CN112455637A - 一种压电驱动仿生鳐鱼波动推进器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动仿生鳐鱼波动推进器及其工作方法，仿生鳐鱼波动推进器壳体、以及第一至第三压电振子；壳体包含球鼻艏、上整流板、下整流板、以及第一至第三连接杆；第一至第三压电振子结构相同，均包含纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片和压电复合板。工作时，通过对第一至第三压电振子施加一定频率的具有π/2相位差的驱动信号，激发其压电复合板产生空间上具有π/2相位差的两个B₁₁模态，模态叠加耦合成行波，形成压电复合板边缘的波形推进。通过调整第一至第三压电振子的激励信号，能够实现推进器的前进和转向。本发明结构简单，易于实现微型化设计，在深海机器人等对体积、质量具有严格限制的领域，具有重要的应用前景。

Description

一种压电驱动仿生鳐鱼波动推进器及其工作方法

技术领域

本发明涉及仿生推进器领域，尤其涉及一种压电驱动仿生鳐鱼波动推进器及其工作方法。

背景技术

近年来，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。现有的仿生鱼技术大多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，提供一种压电驱动仿生鳐鱼波动推进器及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种压电驱动仿生鳐鱼波动推进器，包括壳体、以及第一至第三压电振子；

所述壳体包含球鼻艏、上整流板、下整流板、以及第一至第三连接杆；

所述球鼻艏、上整流板、下整流板均为左右对称结构，所述上整流板的前端通过所述球鼻艏和所述下整流板的前端固连；所述第一至第三连接杆均平行设置在上整流板、下整流板之间，两端均分别和上整流板、下整流板固连，其中，第一连接杆和第二连接杆均设置在球鼻艏、第三连接杆之间，且第一连接杆、第二连接杆关于球鼻艏的对称线对称，第三连接杆设置在球鼻艏的对称线上；

所述第一至第三压电振子结构相同，均包含纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片和压电复合板；所述纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片均采用二分区圆环形压电陶瓷片，沿厚度方向极化且两个分区极化方向相反；所述压电复合板呈圆盘状、中心设有通孔，且压电复合板中心通孔的直径小于等于纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片中心通孔的直径；所述纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片分别黏贴于压电复合板上下表面，和压电复合板同轴，且纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片的分区界限相互垂直；

所述第一至第三压电振子的压电复合板位于同一平面、通过其中心通孔分别和所述第一至第三连接杆对应垂直固连，使得第一至第三压电振子纵向压电陶瓷片的分区界限平行于球鼻艏的对称线。

作为本发明一种仿生鳐鱼波动推进器进一步的优化方案，所述压电复合板的边缘为由内到外逐渐变薄的连续变截面结构，用于放大压电复合板的振幅。

作为本发明一种仿生鳐鱼波动推进器进一步的优化方案，所述上整流板、下整流板的外壁均呈流线型。

作为本发明一种仿生鳐鱼波动推进器进一步的优化方案，所述壳体采用高强度塑料或玻璃钢制成。

本发明还公开了一种该仿生鳐鱼波动推进器的工作方法，包含以下步骤：

采用第一信号驱动第一、第二压电振子的纵向压电陶瓷片激发第一、第二压电振子的压电复合板的纵向B₁₁模态，采用第二信号驱动第一、第二压电振子的横向压电陶瓷片激发第一、第二压电振子的压电复合板的横向B₁₁模态；调整第一信号、第二信号使其相位差为π/2，使第一、第二压电振子的压电复合板的纵向B₁₁模态和横向B₁₁模态叠加形成位于压电复合板边缘的行波，因为水对压电复合板振动的阻尼作用大大减弱了压电复合板边缘的行波反射，避免驻波的产生，从而实现推进器的波形推进；如果需要进行反向波形推进，调整调整第一信号、第二信号使其相位差为-π/2即可；

采用第三信号驱动第三压电振子的纵向压电陶瓷片激发其压电复合板的纵向B₁₁模态，采用第四信号驱动第三压电振子的横向压电陶瓷片激发其压电复合板的横向B₁₁模态；调整第三信号、第四信号使其相位差为π/2，能够实现推进器的转向；如果需要反向转向，调整第三信号、第四信号使其相位差为-π/2即可；

采用第五信号驱动第一、第二和第三压电振子的纵向压电陶瓷片激发其压电复合板的纵向B₁₁模态，采用第六信号驱动第一、第二和第三压电振子的横向压电陶瓷片激发其压电复合板的横向B₁₁模态；调整第五信号、第六信号使其相位差为π/2，能够实现推进器的悬停转向；如果需要反向悬停转向，调整第三信号、第四信号使其相位差为-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；

3. 生产成本低，可大量制造。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的剖视示意图；

图3是本发明中壳体的结构示意图；

图4是本发明中压电振子的结构示意图；

图5是本发明中压电复合板的结构示意图；

图6是本发明中纵向压电陶瓷片的极化方向示意图；

图7是本发明中横向压电陶瓷片的极化方向示意图；

图8（a）、图8（b）分别是本发明中第一压电振子的横向B₁₁、纵向B₁₁的位移振型图；

图9是本发明中第一压电振子的工作周期示意图。

其中，1-壳体，2-第一压电振子，3-第二压电振子，4-第三压电振子，1.1-球鼻艏，1.2-上整流板，1.3-下整流板，1.4-第三连接杆，2.1-纵向压电陶瓷片，2.2-横向压电陶瓷片，2.3-压电复合板。

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、图2所示，本发明公开了一种压电驱动仿生鳐鱼波动推进器，包括壳体、以及第一至第三压电振子。

如图3所示，所述壳体包含球鼻艏、上整流板、下整流板、以及第一至第三连接杆；

所述球鼻艏、上整流板、下整流板均为左右对称结构，所述上整流板的前端通过所述球鼻艏和所述下整流板的前端固连；所述第一至第三连接杆均平行设置在上整流板、下整流板之间，两端均分别和上整流板、下整流板固连，其中，第一连接杆和第二连接杆均设置在球鼻艏、第三连接杆之间，且第一连接杆、第二连接杆关于球鼻艏的对称线对称，第三连接杆设置在球鼻艏的对称线上。

如图4所示，所述第一至第三压电振子结构相同，均包含纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片和压电复合板；所述纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片均采用二分区圆环形压电陶瓷片，沿厚度方向极化且两个分区极化方向相反；所述压电复合板呈圆盘状、中心设有通孔，且压电复合板中心通孔的直径小于等于纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片中心通孔的直径；所述纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片分别黏贴于压电复合板上下表面，和压电复合板同轴，且纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片的分区界限相互垂直，如图6、图7所示；

所述第一至第三压电振子的压电复合板位于同一平面、通过其中心通孔分别和所述第一至第三连接杆对应垂直固连，使得第一至第三压电振子纵向压电陶瓷片的分区界限平行于球鼻艏的对称线。

所述压电复合板的边缘为由内到外逐渐变薄的连续变截面结构，用于放大压电复合板的振幅，如图5所示。所述上整流板、下整流板的外壁均呈流线型。所述壳体能够采用任何强度足够的材料制成，例如高强度塑料或玻璃钢。

本发明还公开了一种该仿生鳐鱼波动推进器的工作方法，包含以下步骤：

采用第一信号驱动第一、第二压电振子的纵向压电陶瓷片激发第一、第二压电振子的压电复合板的纵向B₁₁模态，如图8（b）所示，采用第二信号驱动第一、第二压电振子的横向压电陶瓷片激发第一、第二压电振子的压电复合板的横向B₁₁模态，如图8（a）所示；调整第一信号、第二信号使其相位差为π/2，使第一、第二压电振子的压电复合板的纵向B₁₁模态和横向B₁₁模态叠加形成位于压电复合板边缘的行波，因为水对压电复合板振动的阻尼作用大大减弱了压电复合板边缘的行波反射，避免驻波的产生，从而实现推进器的波形推进，图9是本发明中第一压电振子的工作周期示意图；如果需要进行反向波形推进，调整调整第一信号、第二信号使其相位差为-π/2即可；

采用第三信号驱动第三压电振子的纵向压电陶瓷片激发其压电复合板的纵向B₁₁模态，采用第四信号驱动第三压电振子的横向压电陶瓷片激发其压电复合板的横向B₁₁模态；调整第三信号、第四信号使其相位差为π/2，能够实现推进器的转向；如果需要反向转向，调整第三信号、第四信号使其相位差为-π/2即可；

采用第五信号驱动第一、第二和第三压电振子的纵向压电陶瓷片激发其压电复合板的纵向B₁₁模态，采用第六信号驱动第一、第二和第三压电振子的横向压电陶瓷片激发其压电复合板的横向B₁₁模态；调整第五信号、第六信号使其相位差为π/2，能够实现推进器的悬停转向；如果需要反向悬停转向，调整第三信号、第四信号使其相位差为-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 (5)

1.一种压电驱动仿生鳐鱼波动推进器，其特征在于，包括壳体、以及第一至第三压电振子；

所述壳体包含球鼻艏、上整流板、下整流板、以及第一至第三连接杆；

所述球鼻艏、上整流板、下整流板均为左右对称结构，所述上整流板的前端通过所述球鼻艏和所述下整流板的前端固连；所述第一至第三连接杆均平行设置在上整流板、下整流板之间，两端均分别和上整流板、下整流板固连，其中，第一连接杆和第二连接杆均设置在球鼻艏、第三连接杆之间，且第一连接杆、第二连接杆关于球鼻艏的对称线对称，第三连接杆设置在球鼻艏的对称线上；

所述第一至第三压电振子结构相同，均包含纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片和压电复合板；所述纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片均采用二分区圆环形压电陶瓷片，沿厚度方向极化且两个分区极化方向相反；所述压电复合板呈圆盘状、中心设有通孔，且压电复合板中心通孔的直径小于等于纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片中心通孔的直径；所述纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片分别黏贴于压电复合板上下表面，和压电复合板同轴，且纵向压电陶瓷片、横向压电陶瓷片的分区界限相互垂直；

所述第一至第三压电振子的压电复合板位于同一平面、通过其中心通孔分别和所述第一至第三连接杆对应垂直固连，使得第一至第三压电振子纵向压电陶瓷片的分区界限平行于球鼻艏的对称线。

2.根据权利要求1所述的仿生鳐鱼波动推进器，其特征在于，所述压电复合板的边缘为由内到外逐渐变薄的连续变截面结构，用于放大压电复合板的振幅。

3.根据权利要求1所述的仿生鳐鱼波动推进器，其特征在于，所述上整流板、下整流板的外壁均呈流线型。

4.根据权利要求1所述的仿生鳐鱼波动推进器，其特征在于，所述壳体采用高强度塑料或玻璃钢制成。

5.基于权利要求1所述的仿生鳐鱼波动推进器的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

采用第一信号驱动第一、第二压电振子的纵向压电陶瓷片激发第一、第二压电振子的压电复合板的纵向B₁₁模态，采用第二信号驱动第一、第二压电振子的横向压电陶瓷片激发第一、第二压电振子的压电复合板的横向B₁₁模态；调整第一信号、第二信号使其相位差为π/2，使第一、第二压电振子的压电复合板的纵向B₁₁模态和横向B₁₁模态叠加形成位于压电复合板边缘的行波，因为水对压电复合板振动的阻尼作用大大减弱了压电复合板边缘的行波反射，避免驻波的产生，从而实现推进器的波形推进；如果需要进行反向波形推进，调整调整第一信号、第二信号使其相位差为-π/2即可；

采用第三信号驱动第三压电振子的纵向压电陶瓷片激发其压电复合板的纵向B₁₁模态，采用第四信号驱动第三压电振子的横向压电陶瓷片激发其压电复合板的横向B₁₁模态；调整第三信号、第四信号使其相位差为π/2，能够实现推进器的转向；如果需要反向转向，调整第三信号、第四信号使其相位差为-π/2即可；

采用第五信号驱动第一、第二和第三压电振子的纵向压电陶瓷片激发其压电复合板的纵向B₁₁模态，采用第六信号驱动第一、第二和第三压电振子的横向压电陶瓷片激发其压电复合板的横向B₁₁模态；调整第五信号、第六信号使其相位差为π/2，能够实现推进器的悬停转向；如果需要反向悬停转向，调整第三信号、第四信号使其相位差为-π/2即可。

Images