CN114802673B - 一种压电驱动的摆动鳍及其工作方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动的摆动鳍及其工作方式，无人潜航器包括支架导轨、压电作动器、弹性薄板、第一连接杆、第二连接杆和摆动鳍。本发明利用弹性连接薄板、压电作动器与工作轨道相配合，在弹性薄板的弯压作用下与导轨成倾斜接触，能够带动摆动鳍在工作轨道上自动往复摆动和自动换向。本发明所提出的压电激励和摩擦驱动结构简单适应高水压、机动性强且成本低，能够向海水开放，无需严苛密封，解除深海高水压对驱动系统的制约，是无人潜航器执行大范围、大深度巡航，实现海域有效管控的关键技术基础。

Description

一种压电驱动的摆动鳍及其工作方式

技术领域

本发明涉及水下推进器和压电驱动领域，尤其涉及一种压电驱动的摆动鳍及其工作方式。

背景技术

建设海洋强国，必须进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋，加快海洋科技创新步伐。“认识海洋”是“经略海洋”的基础，无人潜航器在“拓展远海、探查深海”中具有不可替代的作用，对未来海洋竞争和对抗将产生深刻影响。

现有结构功能一体化柔性仿生功能材料功率密度小，难以支撑有效负载；现有推进系统的驱动方法对水压敏感，电机传动效率随下潜深度的增加大幅下降直至失效，使大深度探测难以实现；现有无人潜航器装备了各类传感器，观测、通讯、交互能力大幅提升，使大潜深、长航时推进变成了短板。

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偏大的优点，采用压电双晶片驱动的开放式胸鳍驱动结构机动性强、可控性高、隐身性能好，为我国深海微型无人潜航器的集群化奠定基础。

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，提供一种压电驱动的摆动鳍及其工作方式。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种压电驱动的摆动鳍，包括支架导轨、压电作动器、弹性薄板、第一连接杆、第二连接杆、固定件和摆动鳍；

所述支架导轨包含依次相连的第一夹持段、第一连接段、第一工作段、第二工作段、第三工作段、第二连接段、第二夹持段；所述第一工作段、第二工作段、第三工作段均为圆弧段，其中，所述第一、第三工作段结构相同，对称设置在第二工作段两端；第一工作段的半径小于第二工作段的半径；所述第一连接段和第二连接段、第一夹持段和第二夹持段均关于第一工作段和第三工作段的对称面对称；所述第一、第二夹持段相互平行设置且通过螺栓固定，将所述弹性薄板的一端夹持固定在其中；所述第一工作段、第二工作段、第三工作段的开口方向均指向第一夹持段，形成了配合压电作动器工作的工作轨道；

所述压电作动器包含第一基体、第二基体、预紧弹簧、第一双晶片和第二双晶片；

所述第一基体为柱体，其上端面设有第一V形槽；所述第二基体包含连接部和驱动部，所述连接部为柱体，所述驱动部为面积从上至下逐渐变小的变幅杆，连接部的下端面和驱动部的上端面形状相同且同轴固连；

所述第一双晶片、第二双晶片结构相同，平行设置在第一基体、第二基体的驱动部之间，两端分别和第一基体、第二基体的驱动部固连，且第一双晶片和第二双晶片关于第一V形槽的对称面对称；第一双晶片上两个压电陶瓷片和第二双晶片上两个压电陶瓷片的极化方向均相同；

所述预紧弹簧设置在第一双晶片和第二双晶片之间，一端和第一基体固连，另一端和第二基体固连，成拉伸状态；

所述弹性薄板一端夹持在所述第一夹持段、第二夹持段之间，另一端抵在压电作动器第一基体上的第一V形槽内，呈压缩状态，使得压电作动器第二基体的下端作为作动头抵住所述工作轨道的内壁；

所述第一连接杆、第二连接杆分别设置在所述工作轨道两侧，均一端和所述第二基体连接部固连、另一端通过所述固定件和所述摆动鳍固连。

作为本发明一种压电驱动的摆动鳍进一步的优化方案，所述弹性薄板采用65Mn弹簧钢带制成。

作为本发明一种压电驱动的摆动鳍进一步的优化方案，所述支架导轨采用铝合金、钛合金、金属玻璃中的任意一种制成。

作为本发明一种压电驱动的摆动鳍进一步的优化方案，所述第一基体、第二基体均采用金属玻璃或磷青铜制成。

本发明还公开了一种该压电驱动的摆动鳍的推进方法，其特征在于，包含以下步骤：

在预紧弹簧拉力的作用下，第一双晶片、第二双晶片均朝内对称弯曲；

如果需要波动推进：

给所述第一双晶片、第二双晶片施加同频的驱动信号A、驱动信号B，调整驱动信号A、驱动信号B使其相位差为180度；当驱动信号A为正时，驱动信号B为负，第一双晶片、第二双晶片对称回复成平直状态；当驱动信号A为负时，驱动信号B为正，第一双晶片、第二双晶片加大弯曲程度；第一双晶片、第二双晶片在弯曲和平直两个状态下来回切换，激发压电作动器使其纵向振动，压电作动器和工作轨道的内壁保持倾斜接触，压电作动器第二基体的作动头不断和工作轨道的内壁进行斜碰撞、脱离，产生摩擦；压电作动器依靠第二基体的作动头的不断摩擦，与支架导轨发生相对运动，具体运动的周期过程如下：

步骤1），压电作动器带动摆动鳍由第二工作段朝第一工作段行进；摆动鳍拨水时克服水的阻力；

步骤2），压电作动器带动摆动鳍从第二工作段进入到第一工作段中；此时由于变半径导轨的弧线突变、坡度趋缓，压电作动器有绕第一工作段圆心旋转的趋势，在该旋转过程中弹性薄板开始松弛，弹性薄板的弹性势能得以部分释放；

步骤3），由于弹性薄板松弛，其弹性势能释放，弹性薄板的弯曲拱向发生改变，搭向另一侧；加上压电作动器行程速度惯性的影响，压电作动器在弹性薄板的搭压作用下抵着第一工作段顺时针旋转，导致压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向与步骤1）相反；此过程压电作动器带动柔性连接的摆动鳍，实现装置摆动的自动反向；

步骤4），由于压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向发生改变，压电作动器带动摆动鳍由第一工作段朝第二工作段行进；

步骤5），压电作动器带动摆动鳍沿着支架导轨从第一工作段进入到第二工作段中；弹性薄板的压弯量增大导致其弹性势能也不断储存和增大；

步骤6），压电作动器在第二工作段上朝第三工作段行进，摆动鳍向第三工作段方向拨水；

步骤7），压电作动器带动尾部摆动鳍从第二工作段进入到第三工作段中，此时由于变半径导轨的弧线突变、坡度趋缓，压电作动器有绕第三工作段圆心旋转的趋势，在该旋转过程中弹性薄板开始松弛，弹性薄板的弹性势能得以部分释放；

步骤8），由于弹性薄板松弛，其弹性势能释放，弹性薄板的弯曲拱向发生改变，搭向另一侧；加上压电作动器行程速度惯性的影响，压电作动器在弹性薄板的搭压作用下抵着第三工作段逆时针旋转，导致压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向与步骤7）相反；此过程压电作动器带动柔性连接的摆动鳍，实现装置摆动的自动反向；

步骤9），由于压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向发生改变，压电作动器带动摆动鳍由第三工作段朝第二工作段行进；

步骤10），压电作动器带动摆动鳍沿着支架导轨从第三工作段进入到第二工作段中；弹性薄板的压弯量增大导致其弹性势能也不断储存和增大；

如果需要俯身推进：

给所述第一双晶片施加驱动信号A，第二双晶片不施加驱动信号，当驱动信号A为正时，第一双晶片回复平直状态，第二双晶片保持弯曲，当驱动信号A为负时，第一双晶片、第二双晶片弯曲，由于压电作动器与支架导轨接触处在往复两个方向上夹角不同，接触压力也不同，形成往复运动的速度差，造成尾鳍上摆动时水动反力小、下摆动时水动反力大，实现潜航器俯身推进；

如果需要仰身推进方法：

给所述第二双晶片施加驱动信号B，第一双晶片不施加驱动信号，当驱动信号B为负时，第二双晶片回复平直状态，第一双晶片保持弯曲；当驱动信号B为正时，第一双晶片、第二双晶片弯曲，由于压电作动器与支架导轨接触处在往复两个方向上夹角不同，接触压力也不同，形成往复运动的速度差，造成尾鳍上摆动时水动反力大、下摆动时水动反力小，实现潜航器仰身推进。

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，集群化；

2. 控制方式简单；

3. 开放式结构，适应高水压、成本低；

4. 本发明公开的装置为压电激励和摩擦驱动结构，压电作动器内部本身无空腔，因此可解除深海高水压对驱动系统的制约。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中支架导轨的结构示意图；

图3为本发明中压电作动器的结构示意图；

图4是本发明中工作轨道的结构示意图；

图5是本发明中第一连接杆、第二连接杆、第二基体、固定件相配合的结构示意图；

图6是本发明波动推进时的双晶片工作原理图；

图7为本发明在一个摆动周期内的工作原理图

图8是本发明俯仰推进时的双晶片原理示意图；

图中，1-支架导轨，2-弹性薄板，3-压电作动器，4-第一连接杆，5-第二连接杆，6-固定件，7-摆动鳍，1.1-第一夹持段，1.2-第一连接段，1.3-工作轨道，1.4-第二连接段，1.5-第二夹持段，1.3.1-第一工作段，1.3.2-第二工作段，1.3.3-第三工作段，3.1-第一基体，3.2-第二基体，3.3-预紧弹簧，3.4-第一双晶片，3.5-第二双晶片。

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，本发明公开了一种压电驱动的摆动鳍，包括支架导轨、压电作动器、弹性薄板、第一连接杆、第二连接杆、固定件和摆动鳍；

如图2所示，所述支架导轨包含依次相连的第一夹持段、第一连接段、第一工作段、第二工作段、第三工作段、第二连接段、第二夹持段；所述第一工作段、第二工作段、第三工作段均为圆弧段，其中，所述第一、第三工作段结构相同，对称设置在第二工作段两端；第一工作段的半径小于第二工作段的半径；所述第一连接段和第二连接段、第一夹持段和第二夹持段均关于第一工作段和第三工作段的对称面对称；所述第一、第二夹持段相互平行设置且通过螺栓固定，将所述弹性薄板的一端夹持固定在其中；所述第一工作段、第二工作段、第三工作段的开口方向均指向第一夹持段，形成了配合压电作动器工作的工作轨道；

如图3所示，所述压电作动器包含第一基体、第二基体、预紧弹簧、第一双晶片和第二双晶片；

所述第一基体为柱体，其上端面设有第一V形槽；所述第二基体包含连接部和驱动部，所述连接部为柱体，所述驱动部为面积从上至下逐渐变小的变幅杆，连接部的下端面和驱动部的上端面形状相同且同轴固连；

所述第一双晶片、第二双晶片结构相同，平行设置在第一基体、第二基体的驱动部之间，两端分别和第一基体、第二基体的驱动部固连，且第一双晶片和第二双晶片关于第一V形槽的对称面对称；第一双晶片上两个压电陶瓷片和第二双晶片上两个压电陶瓷片的极化方向均相同；

所述预紧弹簧设置在第一双晶片和第二双晶片之间，一端和第一基体固连，另一端和第二基体固连，成拉伸状态；

所述弹性薄板一端夹持在所述第一夹持段、第二夹持段之间，另一端抵在压电作动器第一基体上的第一V形槽内，呈压缩状态，使得压电作动器第二基体的下端作为作动头抵住所述工作轨道的内壁；

如图4所示，图中，P`、O、P分别为第一、第二、第三工作段的圆心；所述第一连接段和第二连接段、第一双晶片和第二双晶片均关于第一工作段和第三工作段的对称面对称；

如图5所示，第一连接杆、第二连接杆的同一端和第一基体固定，另一端和固定件固定，第一连接杆和第二连接杆关于对称面对称，中间的空槽用以调试导轨的位置，并可以限制第一基体的运动位置。

本发明还公开了一种压电驱动的摆动鳍的推进方法，包含以下步骤：

在预紧弹簧拉力的作用下，第一双晶片、第二双晶片均朝内对称弯曲；

如图6和图7所示，如果需要波动推进：

给所述第一双晶片、第二双晶片施加同频的驱动信号A、驱动信号B，调整驱动信号A、驱动信号B使其相位差为180度；当驱动信号A为正时，驱动信号B为负，第一双晶片、第二双晶片对称回复成平直状态；当驱动信号A为负时，驱动信号B为正，第一双晶片、第二双晶片加大弯曲程度；第一双晶片、第二双晶片在弯曲和平直两个状态下来回切换，激发压电作动器使其纵向振动，压电作动器和工作轨道的内壁保持倾斜接触，压电作动器第二基体的作动头不断和工作轨道的内壁进行斜碰撞、脱离，产生摩擦；压电作动器依靠第二基体的作动头的不断摩擦，与支架导轨发生相对运动，具体运动的周期过程如下：

步骤1），状态a到状态b，压电作动器带动摆动鳍由第二工作段朝第一工作段行进；摆动鳍拨水时克服水的阻力；

步骤2），压电作动器带动摆动鳍从第二工作段进入到第一工作段中；此时由于变半径导轨的弧线突变、坡度趋缓，压电作动器有绕第一工作段圆心旋转的趋势，在该旋转过程中弹性薄板开始松弛，弹性薄板的弹性势能得以部分释放；

步骤3），状态b到状态c，由于弹性薄板松弛，其弹性势能释放，弹性薄板的弯曲拱向发生改变，搭向另一侧；加上压电作动器行程速度惯性的影响，压电作动器在弹性薄板的搭压作用下抵着第一工作段顺时针旋转，导致压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向与步骤1）相反；此过程压电作动器带动柔性连接的摆动鳍，实现装置摆动的自动反向；

步骤4），由于压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向发生改变，压电作动器带动摆动鳍由第一工作段朝第二工作段行进；

步骤5），压电作动器带动摆动鳍沿着支架导轨从第一工作段进入到第二工作段中；弹性薄板的压弯量增大导致其弹性势能也不断储存和增大；

步骤6），状态c到状态d，压电作动器在第二工作段上朝第三工作段行进，摆动鳍向第三工作段方向拨水；

步骤7），压电作动器带动尾部摆动鳍从第二工作段进入到第三工作段中，此时由于变半径导轨的弧线突变、坡度趋缓，压电作动器有绕第三工作段圆心旋转的趋势，在该旋转过程中弹性薄板开始松弛，弹性薄板的弹性势能得以部分释放；

步骤8），状态d到状态a，由于弹性薄板松弛，其弹性势能释放，弹性薄板的弯曲拱向发生改变，搭向另一侧；加上压电作动器行程速度惯性的影响，压电作动器在弹性薄板的搭压作用下抵着第三工作段逆时针旋转，导致压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向与步骤7）相反；此过程压电作动器带动柔性连接的摆动鳍，实现装置摆动的自动反向；

步骤9），由于压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向发生改变，压电作动器带动摆动鳍由第三工作段朝第二工作段行进；

步骤10），压电作动器带动摆动鳍沿着支架导轨从第三工作段进入到第二工作段中；弹性薄板的压弯量增大导致其弹性势能也不断储存和增大；

如图6所示，如果需要俯身推进：

给所述第一双晶片施加驱动信号A，第二双晶片不施加驱动信号，当驱动信号A为正时，第一双晶片回复平直状态，第二双晶片保持弯曲，当驱动信号A为负时，第一双晶片、第二双晶片弯曲，由于压电作动器与支架导轨接触处在往复两个方向上夹角不同，接触压力也不同，形成往复运动的速度差，造成尾鳍上摆动时水动反力小、下摆动时水动反力大，实现潜航器俯身推进；

如果需要仰身推进方法：

给所述第二双晶片施加驱动信号B，第一双晶片不施加驱动信号，当驱动信号B为负时，第二双晶片回复平直状态，第一双晶片保持弯曲；当驱动信号B为正时，第一双晶片、第二双晶片弯曲，由于压电作动器与支架导轨接触处在往复两个方向上夹角不同，接触压力也不同，形成往复运动的速度差，造成尾鳍上摆动时水动反力大、下摆动时水动反力小，实现潜航器仰身推进。

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)

1.一种压电驱动的摆动鳍，其特征在于，包括支架导轨、压电作动器、弹性薄板、第一连接杆、第二连接杆、固定件和摆动鳍；

所述支架导轨包含依次相连的第一夹持段、第一连接段、第一工作段、第二工作段、第三工作段、第二连接段、第二夹持段；所述第一工作段、第二工作段、第三工作段均为圆弧段，其中，所述第一、第三工作段结构相同，对称设置在第二工作段两端；第一工作段的半径小于第二工作段的半径；所述第一连接段和第二连接段、第一夹持段和第二夹持段均关于第一工作段和第三工作段的对称面对称；所述第一、第二夹持段相互平行设置且通过螺栓固定，将所述弹性薄板的一端夹持固定在其中；所述第一工作段、第二工作段、第三工作段的开口方向均指向第一夹持段，形成了配合压电作动器工作的工作轨道；

所述压电作动器包含第一基体、第二基体、预紧弹簧、第一双晶片和第二双晶片；

所述第一基体为柱体，其上端面设有第一V形槽；所述第二基体包含连接部和驱动部，所述连接部为柱体，所述驱动部为面积从上至下逐渐变小的变幅杆，连接部的下端面和驱动部的上端面形状相同且同轴固连；

所述第一双晶片、第二双晶片结构相同，平行设置在第一基体、第二基体的驱动部之间，两端分别和第一基体、第二基体的驱动部固连，且第一双晶片和第二双晶片关于第一V形槽的对称面对称；第一双晶片上两个压电陶瓷片和第二双晶片上两个压电陶瓷片的极化方向均相同；

所述预紧弹簧设置在第一双晶片和第二双晶片之间，一端和第一基体固连，另一端和第二基体固连，成拉伸状态；

所述弹性薄板一端夹持在所述第一夹持段、第二夹持段之间，另一端抵在压电作动器第一基体上的第一V形槽内，呈压缩状态，使得压电作动器第二基体的下端作为作动头抵住所述工作轨道的内壁；

所述第一连接杆、第二连接杆分别设置在所述工作轨道两侧，均一端和所述第二基体连接部固连、另一端通过所述固定件和所述摆动鳍固连。

2.根据权利要求1所述的压电驱动的摆动鳍，其特征在于，所述弹性薄板采用65Mn弹簧钢带制成。

3.根据权利要求1所述的压电驱动的摆动鳍，其特征在于，所述支架导轨采用铝合金、钛合金、金属玻璃中的任意一种制成。

4.根据权利要求1所述的压电驱动的摆动鳍，其特征在于，所述第一基体、第二基体均采用金属玻璃或磷青铜制成。

5.基于权利要求1所述的压电驱动的摆动鳍的推进方法，其特征在于，包含以下步骤：

在预紧弹簧拉力的作用下，第一双晶片、第二双晶片均朝内对称弯曲；

如果需要波动推进：

给所述第一双晶片、第二双晶片施加同频的驱动信号A、驱动信号B，调整驱动信号A、驱动信号B使其相位差为180度；当驱动信号A为正时，驱动信号B为负，第一双晶片、第二双晶片对称回复成平直状态；当驱动信号A为负时，驱动信号B为正，第一双晶片、第二双晶片加大弯曲程度；第一双晶片、第二双晶片在弯曲和平直两个状态下来回切换，激发压电作动器使其纵向振动，压电作动器和工作轨道的内壁保持倾斜接触，压电作动器第二基体的作动头不断和工作轨道的内壁进行斜碰撞、脱离，产生摩擦；压电作动器依靠第二基体的作动头的不断摩擦，与支架导轨发生相对运动，具体运动的周期过程如下：

步骤1），压电作动器带动摆动鳍由第二工作段朝第一工作段行进；摆动鳍拨水时克服水的阻力；

步骤2），压电作动器带动摆动鳍从第二工作段进入到第一工作段中；此时由于变半径导轨的弧线突变、坡度趋缓，压电作动器有绕第一工作段圆心旋转的趋势，在该旋转过程中弹性薄板开始松弛，弹性薄板的弹性势能得以部分释放；

步骤3），由于弹性薄板松弛，其弹性势能释放，弹性薄板的弯曲拱向发生改变，搭向另一侧；加上压电作动器行程速度惯性的影响，压电作动器在弹性薄板的搭压作用下抵着第一工作段顺时针旋转，导致压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向与步骤1）相反；此过程压电作动器带动柔性连接的摆动鳍，实现装置摆动的自动反向；

步骤4），由于压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向发生改变，压电作动器带动摆动鳍由第一工作段朝第二工作段行进；

步骤5），压电作动器带动摆动鳍沿着支架导轨从第一工作段进入到第二工作段中；弹性薄板的压弯量增大导致其弹性势能也不断储存和增大；

步骤6），压电作动器在第二工作段上朝第三工作段行进，摆动鳍向第三工作段方向拨水；

步骤7），压电作动器带动尾部摆动鳍从第二工作段进入到第三工作段中，此时由于变半径导轨的弧线突变、坡度趋缓，压电作动器有绕第三工作段圆心旋转的趋势，在该旋转过程中弹性薄板开始松弛，弹性薄板的弹性势能得以部分释放；

步骤8），由于弹性薄板松弛，其弹性势能释放，弹性薄板的弯曲拱向发生改变，搭向另一侧；加上压电作动器行程速度惯性的影响，压电作动器在弹性薄板的搭压作用下抵着第三工作段逆时针旋转，导致压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向与步骤7）相反；此过程压电作动器带动柔性连接的摆动鳍，实现装置摆动的自动反向；

步骤9），由于压电作动器与支架导轨的相对倾斜方向发生改变，压电作动器带动摆动鳍由第三工作段朝第二工作段行进；

步骤10），压电作动器带动摆动鳍沿着支架导轨从第三工作段进入到第二工作段中；弹性薄板的压弯量增大导致其弹性势能也不断储存和增大；

如果需要俯身推进：

给所述第一双晶片施加驱动信号A，第二双晶片不施加驱动信号，当驱动信号A为正时，第一双晶片回复平直状态，第二双晶片保持弯曲，当驱动信号A为负时，第一双晶片、第二双晶片弯曲，由于压电作动器与支架导轨接触处在往复两个方向上夹角不同，接触压力也不同，形成往复运动的速度差，造成尾鳍上摆动时水动反力小、下摆动时水动反力大，实现潜航器俯身推进；

如果需要仰身推进方法：

给所述第二双晶片施加驱动信号B，第一双晶片不施加驱动信号，当驱动信号B为负时，第二双晶片回复平直状态，第一双晶片保持弯曲；当驱动信号B为正时，第一双晶片、第二双晶片弯曲，由于压电作动器与支架导轨接触处在往复两个方向上夹角不同，接触压力也不同，形成往复运动的速度差，造成尾鳍上摆动时水动反力大、下摆动时水动反力小，实现潜航器仰身推进。

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