CN113364340B - 一种微小型螺旋运动两栖仿生推进器及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微小型螺旋运动两栖仿生推进器及其驱动方法，两栖仿生推进器包括8N个形变单元、以及第一至第四弹性拉绳；形变单元包含第一至第二接头、压电双晶片、以及第一至第四导向片。工作时，采用具有π/2相位差的两组电信号分别激励8N个形变单元的压电双晶片，使仿生推进器在相差90°的两个平面上分别形成两组在空间以及时间上相差90°的驻波，在某一平面两组驻波叠加形成行波，两个平面上的行波叠加形成空间上的螺旋运动。本发明结构简单，易于实现微型化，控制简便。

Description

一种微小型螺旋运动两栖仿生推进器及其驱动方法
技术领域
本发明涉及两栖推进器和压电驱动领域，尤其涉及一种微小型螺旋运动两栖仿生推进器及其驱动方法。
背景技术
海洋和海岛国防和经济发展中占有举足轻重的地位。由于水文信息获取，海洋资源勘探以及海岛巡视，海岛防务建设的需要，两栖推进器取得了很大程度的发展，尤其是仿生型两栖推进器。
仿生型两栖推进器既可以在水下移动，也可以在崎岖的地面上运动，这使得它可以成为一个多方位持续信息获取的工具。现有的仿生型两栖推进器多依靠电磁电机控制布置于机体两侧的机械鳍或者机械爪实现平面运动，这种驱动方式的仿生系统结构大，控制复杂并存在水密封等问题。最重要的是机械鳍或者机械爪在平面的运动无法胜任复杂环境。
压电双晶片具有结构简单、质量轻、带宽高、输出位移比普通压电陶瓷片大的优点，采用压电双晶片驱动的两栖推进器无需传动机构，有利于微小型化仿生推进器系统，使控制更加简单。采用空间螺旋运动的两栖推进器的应用场景更加广泛。
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，提供一种微小型螺旋运动两栖仿生推进器及其驱动方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种微小型螺旋运动两栖仿生推进器，包括8N个形变单元、以及第一至第四弹性拉绳，N为大于等于1的自然数；
所述形变单元包含第一至第二接头、压电双晶片、以及第一至第四导向片，其中，所述压电双晶片呈矩形，其内晶片均沿厚度方向极化且极化方向相同；所述第一接头、第二接头均呈板状，压电双晶片两端分别和第一接头、第二接头的一端固连；所述第一接头、第二接头的另一端均设有V形凹槽，且第一接头、第二接头在其V形凹槽两侧均设有安装通孔；所述第一、第二导向片分别穿过第一接头在其V形凹槽两侧的安装通孔并在其中点处和第一接头垂直固连，所述第三、第四导向片分别穿过第二接头在其V形凹槽两侧的安装通孔并在其中点处和第二接头垂直固连；所述第一至第四导向片在其两端在压电双晶片长度方向上均设有平行于所述压电双晶片的导向通孔；
所述8N个形变单元依次相连，相邻形变单元的压电双晶片相互垂直，且上一个形变单元第二接头V形凹槽的底部和下一个形变单元第一接头V形凹槽的底部相抵；
令8N个形变单元中为奇数的形变单元为A组形变单元，排序为偶数的形变单元为B组形变单元，则A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于同一平面C，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于同一平面D；平面C和平面D相互垂直将空间分割为第一至第四区间；
所述第一弹性拉绳一端和第一个形变单元在第一区间中的导向通孔固连，另一端依次穿过第二个至第8N-1个形变单元在第一区间中的导向通孔后和所述第8N个形变单元在第一区间中的导向通孔固连，呈拉伸状；
所述第二弹性拉绳一端和第一个形变单元在第二区间中的导向通孔固连，另一端依次穿过第二个至第8N-1个形变单元在第二区间中的导向通孔后和所述第8N个形变单元在第二区间中的导向通孔固连，呈拉伸状；
所述第三弹性拉绳一端和第一个形变单元在第三区间中的导向通孔固连，另一端依次穿过第二个至第8N-1个形变单元在第三区间中的导向通孔后和所述第8N个形变单元在第三区间中的导向通孔固连，呈拉伸状；
所述第四弹性拉绳一端和第一个形变单元在第四区间中的导向通孔固连，另一端依次穿过第二个至第8N-1个形变单元在第四区间中的导向通孔后和所述第8N个形变单元在第四区间中的导向通孔固连，呈拉伸状；
所述8N个形变单元中第i个、第3i个形变单元中压电双晶片的极化方向相同，第5i个、第7i个形变单元中压电双晶片的极化方向和第i个形变单元中压电双晶片的极化方向相反，第2i个、第4i个形变单元中压电双晶片极化方向相同，第6i个、第8i个形变单元中压电双晶片的极化方向和第2i个形变单元中压电双晶片的极化方向相反，i为大于等于1的自然数。
本发明还公开了一种该微小型螺旋运动两栖仿生推进器的驱动方法，包含如下步骤：
采用第一信号激励A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片，采用第二信号激励B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片，所述第一信号、第二信号同频同幅且相位差为π/2；
当T=0或T=2π时，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为最大正电位，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为零电位，此时第2i个、第6i个压电双晶片位于最大弯曲状态，第4i个、第8i个电双晶片位于最大反向弯曲状态，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于平衡状态；
当T=π/2时，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为最大正电位，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为零电位，此时第i个、第5i个压电双晶片位于最大弯曲状态，第3i个、第7i个压电双晶片位于最大反向弯曲状态，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于平衡状态；
当T=π时，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为最大负电位，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为零电位，此时第2i个、第6i个压电双晶片位于最大反向弯曲状态，第4i个、第8i个电双晶片位于最大弯曲状态，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于平衡状态；
当T=3π/2时，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为最大负电位，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为零电位，此时第i个、第5i个压电双晶片位于最大反向弯曲状态，第3i个、第7i个压电双晶片位于最大弯曲状态，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于平衡状态；
第一信号、第二信号不断变化，各个压电双晶片的振动方式也不断改变，仿生推进器在相差90°的两个平面上分别形成两组在空间以及时间上相差90°的驻波，在某一平面两组驻波叠加形成行波，两个平面上的行波叠加形成空间上的螺旋运动。
如需实现反向螺旋运动，调整第一信号、第二信号使其相位差为-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，便于微小型化；
2. 控制方式简单；
3. 应用场景更加广泛。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中形变单元的结构示意图；
图3是本发明中各个形变单元的压电双晶片的极化方向以及电信号施加示意图；
图4是本发明中两栖仿生推进器T=0或T=2π时的振型示意图；
图5是本发明中两栖仿生推进器T=π/2时的振型示意图；
图6是本发明中两栖仿生推进器T=π时的振型示意图；
图7是本发明中两栖仿生推进器T=3π/2时的振型示意图；
图8是本发明中两栖仿生推进器螺旋运动示意图。
其中，1-第一接头，2-压电双晶片，3-第二接头，4-第一导向片，5-第二导向片，6-第三导向片，7-第四导向片，8-第四导向片上的导向通孔。
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发明公开透彻且完整，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，本发明公开了一种微小型螺旋运动两栖仿生推进器，包括8N个形变单元、以及第一至第四弹性拉绳，N为大于等于1的自然数；
如图2所示，所述形变单元包含第一至第二接头、压电双晶片、以及第一至第四导向片，其中，所述压电双晶片呈矩形，其内晶片均沿厚度方向极化且极化方向相同；所述第一接头、第二接头均呈板状，压电双晶片两端分别和第一接头、第二接头的一端固连；所述第一接头、第二接头的另一端均设有V形凹槽，且第一接头、第二接头在其V形凹槽两侧均设有安装通孔；所述第一、第二导向片分别穿过第一接头在其V形凹槽两侧的安装通孔并在其中点处和第一接头垂直固连，所述第三、第四导向片分别穿过第二接头在其V形凹槽两侧的安装通孔并在其中点处和第二接头垂直固连；所述第一至第四导向片在其两端在压电双晶片长度方向上均设有平行于所述压电双晶片的导向通孔；
所述8N个形变单元依次相连，相邻形变单元的压电双晶片相互垂直，且上一个形变单元第二接头V形凹槽的底部和下一个形变单元第一接头V形凹槽的底部相抵；
令8N个形变单元中为奇数的形变单元为A组形变单元，排序为偶数的形变单元为B组形变单元，则A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于同一平面C，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于同一平面D；平面C和平面D相互垂直将空间分割为第一至第四区间；
所述第一弹性拉绳一端和第一个形变单元在第一区间中的导向通孔固连，另一端依次穿过第二个至第8N-1个形变单元在第一区间中的导向通孔后和所述第8N个形变单元在第一区间中的导向通孔固连，呈拉伸状；
所述第二弹性拉绳一端和第一个形变单元在第二区间中的导向通孔固连，另一端依次穿过第二个至第8N-1个形变单元在第二区间中的导向通孔后和所述第8N个形变单元在第二区间中的导向通孔固连，呈拉伸状；
所述第三弹性拉绳一端和第一个形变单元在第三区间中的导向通孔固连，另一端依次穿过第二个至第8N-1个形变单元在第三区间中的导向通孔后和所述第8N个形变单元在第三区间中的导向通孔固连，呈拉伸状；
所述第四弹性拉绳一端和第一个形变单元在第四区间中的导向通孔固连，另一端依次穿过第二个至第8N-1个形变单元在第四区间中的导向通孔后和所述第8N个形变单元在第四区间中的导向通孔固连，呈拉伸状；
所述8N个形变单元中第i个、第3i个形变单元中压电双晶片的极化方向相同，第5i个、第7i个形变单元中压电双晶片的极化方向和第i个形变单元中压电双晶片的极化方向相反，第2i个、第4i个形变单元中压电双晶片极化方向相同，第6i个、第8i个形变单元中压电双晶片的极化方向和第2i个形变单元中压电双晶片的极化方向相反，i为大于等于1的自然数。
本发明还公开了一种该微小型螺旋运动两栖仿生推进器的驱动方法，包含如下步骤：
如图3所示，采用第一信号激励A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片，采用第二信号激励B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片，所述第一信号、第二信号同频同幅且相位差为π/2；
如图4所示，当T=0或T=2π时，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为最大正电位，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为零电位，此时第2i个、第6i个压电双晶片位于最大弯曲状态，第4i个、第8i个电双晶片位于最大反向弯曲状态，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于平衡状态；
如图5所示，当T=π/2时，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为最大正电位，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为零电位，此时第i个、第5i个压电双晶片位于最大弯曲状态，第3i个、第7i个压电双晶片位于最大反向弯曲状态，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于平衡状态；
如图6所示，当T=π时，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为最大负电位，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为零电位，此时第2i个、第6i个压电双晶片位于最大反向弯曲状态，第4i个、第8i个电双晶片位于最大弯曲状态，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于平衡状态；
如图7所示，当T=3π/2时，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为最大负电位，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为零电位，此时第i个、第5i个压电双晶片位于最大反向弯曲状态，第3i个、第7i个压电双晶片位于最大弯曲状态，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于平衡状态；
如图8所示，第一信号、第二信号不断变化，各个压电双晶片的振动方式也不断改变，仿生推进器在相差90°的两个平面上分别形成两组在空间以及时间上相差90°的驻波，在某一平面两组驻波叠加形成行波，两个平面上的行波叠加形成空间上的螺旋运动。
如需实现反向螺旋运动，调整第一信号、第二信号使其相位差为-π/2即可。
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 (2)

1.一种微小型螺旋运动两栖仿生推进器，其特征在于，包括8N个形变单元、以及第一至第四弹性拉绳，N为大于等于1的自然数；
所述形变单元包含第一至第二接头、压电双晶片、以及第一至第四导向片，其中，所述压电双晶片呈矩形，其内晶片均沿厚度方向极化且极化方向相同；所述第一接头、第二接头均呈板状，压电双晶片两端分别和第一接头、第二接头的一端固连；所述第一接头、第二接头的另一端均设有V形凹槽，且第一接头、第二接头在其V形凹槽两侧均设有安装通孔；所述第一、第二导向片分别穿过第一接头在其V形凹槽两侧的安装通孔并在其中点处和第一接头垂直固连，所述第三、第四导向片分别穿过第二接头在其V形凹槽两侧的安装通孔并在其中点处和第二接头垂直固连；所述第一至第四导向片在其两端在压电双晶片长度方向上均设有平行于所述压电双晶片的导向通孔；
所述8N个形变单元依次相连，相邻形变单元的压电双晶片相互垂直，且上一个形变单元第二接头V形凹槽的底部和下一个形变单元第一接头V形凹槽的底部相抵；
令8N个形变单元中为奇数的形变单元为A组形变单元，排序为偶数的形变单元为B组形变单元，则A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于同一平面C，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于同一平面D；平面C和平面D相互垂直将空间分割为第一至第四区间；
所述第一弹性拉绳一端和第一个形变单元在第一区间中的导向通孔固连，另一端依次穿过第二个至第8N-1个形变单元在第一区间中的导向通孔后和所述第8N个形变单元在第一区间中的导向通孔固连，呈拉伸状；
所述第二弹性拉绳一端和第一个形变单元在第二区间中的导向通孔固连，另一端依次穿过第二个至第8N-1个形变单元在第二区间中的导向通孔后和所述第8N个形变单元在第二区间中的导向通孔固连，呈拉伸状；
所述第三弹性拉绳一端和第一个形变单元在第三区间中的导向通孔固连，另一端依次穿过第二个至第8N-1个形变单元在第三区间中的导向通孔后和所述第8N个形变单元在第三区间中的导向通孔固连，呈拉伸状；
所述第四弹性拉绳一端和第一个形变单元在第四区间中的导向通孔固连，另一端依次穿过第二个至第8N-1个形变单元在第四区间中的导向通孔后和所述第8N个形变单元在第四区间中的导向通孔固连，呈拉伸状；
所述8N个形变单元中第i个、第3i个形变单元中压电双晶片的极化方向相同，第5i个、第7i个形变单元中压电双晶片的极化方向和第i个形变单元中压电双晶片的极化方向相反，第2i个、第4i个形变单元中压电双晶片极化方向相同，第6i个、第8i个形变单元中压电双晶片的极化方向和第2i个形变单元中压电双晶片的极化方向相反，i为大于等于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的微小型螺旋运动两栖仿生推进器的驱动方法，其特征在于，包含如下步骤：
采用第一信号激励A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片，采用第二信号激励B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片，所述第一信号、第二信号同频同幅且相位差为π/2；
当T=0或T=2π时，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为最大正电位，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为零电位，此时第2i个、第6i个压电双晶片位于最大弯曲状态，第4i个、第8i个电双晶片位于最大反向弯曲状态，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于平衡状态；
当T=π/2时，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为最大正电位，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为零电位，此时第i个、第5i个压电双晶片位于最大弯曲状态，第3i个、第7i个压电双晶片位于最大反向弯曲状态，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于平衡状态；
当T=π时，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为最大负电位，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为零电位，此时第2i个、第6i个压电双晶片位于最大反向弯曲状态，第4i个、第8i个电双晶片位于最大弯曲状态，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于平衡状态；
当T=3π/2时，A组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为最大负电位，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片上为零电位，此时第i个、第5i个压电双晶片位于最大反向弯曲状态，第3i个、第7i个压电双晶片位于最大弯曲状态，B组形变单元中各个形变单元的压电双晶片位于平衡状态；
第一信号、第二信号不断变化，各个压电双晶片的振动方式也不断改变，仿生推进器在相差90°的两个平面上分别形成两组在空间以及时间上相差90°的驻波，在某一平面两组驻波叠加形成行波，两个平面上的行波叠加形成空间上的螺旋运动；
如需实现反向螺旋运动，调整第一信号、第二信号使其相位差为-π/2即可。
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