部板，2-柔性鳍模块，3-压电换能器，3.1-第一纵向压电陶瓷片，3.2-横向压电陶瓷片，3.3第二纵向压电陶瓷片。
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：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本发明公开了一种贴片式压电驱动的仿生蝠鲼，包括腹部板、柔性鳍模块和压电换能器。
如图2所示，所述腹部板呈矩形板状，包含第一至第二长边、以及第一至第二短边。腹部板可为任何形式的板结构，材料可为任何强度足够的材料，例如金属或玻璃钢。
所述柔性鳍模块包含第一至第二横向鳍、以及第一至第二纵向鳍，均采用弹性模量小于腹部板的柔性材料制成；
所述第一至第二横向鳍、以及第一至第二纵向鳍均为五边形，均包含长度相等的第一至第二长斜边、底边、以及长度相等的第一至第二短斜边，第一长斜边、第二长斜边、第二短斜边、底边、第一短斜边依次首位相连；
所述第一至第二横向鳍、第一至第二纵向鳍的第一短斜边长度相等；
所述第一横向鳍、第二横向鳍的底边分别和腹部板的第一长边、第二长边长度相等且对应固连，第一纵向鳍、第二纵向鳍的底边分别和腹部板的第一短边、第二短边长度相等且对应固连，且第一横向鳍的第二短斜边和第一纵向鳍的第一短斜边固连、第一纵向鳍的第二短斜边和第二横向鳍的第一短斜边固连、第二横向鳍的第二短斜边和第二纵向鳍的第一短斜边固连、第二纵向鳍的第二短斜边和第一横向鳍的第一短斜边固连。
如图3所示，所述压电换能器设置在腹部板上，包含第一纵向压电陶瓷片、第二纵向压电陶瓷片和横向压电陶瓷片；
所述横向压电陶瓷片设置在所述腹部板的中心、为单一极化分区压电陶瓷片，其极化方向垂直于腹部板向外，如图5所示，用于使腹部板产生横向弯曲振动，带动第一横向鳍、第二横向鳍产生横向的一阶弯曲振动；
所述第一纵向压电陶瓷片和第二纵向压电陶瓷片均为单一极化分区压电陶瓷片、极化方向垂直于腹部板向外，如图6所示；第一纵向压电陶瓷片、第二纵向压电陶瓷片均设置在腹部板上，且在纵向上对称设置在横向压电陶瓷片两侧，用于配合使腹部板产生纵向弯曲振动，带动第一纵向鳍、第二纵向鳍产生纵向的二阶弯曲振动。
如图4（a）、图4（b）所示，所述第一至第二横向鳍、第一至第二纵向鳍中，除底边以外的边缘的厚度均由内朝外逐渐变小。
仿生蝠鲼可采用硅胶或玻璃胶密封。腹部板上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。
本发明还公开了一种该贴片式压电驱动的仿生蝠鲼的驱动方法，包含如下步骤：
采用第一电信号激励第一、第二纵向压电陶瓷片，同时采用第二电信号激励横向压电陶瓷片，第一电信号、第二电信号的相位差为π/2，使腹部板产生沿纵向的二阶弯曲振动、带动第一纵向鳍、第二纵向鳍产生纵向的二阶弯曲振动，如图7（a）所示，同时使腹部板产生沿横向的一阶弯曲振动、带动第一横向鳍、第二横向鳍产生沿腹部板纵向的一阶弯曲振动，如图7（b）所示，纵向的二阶弯曲振动和一阶弯曲振动叠加形成纵向的行波，实现水中的波形推进；
如果需要仿生蝠鲼实现水中反向的波形推进，调整第一电信号、第二电信号的相位差为-π/2即可。
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 (4)

1.一种贴片式压电驱动的仿生蝠鲼，其特征在于，包括腹部板、柔性鳍模块和压电换能器；
所述腹部板呈矩形板状，包含第一至第二长边、以及第一至第二短边；
所述柔性鳍模块包含第一至第二横向鳍、以及第一至第二纵向鳍，均采用弹性模量小于腹部板的柔性材料制成；
所述第一至第二横向鳍、以及第一至第二纵向鳍均为五边形，均包含长度相等的第一至第二长斜边、底边、以及长度相等的第一至第二短斜边，第一长斜边、第二长斜边、第二短斜边、底边、第一短斜边依次首位相连；
所述第一至第二横向鳍、第一至第二纵向鳍的第一短斜边长度相等；
所述第一横向鳍、第二横向鳍的底边分别和腹部板的第一长边、第二长边长度相等且对应固连，第一纵向鳍、第二纵向鳍的底边分别和腹部板的第一短边、第二短边长度相等且对应固连，且第一横向鳍的第二短斜边和第一纵向鳍的第一短斜边固连、第一纵向鳍的第二短斜边和第二横向鳍的第一短斜边固连、第二横向鳍的第二短斜边和第二纵向鳍的第一短斜边固连、第二纵向鳍的第二短斜边和第一横向鳍的第一短斜边固连；
所述压电换能器设置在腹部板上，包含第一纵向压电陶瓷片、第二纵向压电陶瓷片和横向压电陶瓷片；
所述横向压电陶瓷片设置在所述腹部板的中心、为单一极化分区压电陶瓷片，其极化方向垂直于腹部板向外，用于使腹部板产生横向弯曲振动，带动第一横向鳍、第二横向鳍产生横向的一阶弯曲振动；
所述第一纵向压电陶瓷片和第二纵向压电陶瓷片均为单一极化分区压电陶瓷片、极化方向垂直于腹部板向外；第一纵向压电陶瓷片、第二纵向压电陶瓷片均设置在腹部板上，且在纵向上对称设置在横向压电陶瓷片两侧，用于配合使腹部板产生纵向弯曲振动，带动第一纵向鳍、第二纵向鳍产生纵向的二阶弯曲振动。
2.根据权利要求1所述的贴片式压电驱动的仿生蝠鲼，其特征在于，所述第一至第二横向鳍、第一至第二纵向鳍中，除底边以外的边缘的厚度均由内朝外逐渐变小。
3.根据权利要求1所述的贴片式压电驱动的仿生蝠鲼，其特征在于，所述腹部板采用金属或玻璃钢制成。
4.基于权利要求1所述的贴片式压电驱动的仿生蝠鲼的驱动方法，其特征在于，包含如下步骤：
采用第一电信号激励第一、第二纵向压电陶瓷片，同时采用第二电信号激励横向压电陶瓷片，第一电信号、第二电信号的相位差为π/2，使腹部板产生沿纵向的二阶弯曲振动、带动第一纵向鳍、第二纵向鳍产生纵向的二阶弯曲振动，同时使腹部板产生沿横向的一阶弯曲振动、带动第一横向鳍、第二横向鳍产生沿腹部板纵向的一阶弯曲振动，纵向的二阶弯曲振动和纵向的一阶弯曲振动叠加形成纵向的行波，实现水中的波形推进；
如果需要仿生蝠鲼实现水中反向的波形推进，调整第一电信号、第二电信号的相位差为-π/2即可。
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