CN112886857A - 一种摆动鳍压电驱动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摆动鳍压电驱动装置，包括底板，底板的工作面上设有圆环状的压电换能器，与压电换能器同心设置转动组件，转动组件连接板簧，板簧的末端转动连接桨；压电换能器和转动组件挤压所述板簧使其呈弯曲状，从而为板簧提供预压力；在所述板簧的摆动方向上对称设有限位挡块，以限制该板簧的摆动幅度；压电换能器被施加电信号后产生微幅震动，为受压弯曲的板簧提供激励，实现板簧在摆动幅度内的往复运动，进而带动桨完成划水动作。本发明还公开了一种驱动方法：为一组或两组压电陶瓷片上施加电信号，激励出压电换能器的二阶面内弯振模态，使受压弯曲的板簧在压电换能器的激励下进行旋转，并带动装置运动。

Description

一种摆动鳍压电驱动装置及方法

技术领域

本发明涉及压电换能器领域，尤其涉及一种摆动鳍压电驱动装置及方法。

背景技术

无人潜航器是没有人驾驶、靠遥控或自动控制在水下航行的器具，主要 指那些代替潜水员或载人小型潜艇进行深海探测、救生、排除水雷等高危险 性水下作业的智能化系统。因此，无人潜航器也被称为“潜水机器人”或“水 下机器人”。无人潜航器一般都由骨架及浮体、推进系统、航行控制系统以及 探测系统等部分组成,一些无人潜航器上还配有机械手等机构。

无人水下潜航器分为自主潜航器AUV和遥控潜航器ROV。AUV与母船无 连接，依靠自身携带的动力以及机器智能自主地完成预定任务；ROV有作业 能力强、作业时间不受能源限制等独有优势，非常适合水下长时间复杂定点 作业。压电作动器是一种工作于高频微振动状态的新型电机，其工作原理为 利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体产生微幅振动，再通过能量传递转 换为动子的宏观运动。

传统的无人潜航器推进装置在深海运用中存在结构复杂、封密性问题和 耐压性问题，并且不利于装置的小型化。同时，对于螺旋桨推进的侦察技术 已经十分成熟，在情报侦察中更容易被发现。

因此，针对自主潜航器和遥控潜航器各自的功用和特点，一种微小型自 主潜航器(AUV)的深海推进压电驱动装置及驱动方法亟待研究。

发明内容

针对背景技术提出的问题，本发明公开一种摆动鳍压电驱动装置及方法， 旨在提出一种结构简单、小型化、反侦察能力强的推进装置。

一种摆动鳍压电驱动装置，包括底板，底板的工作面上设有圆环状的压电 换能器，与压电换能器同心设置转动组件，转动组件连接板簧，该板簧关于 该转动组件的中轴线对称设置，板簧的末端转动连接桨；板簧上设有呈圆形 倒角的接触面，并通过该接触面抵接压电换能器的内径表面，压电换能器和 转动组件挤压板簧使其呈弯曲状，从而为板簧提供预压力；在板簧的摆动方 向上对称设有限位挡块，以限制板簧的摆动幅度；

压电换能器被施加电信号后产生微幅震动，为受压弯曲的板簧提供激励， 以带动转动组件和桨转动，实现压电驱动装置的运动。

作为优选，压电换能器包括圆环状金属基体，金属基体的外径表面上设 有关于其圆心中心对称的压电陶瓷片，压电陶瓷片沿厚度方向极化、极化方 向指向圆心。

作为优选，金属基体的外径表面上开有方形槽，压电陶瓷片对应设置在 方形槽内，数量为四个，压电换能器呈中心对称。

作为优选，板簧包括板尾、板体和板翼，板尾和板体为矩形板，该板尾 一侧连接转动组件，另一侧连接板体，板体向上延伸形成板翼，该板翼为直 角状拐形薄板，板翼的尾端固定连接中空的圆柱体。

作为优选，转动组件与板尾之间设有橡胶，用于调节所述板簧的变形度， 以调节预压力的大小，并且为板簧碰到限位挡块后改变弯曲方向提供弹性空 间。

作为优选，桨包括桨叶和限位板，该桨叶铆接在板翼上；限位板包括连 接板翼的带有凹槽的矩形块和固定连接在该矩形块两侧的条形分支，该分支 分别为倾斜状和直角状，在桨叶转动时限制桨叶的转动范围，使桨叶在往复 运动时保持较高的划水效率。

作为优选，转动组件包括螺母、中心轴、聚四氟乙烯环、垫片和上下转 环；中心轴为一段带有螺纹的圆柱体，中心轴固定在底板中央；聚四氟乙烯 环根据大小不同分为小聚四氟乙烯环和大聚四氟乙烯环，该小聚四氟乙烯环 与中心轴间隙配合；大聚四氟乙烯环套在小聚四氟乙烯环的外径上，形成一 组聚四氟乙烯小型轴承；垫片为圆环状，根据安装位置不同分为上垫片和下 垫片，下垫片过盈配合安装在中心轴上，位于底板和下转环之间，上垫片过 盈配合安装在中心轴上，位于下转环和上转环之间；下转环和上转环均同轴 心安装在两组大聚四氟乙烯环的外表面，并与其过盈配合。

本发明还公开一种摆动鳍压电驱动方法：关于圆心呈中心对称的两片压 电陶瓷片为一组，为一组和/或两组压电陶瓷片施加电信号，激励出压电换能 器的二阶面内弯振模态，使受压弯曲的板簧在压电换能器的激励下进行旋转， 带动装置运动。

作为优选，为两组压电陶瓷片施加相同的电信号，板簧位于振幅的波峰 波谷区域，两个板簧速度相同，方向相反转动，带动装置直线运动，在碰到 限位挡块后，立即调转方向，实现装置的直线往复运动。

作为优选，为一组压电陶瓷片施加电信号，利用振幅的波峰处相对于Z 轴的偏转，使两个板簧在可转动范围中受到振子激励大小不对称以产生速度 差，两侧的推力大小不平衡，实现装置的转向。

有益效果：

1.本发明公开的装置仅由底板、转动组件、限位挡块、压电换能器等器件 组成，结构简单，便于小型化；

2.本发明公开的装置为全开放式结构，无需考虑密封和强度问题；

4.本发明公开的装置采用压电换能器驱动板簧振动，通过板簧振动过程中 发生的形变进而产生的惯性力运动，提出了一种利用惯性力作为压电换能器 能量传递介质的方法，相较于现有的驱动方法，环境适应性强，电磁兼容性 好；

5.本发明公开的装置通过调节限位挡块的位置以限制板簧的转动范围，并 通过板簧与限位挡块的碰撞使板簧可以换向运动，实现整体装置的往复运动， 灵活性强；

6.本发明公开的装置通过控制对压电换能器施加电压即可以改变装置的 运动方式，装置的改变驱动速度和改变方向的速度快，机动性强；

7.本发明公开的装置采用桨叶在水里划桨推进，结合装置的小体型，使其 反侦察能力更强；

8.本发明公开的装置使用单项驱动，一个频率的电信号即可实现前进和 左右转向，控制简单。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的装置结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的底板结构示意图

图3为本发明的一个实施例的压电换能器结构示意图；

图4为本发明的一个实施例的压电换能器的金属基体结构示意图；

图5为本发明的一个实施例的板簧结构示意图；

图6为本发明的一个实施例的桨结构示意图；

图7为本发明的一个实施例的转动组件结构示意图；

图8为本发明的一个实施例的夹持橡胶结构示意图；

图9为本发明的一个实施例的限位挡块结构示意图；

图10为本发明的一个实施例的压电陶瓷片的极化方向和施加电信号示意 图；

图11为本发明的一个实施例的装置直线运动时振动模态的示意图；

图12为本发明的一个实施例的装置转向运动时振动模态的示意图；

图13为本发明的一个实施例的板簧转动的原理图；

图14为本发明的一个实施例的板簧改变弯曲方向的原理图。

附图标记：1压电换能器、1.1金属基体、1.2压电陶瓷片、2板簧、2.1第 一板簧、2.2第二板簧、2.3板尾、2.4板体、2.5板翼、3接触面、4桨、4.1 桨叶、4.2限位板、4.3铆钉、5转动组件、5.1小聚四氟乙烯环、5.2中心 轴、5.3上垫片、5.4大聚四氟乙烯环、5.5下转环、5.6下垫片、5.7上转环、 5.8螺母、6夹持橡胶、7底板、7.1固定通孔、7.2圆弧形槽、7.3中心通孔、8限位挡块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明结合自主潜航器和遥控潜航器各自的功用和特点，结合压电作动 器的性能，提出了运用于侦察和信息采集的微小型自主潜航器(AUV)的深海 推进压电驱动装置及方法，利用惯性力作为压电换能器能量传递介质的方法， 并采用划桨的方式提供装置运行的推进力。

如图1所示，为本发明的装置结构示意图。

本发明公开了一种摆动鳍压电驱动装置，包括压电换能器1、板簧2、桨 4、底板7、限位挡块8、转动组件5和夹持橡胶6。结合图2所示，为该装置 的底板结构示意图。底板7为矩形板，以底板7的中心为圆心，在圆心处开 有中心通孔7.3。围绕圆心设有关于Z轴对称的圆弧形槽7.2，在底板7的四 个对角处开有固定通孔7.1。在该底板7的工作面设有圆环状的压电换能器1， 与该压电换能器1同心设置转动组件5，转动组件5的中心轴固定在底板7的中心通孔7.3内，转动组件5的半径小于圆弧形槽7.2到圆心的距离。转动组 件5连接板簧2，板簧2转动连接桨4。板簧2上设有呈圆形倒角的接触面3， 并通过该接触面3抵接所述压电换能器1的内径表面，压电换能器1和所述 转动组件5挤压板簧2使其呈弯曲状，从而为板簧2提供预压力。在板簧2 的摆动方向上对称设有限位挡块8，以限制该板簧2的摆动幅度，限位挡块8 通过螺栓连接在圆弧形槽7.2内，限位挡块8优选个数为4个，并可以在圆弧 形槽7.2内滑动以调节限位挡块8的位置。压电换能器1的外侧设有固定其位 置的夹持橡胶6，夹持橡胶6与位于底板7对角的固定通孔7.1过盈连接。

如图3所示，为本发明的压电换能器的结构示意图。压电换能器1包括 圆环形金属基体1.1和压电陶瓷片1.2。结合图4所示，为本发明的金属基体 结构示意图，金属基体1.1的外径所在表面上开有四个方形槽，四个方形槽关 于圆心中心对称，四个压电陶瓷片1.2对应设置在方形槽内，并且沿厚度方向 极化，极化方向指向圆心。压电换能器关于关心中心对称。

如图5所示，为本发明的板簧结构示意图。板簧2分为第一板簧2.1和第 二板簧2.2，均由板尾2.3、板体2.4、板翼2.5固定连接组成。板尾2.3为矩 形板，板尾2.3一侧连接转动组件5，另一侧连接板体2.4；板体2.4为切掉一 个矩形块的矩形板，板体2.4的一侧和板翼2.5固定连接，另一侧呈圆形倒角， 初始状态板体2.4受压弯曲，并与压电换能器1的金属基体1.1内侧相抵接； 板翼2.5为直角状拐形薄板，薄板的一端和板体2.4固定连接，另一端连接圆 柱体，在圆柱体中心设置有通孔，以便桨4的安装。第一板簧2.1的板尾2.3、 板体2.2与第二板簧2.2的板尾2.3、板体2.4对应相同，第一板簧2.1的板翼 2.5的直角边长度小于第二板簧2.2的板翼2.5的直角边长度。板簧2的板体 2.4远离板尾2.1的一端设有接触面3，用于与压电换能器1的内径表面接触。

如图6所示，为本发明的桨的结构示意图。桨包括桨叶4.1、铆钉4.3和 限位板4.2。两片桨叶4.1通过铆钉4.3分别铆接在第一板簧2.1和第二板簧 2.2的板翼2.5的圆柱体通孔内，铆钉4.3和板翼2.5的通孔间隙配合。限位板 4.2包括矩形块和分支。矩形块贯穿连接在板簧2的板翼2.5上，矩形块两侧 固定连接在凹型槽状分支。两个分支一支为倾斜状，另一只为直角状，分别 安装在板翼的两端，当桨叶4.1在摆动时限位板4.2可以控制桨叶4.1的摆动 动作，进而使桨4在水下能提供足够的驱动力。桨叶4.1在来回滑动的一个循 环当中，推力做功要大于阻力做功，整个系统才会移动，板簧2在顺时针摆 动时，由于水的阻力，会使桨4紧挨着限位板4.2上方，从而拨水效率降低， 在逆时针时拨水效率增加。

如图7所示，为本发明的转动组件的结构示意图。转动组件包括螺母5.8、 中心轴5.2、聚四氟乙烯环、垫片和上转环5.7、下转环5.5。中心轴5.2为一 段带有螺纹的圆柱体，中心轴5.2通过底板7的中心通孔7.3固定在底板7上。 聚四氟乙烯环根据尺寸不同分为大聚四氟乙烯环5.4和小聚四氟乙烯环5.1， 尺寸较小的小聚四氟乙烯环5.1安装在中心轴5.2上，并和中心轴5.2间隙配 合，尺寸较大的大聚四氟乙烯环5.4套在小聚四氟乙烯环5.1的外径上，形成 一组聚四氟乙烯小型轴承，利用聚四氟乙烯的摩擦系数小的特性，减小板簧 在转动时的摩擦阻力。垫片为圆环状，根据安装位置不同分为上垫片5.3和下 垫片5.6，下垫片5.6过盈配合安装在中心轴5.2上，位于底板7和下转环5.5 之间，以减小下转5.5环和底板7的摩擦力；上垫片5.3同样和中心轴5.2过 盈配合，位于下转环5.5和上转环5.7之间，使上下转环在转动时不会相互影 响，垫片同样使用聚四氟乙烯材料，以减小上下转环在转动时的摩擦阻力。 上转环5.7和下转环5.5均同轴心安装在两组大聚四氟乙烯环5.4的外表面， 并与其过盈配合。转动组件5与板翼2.5之间设有橡胶，减小了板簧在转动时 的摩擦阻力，并通过增加和减少橡胶来调节板簧的弯曲程度，通过板簧受力 压缩橡胶为板簧由弯曲变直进而改变弯曲方向提供变形空间。

如图8所示，为本发明的夹持橡胶的结构示意图。夹持橡胶6为削掉一 块圆环的圆柱凸台，其圆柱底部和底板7对角的固定通孔7.1过盈配合固定， 圆柱凸台的上半段在装配时和金属基体1.1的外径所在表面紧密接触，其位置 布置在直线运动模态时的节线位置，降低了对换能器振动模态的干扰。

如图9所示，为本发明的限位挡块示意图。限位挡块8包括螺栓和挡块 两部分，挡块为平键状，其中一个底面设置有螺纹孔。螺栓和挡块配合固定 在底板7的圆弧形槽7.2内。

本发明还公开一种摆动鳍压电驱动装置的使用方法：

关于圆心呈中心对称的两片压电陶瓷片为一组，设两组压电陶瓷片为A 组合B组。为一组和/或两组压电陶瓷片施加电信号，激励出压电换能器的二 阶面内弯振模态，使受压弯曲的板簧在压电换能器的激励下进行旋转，带动 装置运动。

如图10所示，为本发明的压电陶瓷片的极化方向和施加电信号示意图。

给压电换能器的AB两组压电陶瓷片同时施加一定频率的电信号。四个陶 瓷片极化方向均指向换能器圆心。

如图11所示，为本发明的装置直线运动时振动模态示意图。

压电换能器的在AB两组压电陶瓷片同时被施加一定的电信号之后，压电 换能器产生微幅振动，从圆形变形成椭圆形，在X轴和Z轴上来回产生微小 形变，X轴Z轴为其振动的波峰波谷轨迹。

如图12所示，为本发明的装置转向运动时振动模态示意图。

给A组压电陶瓷片施加一定频率的电信号，压电换能器被激励出和Z轴 成一定夹角的二阶面内弯振，根据这个模态，对板簧的转动路径进行了规划， 大致确定板簧的可转动范围。通过调整限位挡块的位置，调整板簧的可转动 范围，利用波峰相对于Z轴的偏转，使板簧在可转动范围中受到振子激励强 度左右不对称，进而左右板簧会产生速度差，所产生的推力大小不平衡，就 会进行左转向。同理，给B项通电，振动模态变为和Z轴成顺时针方向上的 一定夹角，就能够右转向。

如图13所示，为本发明的板簧转动的原理图。

在T0时刻，板簧处于静平衡状态，给压电换能器施加电信号，由于板簧 的位置处于振幅波谷处，板簧受压弯曲，在弯曲过程中板簧的质心转移，在 这个过程中质心M一定存在沿Z轴的速度Vmz和沿X轴的速度Vmx。随后， 在T1到T2时刻之间，波谷变为波峰的过程中，由于圆环的响应速度远大于 板簧，圆环和板簧迅速分离，板簧在惯性力的作用下绕中心轴继续逆时针转 动。在T2到T3时刻之间，x轴方向上的波峰变为波谷，板簧由于和圆环之间的摩擦阻力停止转动，并再次被压缩为初始状态。此时板簧相对于初始状态 产生了一个转动角度。随后进行下一个周期，循环往复，板簧产生宏观上的 转动。

如图14所示，为本发明的板簧改变弯曲方向的原理图。

在弹簧和限位挡块8接触前，板簧2以一定的速度ω逆时针旋转，在与 限位挡块8接触的瞬时，板簧2和限位挡块8发生弹性碰撞，板簧2在碰撞 和惯性力的作用下产生弯曲方向反向的变形趋势，在这个过程中，板簧2的 弹性回复力使橡胶和板簧2受压，进而产生板簧2由弯曲到伸直的变形空间， 随后，在惯性力的作用下，板簧2继续由伸直状态变为弯曲，完成板簧2的 弯曲方向反向。这个过程使得装置可以不停的进行往复运动。

本发明提出一种利用惯性力作为压电换能器能量传递介质的驱动方法， 公开了一种可做直线运动和转向的水下推进压电驱动装置，具有结构简单、 深海全开放式结构、环境适应性强和反侦察能力强的优点。

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 (10)

1.一种摆动鳍压电驱动装置，其特征在于：包括底板(7)，该底板(7)的工作面上设有圆环状的压电换能器(1)，与该压电换能器(1)同心设置转动组件(5)，该转动组件(5)连接板簧(2)，该板簧(2)沿该转动组件(5)的中轴线对称设置，所述板簧(2)的末端转动连接桨(4)；所述板簧(2)上设有接触面(3)，并通过该接触面(3)抵接所述压电换能器(1)的内径表面，所述压电换能器(1)和所述转动组件(5)挤压所述板簧(2)使其呈弯曲状，从而为板簧(2)提供预压力；在所述板簧(2)的摆动方向上对称设有限位挡块(8)，以限制该板簧(2)的摆动幅度；所述压电换能器(1)被施加电信号后产生微幅震动，为受压弯曲的板簧(2)提供激励，以带动转动组件(5)和桨(4)摆动，实现压电驱动装置的运动。

2.根据权利要求1所述的一种摆动鳍压电驱动装置，其特征在于：所述压电换能器(1)包括圆环状金属基体(1.1)，所述金属基体(1.1)的外径表面上设有关于其圆心中心对称的压电陶瓷片(1.2)，所述压电陶瓷片(1.2)沿厚度方向极化、极化方向指向圆心。

3.根据权利要求2所述的一种摆动鳍压电驱动装置，其特征在于：所述金属基体(1.1)的外径表面上开有方形槽，所述压电陶瓷片(1.2)对应设置在所述方形槽内，数量为四个，所述压电换能器(1)呈中心对称。

4.根据权利要求3所述的一种摆动鳍压电驱动装置，其特征在于：所述板簧(2)包括板尾(2.3)、板体(2.4)和板翼(2.5)，所述板尾(2.3)和板体(2.4)为矩形板，该板尾(2.3)一端连接所述转动组件(5)，另一端连接板体(2.4)；所述板体(2.4)向上延伸形成板翼(2.5)，该板翼(2.5)为直角状拐形薄板，所述板翼(2.5)的尾端固定连接中空的圆柱体。

5.根据权利要求4所述的一种摆动鳍压电驱动装置，其特征在于：所述转动组件(5)与所述板尾(2.3)之间设有橡胶，用于调节所述板簧(2)的变形度，以调节预压力的大小，并为板簧(2)在碰到限位挡块(8)后发生变形提供弹性空间。

6.根据权利要求4或5所述的一种摆动鳍压电驱动装置，其特征在于：所述桨(4)包括桨叶(4.1)和限位板(4.2)，该桨叶(4.1)铆接在所述板翼(2.5)上；所述限位板(4.2)包括连接所述板翼(2.5)的带有凹槽的矩形块和固定连接在该矩形块两侧的条形分支，该分支分别为倾斜状和直角状，在桨叶(4.1)转动时限制桨叶(4.1)的转动范围。

7.根据权利要求6所述的一种摆动鳍压电驱动装置，其特征在于：所述转动组件(5)包括螺母(5.8)、中心轴(5.2)、聚四氟乙烯环、垫片和上转环(5.7)、下转环(5.5)；所述中心轴(5.2)为一段带有螺纹的圆柱体，该中心轴(5.2)固定在所述底板(7)中央；所述聚四氟乙烯环根据大小不同分为小聚四氟乙烯环(5.1)和大聚四氟乙烯环(5.4)，该小聚四氟乙烯环(5.1)与所述中心轴(5.2)间隙配合；所述大聚四氟乙烯环(5.4)套在所述小聚四氟乙烯环(5.1)的外径上，形成一组聚四氟乙烯小型轴承；所述垫片为圆环状，根据安装位置不同分为上垫片(5.3)和下垫片(5.6)，所述下垫片(5.6)过盈配合安装在所述中心轴(5.2)上，位于所述底板(7)和下转环(5.5)之间，所述上垫片(5.3)过盈配合安装在所述中心轴(5.2)上，位于所述下转环(5.5)和上转环(5.7)之间；所述下转环(5.5)和上转环(5.7)均同轴心安装在两组大聚四氟乙烯环(5.4)的外表面，并与其过盈配合。

8.一种摆动鳍压电驱动方法，其特征在于：关于压电换能器(1)圆心呈中心对称的两片压电陶瓷片(1.2)为一组，为一组和/或两组压电陶瓷片(1.2)施加电信号，激励出压电换能器(1)的二阶面内弯振模态，使受压弯曲的板簧(2)在压电换能器(1)的激励下进行旋转，带动装置运动。

9.根据权利要求8所述的摆动鳍压电驱动方法，其特征在于：为两组压电陶瓷片(1.2)施加相同的电信号，板簧(2)位于振幅的波峰波谷区域，两个板簧(2)速度相同，方向相反转动，带动装置直线运动，在碰到限位挡块(8)后，板簧(2)的弯曲方向在碰撞的作用下反向，板簧(2)随后调转方向，实现装置的直线往复运动。

10.根据权利要求8或9所述的摆动鳍压电驱动方法，其特征在于：为一组压电陶瓷片(1.2)施加电信号，利用振幅的波峰处相对于Z轴的偏转，使板簧(2)在可转动范围中受到振子激励大小不对称以产生速度差，两侧的推力大小不平衡，实现装置的转向。

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