CN114655406B - 一种压电驱动水下精密姿态调节器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动水下精密姿态调节器，属于压电精密驱动领域，可实现水下探测机构的姿态精密调节，压电驱动水下精密姿态调节器内部安装有环形压电片，上壳体和下壳体内部分别设置有特殊结构的流道，在压电片的振动下,上、下壳体与安装基座之间的腔体容积发生变化，引起水流周期性地从四个流道流入与流出，由于四个流道结构不同，一个周期内通过四个流道的液体形成流量差，产生旋转力矩并反作用于水下姿态调节器，从而改变水下探测机构的运行方向，实现精密姿态调节；所述压电驱动水下精密姿态调节器原理新颖，结构简单，控制方便，调节精度高，解决了传统水下调节机构体积大、调节精度差的问题。

Description

一种压电驱动水下精密姿态调节器

技术领域

本发明属于压电精密驱动领域，具体涉及一种压电驱动水下精密姿态调节器。

背景技术

以水下机器人为主等水下探测机构由于其可大范围、长时间对海洋进行探测，已逐步应用到实际中，取得了较好的成绩。水下机器人可以代替人类在海洋中完成许多高难度的水下作业，因此应用广泛。然而水下机器人自主作业仍然存在许多问题，其中如何保持水下机器人的精密姿态调整也成为了最需要解决的技术之一。传统机构如伺服电机、齿轮传动等难以达到此要求，因此，研究者开始致力于开发新型精密驱动技术。压电精密驱动技术作为一种比较新颖的可实现驱动与定位的技术手段，主要通过材料的逆压电效应实现电能与机械能的转换，具有体积小，质量轻，精度高等诸多优势，在精密执行器领域获得了广泛的关注。但是目前的众多精密驱动器，主要以电机驱动为主，调节精度低，叶片损耗严重，难以满足水下精密姿态调节的应用需求，因此，提出一种新的结构简单紧凑、驱动原理新颖，可控性强且精度高的水下精密姿态调节器、是水下精密驱动领域进一步发展所必须解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种压电驱动水下精密姿态调节器，所述调节器结构简单紧凑、可控性强、精度高，能够满足水下精密姿态调节的要求。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种压电驱动水下精密姿态调节器，包括上壳体、下壳体、安装基座、上环形压电片、下环形压电片；

所述的安装基座为圆形上下对称结构，包括上安装基座和下安装基座，所述安装基座包括基座安装孔、环形压电片安装槽、壳体安装面，所述环形压电片安装槽位于安装基座的中心位置，所述壳体安装面位于安装基座的边缘处，所述基座安装孔均匀分布于基座外侧；所述安装基座孔分别与水下探测机构螺钉连接，所述基座安装孔为四个；

所述上壳体包括第一流道、第二流道、第三流道、第四流道、内腔体；4个流道均为半流线型流道，且与内腔体均相通；所述的第一流道和第三流道结构一致，且关于上壳体中心点呈中心对称，第一流道和第三流道均包括流道外接口、流道内接口，其结构特点为：当液体由内部腔体向外界流出时，液体先经过渐扩段，之后从急剧收缩段流出，即渐扩段与内腔体相连，收缩段与外界相连，属于“易出难进”型流道。所述的第二流道和第四流道结构一致，且关于上壳体中心点呈中心对称，第二流道和第四流道包括流道外接口、流道内接口，其结构特点为：当液体由外界向内部腔体流入时，液体先经过渐扩段，之后从急剧收缩段流入，即渐扩段与外界相连，收缩段与内部腔体相连，属于“易进难出”型流道。内腔体分布于上下壳体中心，位于上壳体内部和安装基座之间，所述下壳体与上壳体结构一致，分别安装于安装基座的下壳体安装面和上壳体安装面上；

所述上壳体与安装基座上壳体安装面胶黏，下壳体与安装基座的下壳体安装面胶黏；

所述的上壳体/下壳体中4个流道相通，包括有4个流道内接口/外接口，即水流输入/输出口，水可通过4个流道外接口流入和流出壳体，与外界水流相通。

所述的第一流道和第三流道结构一致，当调节器内腔体中的液体经流道流向外界时，水流先经过流道的“渐扩段”，之后进入流道的“收缩段”；所述的第二流道和第四流道结构一致，当液体从调节器外部经流道流入内腔体时，水流先经过流道的“渐扩段”，之后进入流道的“收缩段”；

壳体四个流道采用流阻差原理设计，对于“渐扩段-收缩段”流道，流体正向流动时流阻要远远小于反向流动时流阻，由此在上壳体上设置四个（2组）不同的流道，其中第一流道和第三流道，属于“易出难进型”流道，第二流道和第四流道属于“易进难出型”流道，根据工作时的流量差产生反向驱动力矩作用于姿态调节器实现姿态调整。

所述上环形压电片边缘与安装基座上环形压电片安装槽胶黏，下环形压电片边缘与安装基座下圆形压电片安装槽胶黏，所述的上环形压电片和下环形压电片可在交流电作用下发生鼓包振动。

通过调节圆形压电片的通断电来实现姿态调节的位置控制。

通过调节圆形压电片的通电频率来实现姿态调节器旋转的速度控制。

当分别给上、下两压电片通电时，可使上、下两流道分别单独工作，从而实现姿态调节器的正、反转切换。

上述压电驱动水下精密姿态调节器的调节方法包括以下步骤：

利用周期内壳体的四个流道液体流入与流出形成的流量差产生的反作用力矩实现姿态调整，调节器姿态调节方法如下：

给环形压电片施加电压，使压电片的逆压电效应被激发，从而促使压电片做周期性的往复振动，密闭腔内的容积发生周期性变化，交替出现容积增大和减小，从而导致腔体内的水周期性地从四个流道流入与流出，由于第一流道和第三流道，属于“易出难进型”流道，第二流道和第四流道属于“易进难出型”流道，所以当腔体内水流周期性地流入与流出时，从第一流道和第三流道流出的水量大于流入的水量，从第二流道和第四流道流出的水量会小于流入的水量，从而形成流量差，对液体进行了搬运，由此产生反作用力矩并作用于调节器，使其发生旋转，进行姿态调整，因为一个周期内经过流道流入与流出形成的液体流量差很小，对应形成的反作用力矩也相对较小，因此可实现水下姿态微调节。

有益效果：本发明提供了一种压电驱动水下精密姿态调节器，与现有的姿态调节机构相比，本发明的压电驱动水下精密姿态调节器以压电片驱动原理为主，利用流道流量差原理，利用周期内壳体的四个流道液体流入与流出形成的流量差产生旋转力矩并反作用于水下姿态调节器，改变水下探测机构的运行方向，实现精密姿态调节。本发明压电驱动水下精密姿态调节器原理新颖，结构简单，控制方便，调节精度高，有效解决了传统电机调节机构尺寸较大、桨叶容易磨损、无法实现微调的问题，且提高了水下探测器探测的灵敏度、精度。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的安装基座示意图；

图3是本发明实施例的压电片示意图；

图4是本发明实施例的外壳示意图；

图5是本发明实施例的流道流量差示意图；

图6是本发明实施例的压电片向上振动原理示意图；

图7是本发明实施例的压电片向下振动原理示意图；

图中，1-上壳体，2-下壳体，3-安装基座，4-上环形压电片，5-下环形压电片，1-1-第一流道，1-2-第二流道，1-3-第三流道，1-4-第四流道，1-5-内腔体，3-1-第一基座安装孔，3-2-第二基座安装孔，3-3-第三基座安装孔，3-4-第四基座安装孔，3-5-上环形压电片安装槽，3-6-下环形压电片安装槽，3-7-上壳体安装面，3-8-下壳体安装面。1-1-1-第一流道外接口，1-1-2-第一流道内接口，1-2-1-第二流道外接口，1-2-2-第二流道内接口，1-3-1-第三流道外接口，1-3-2-第三流道内接口，1-4-1-第四流道外接口，1-4-2-第四流道内接口。2-2-1-下壳体第二流道外接口，2-3-1-下壳体第三流道外接口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1和3所示，一种压电驱动水下精密姿态调节器，包括上壳体1,下壳体2，安装基座3，上环形压电片4，下环形压电片5；

如图2所示，安装基座3为一圆形对称结构，包括第一基座安装孔3-1、第二基座安装孔3-2、第三基座安装孔3-3、第四基座安装孔3-4、上环形压电片安装槽3-5，下环形压电片安装槽3-6，上壳体安装面3-7，下壳体安装面3-8，四个基座安装孔均匀分布于基座3外侧；

上壳体1包括第一流道1-1、第二流道1-2、第三流道1-3、第四流道1-4，内腔体1-5，所述的第一流道1-1和第三流道1-3结构一致，第一流道1-3包括流道外接口1-1-1、流道内接口1-1-2，第三流道包括流道外接口1-3-1、流道内接口1-3-2，所述的第二流道1-2和第四流道1-4结构一致，第二流道1-2包括流道外接口1-2-1、流道内接口1-2-2，第四流道1-4包括流道外接口1-4-1、流道内接口1-4-2，所述下壳体2与上壳体1结构一致，分别安装于安装基座3的下壳体安装面3-8和上壳体安装面3-7上；

所述四个安装基座孔分别与水下探测机构螺钉连接，上壳体1与安装基座3上壳体安装面3-7胶黏，下壳体2与安装基座3的下壳体安装面3-8胶黏，上环形压电片4边缘与安装基座3上圆形压电片安装槽3-5胶黏，下环形压电片5边缘与安装基座3下圆形压电片安装槽3-6胶黏，所述的上壳体1和下壳体2中4个流道都相通，所述的上壳体/下壳体中4个流道都相通，包括有4个流道内接口/外接口，即水流输入/输出口，水可通过4个流道外接口流入和流出壳体，与外界水流相通

如图5和6所示，所述的第一流道1-1和第三流道1-3结构一致，当调节器内腔体1-5中的液体经流道流向外界时，水流先经过流道的“渐扩段”，之后进入流道的“收缩段”；所述的第二流道1-2和第四流道1-4结构一致，当液体从调节器外部经流道流入内腔体1-5时，水流先经过流道的“渐扩段”，之后进入流道的“收缩段”；采用流阻差原理设计，对于“渐扩段-收缩段”流道，流体正向流动时流阻要远远小于反向流动时流阻，由此在上壳体1上设置四个2组不同的流道，其中第一流道1-1和第三流道1-3，属于“易出难进型”流道，第二流道1-2和第四流道1-4属于“易进难出型”流道，根据工作时的流量差产生反向驱动力矩作用于姿态调节器实现姿态调整。

以上所述调节器的工作方法为：给上环形压电片4施加电压，使压电陶瓷的逆压电效应被激发，从而促使压电振子做周期性的往复振动，密闭腔内的容积发生周期性变化，交替出现容积增大和减小，从而导致腔体内的水周期性地从四个流道流入与流出。由于第一流道1-1和第三流道1-3，属于“易出难进型”流道，第二流道1-2和第四流道1-4属于“易进难出型”流道，所以当腔体内水流周期性地流入与流出时，从第一流道1-1和第三流道1-3流出的水量大于流入的水量，从第二流道1-2和第四流道1-4流出的水量会小于流入的水量，从而形成流量差，对液体进行了搬运，由此产生反作用力矩并作用于调节器，使其发生旋转，进行姿态调整，因为一个周期内经过流道流入与流出形成的液体流量差很小，对应形成的反作用力矩也相对较小，因此可实现水下姿态微调节。

以上仅是本发明的优选实施例，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干变形和改进都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种压电驱动水下精密姿态调节器，其特征在于，包括上壳体、下壳体、安装基座、上环形压电片、下环形压电片；

所述安装基座为圆形上下对称结构，包括上安装基座和下安装基座，所述安装基座包括基座安装孔、环形压电片安装槽、壳体安装面，环形压电片安装槽位于安装基座的中心位置，所述壳体安装面位于安装基座的边缘处，所述基座安装孔均匀分布于基座外侧；所述安装基座孔与水下探测机构连接，所述基座安装孔为四个；

所述上壳体包括第一流道、第二流道、第三流道、第四流道、内腔体；4个流道均为半流线型流道，且与内腔体均相通；所述的第一流道和第三流道结构一致，且关于上壳体中心点呈中心对称，第一流道和第三流道均包括流道外接口、流道内接口、渐扩段、收缩段，所述第一流道和第三流道渐扩段与内腔体相连，第一流道和第三流道收缩段与外界相连；所述的第二流道和第四流道结构一致，且关于上壳体中心点呈中心对称，第二流道和第四流道包括流道外接口、流道内接口、渐扩段、收缩段，所述第二流道和第四流道渐扩段与外界相连，第二流道和第四流道收缩段与内腔体相连；所述内腔体分布于上下壳体中心，位于上壳体内部和安装基座之间，所述下壳体与上壳体结构一致，分别安装于安装基座的下壳体安装面和上壳体安装面上；

所述4个流道均包括渐扩段和收缩段，第一流道和第三流道为易出难进型流道，第二流道和第四流道为易进难出型流道；利用周期内壳体的四个流道液体流入与流出形成的流量差产生的反作用力矩实现姿态调整，给环形压电片施加电压，使环形压电片的逆压电效应被激发，从而促使环形压电片做周期性的往复振动，密闭腔内的容积发生周期性变化，交替出现容积增大和减小，从而导致腔体内的水周期性地从四个流道流入与流出，由于第一流道和第三流道，属于易出难进型流道，第二流道和第四流道属于易进难出型流道，当腔体内水流周期性地流入与流出时，从第一流道和第三流道流出的水量大于流入的水量，从第二流道和第四流道流出的水量会小于流入的水量，从而形成流量差，由此产生反作用力矩并作用于所述调节器，使其发生旋转，进行姿态调整，一个周期内经过流道流入与流出形成的液体流量差很小，对应形成的反作用力矩也相对较小，实现水下姿态微调节。

2.根据权利要求1所述的压电驱动水下精密姿态调节器，其特征在于，所述基座安装孔为四个。

3.根据权利要求1所述的压电驱动水下精密姿态调节器，其特征在于，所述上壳体与安装基座上壳体安装面胶黏，下壳体与安装基座的下壳体安装面胶黏；所述上环形压电片边缘与安装基座上环形压电片安装槽胶黏，下环形压电片边缘与安装基座下环形压电片安装槽胶黏。

4.根据权利要求1所述的压电驱动水下精密姿态调节器，其特征在于，所述的上环形压电片和下环形压电片在交流电作用下发生鼓包振动。

5.根据权利要求1或4所述的压电驱动水下精密姿态调节器，其特征在于，通过调节环形压电片的通断电来实现姿态调节的位置控制。

6.根据权利要求1或4所述的压电驱动水下精密姿态调节器，其特征在于，通过调节环形压电片的通电频率来实现姿态调节器旋转的速度控制。

7.根据权利要求1或4所述的压电驱动水下精密姿态调节器，其特征在于，分别给上环形压电片和下环形压电片通电，使上、下两流道分别单独工作，从而实现姿态调节器的正、反转切换。

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