CN115384741A - 一种微小型波形运动水下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波形运动水下仿生推进器及其驱动方法，波形运动水下仿生推进器包括振动部和柔性鳍；振动部包含纵向压电双晶片、第一至第四横向压电双晶片、第一至第二连接板、第一至第二纵向桨叶、第一至第四横向桨叶；柔性鳍呈六边形，和振动部的上端面粘贴相连。工作时，采用第一电信号激励纵向压电双晶片，采用与第一电信号具有π/2电信号激励第一、第二横向压电双晶片，采用与第一电信号具有‑π/2电信号激励第三、第四横向压电双晶片，产生纵向一阶弯曲振动和两个横向一阶弯曲振动，叠加耦合成纵向方向上的行波，形成柔性鳍的纵向波动推进。本发明结构简单，易于实现微型化，控制简便。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器人和压电驱动领域，尤其涉及一种微小型波形运动水下仿生推进器及其驱动方法。
背景技术
海洋探索与开发成为我国进入新世纪以来重要的发展战略。由于海洋资源勘探以及国防建设的需要，水下仿生推进器取得了很大程度的发展。
水下仿生推进器可以成为一个多方位持续信息获取的工具。现有的水下仿生推进器多依靠电磁电机控制并依靠多关节串联装置驱动，这种驱动方式结构庞大控制复杂，并存在水密封等问题。
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水下仿生推进器无需传动机构，有利于结构微小型化、控制简单化，且不存在水密封问题，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，提供一种微小型波形运动水下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：
一种微小型波形运动水下仿生推进器，包括振动部和柔性鳍；
所述振动部包含纵向压电双晶片、第一至第四横向压电双晶片、第一至第二连接板、第一至第二纵向桨叶、第一至第四横向桨叶；
所述纵向压电双晶片、第一至第四横向压电双晶片均呈矩形，皆沿厚度方向极化且极化方向均相同；
所述第一至第二连接板均呈矩形，其中，所述第一连接板一端和所述纵向压电双晶片的一端粘贴相连，另一端和所述第一纵向桨叶的一端粘贴相连；所述第二连接板一端和所述纵向压电双晶片的另一端粘贴相连，另一端和所述第二纵向桨叶的一端粘贴相连；
所述第一、第二横向压电双晶片对称设置在所述第一连接板两侧，均一端和所述第一连接板粘贴相连；所述第一横向压电双晶片的另一端和所述第一横向桨叶的一端粘贴相连；所述第二横向压电双晶片的另一端和所述第二横向桨叶的一端粘贴相连；
所述第三、第四横向压电双晶片对称设置在所述第二连接板两侧，均一端和所述第二连接板粘贴相连；所述第三横向压电双晶片的另一端和所述第三横向桨叶的一端粘贴相连；所述第四横向压电双晶片的另一端和所述第四横向桨叶的一端粘贴相连；
所述柔性鳍采用弹性模量小于预设的弹性阈值的柔性材料制成，呈六边形，和所述振动部的上端面粘贴相连。
作为本发明一种微小型波形运动水下仿生推进器，所述纵向压电双晶片、第一至第四横向压电双晶片上均涂有防水涂料。
作为本发明一种微小型波形运动水下仿生推进器，所述柔性鳍采用硅橡胶制成。
本发明还公开了一种该微小型波形运动水下仿生推进器的驱动方法，包含如下步骤：
采用第一电信号激励纵向压电双晶片，产生纵向一阶弯曲振动，带动柔性鳍产生纵向的一阶弯曲振动，同时采用第二电信号激励第一、第二横向压电双晶片，采用第三电信号激励第三、第四横向压电双晶片，第一、第二电信号的相位差为π/2，第一、第三电信号的相位差为-π/2，第二、第三电信号的相位差为π，产生相位差为π的两个横向一阶弯曲振动，带动柔性鳍产生纵向的二阶弯曲振动，纵向的一阶弯曲振动和纵向的二阶弯曲振动叠加形成纵向方向上的的行波，实现柔性鳍的水中纵向波动推进；
如需波形运动水下仿生推进器实现水中反向的波动推进，调整第二、第三电信号的相位差为-π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是本发明中纵向压电双晶片的极化方向以及接线示意图；
图3（a）、图3（b）分别是本发明中第一横向压电双晶片、第三横向压电双晶片的极化方向以及接线示意图；
图4是本发明中纵向一阶弯曲振动的振型示意图；
图5（a）是本发明中第一、第二横向压电双晶片产生的横向一阶弯曲振动的振型示意图，图5（b）是本发明中第三、第四横向压电双晶片产生的横向一阶弯曲振动的振型示意图；
图中，1-纵向压电双晶片，2-第一横向压电双晶片，3-第二横向压电双晶片，4-第三横向压电双晶片，5-第四横向压电双晶片，6-第一连接板，7-第二连接板，8-第一纵向桨叶，9-第二纵向桨叶，10-第一横向桨叶，11-第二横向桨叶，12-第三横向桨叶，13-第四横向桨叶，14-柔性鳍。
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。
应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。
如图1所示，本发明公开了一种微小型波形运动水下仿生推进器，包括振动部和柔性鳍；
所述振动部包含纵向压电双晶片、第一至第四横向压电双晶片、第一至第二连接板、第一至第二纵向桨叶、第一至第四横向桨叶；
所述纵向压电双晶片、第一至第四横向压电双晶片均呈矩形，皆沿厚度方向极化且极化方向均相同；
所述第一至第二连接板均呈矩形，其中，所述第一连接板一端和所述纵向压电双晶片的一端粘贴相连，另一端和所述第一纵向桨叶的一端粘贴相连；所述第二连接板一端和所述纵向压电双晶片的另一端粘贴相连，另一端和所述第二纵向桨叶的一端粘贴相连；
所述第一、第二横向压电双晶片对称设置在所述第一连接板两侧，均一端和所述第一连接板粘贴相连；所述第一横向压电双晶片的另一端和所述第一横向桨叶的一端粘贴相连；所述第二横向压电双晶片的另一端和所述第二横向桨叶的一端粘贴相连；
所述第三、第四横向压电双晶片对称设置在所述第二连接板两侧，均一端和所述第二连接板粘贴相连；所述第三横向压电双晶片的另一端和所述第三横向桨叶的一端粘贴相连；所述第四横向压电双晶片的另一端和所述第四横向桨叶的一端粘贴相连；
所述柔性鳍采用弹性模量小于预设的弹性阈值的柔性材料制成，呈六边形，和所述振动部的上端面粘贴相连。
作为本发明一种微小型波形运动水下仿生推进器，所述纵向压电双晶片、第一至第四横向压电双晶片上均涂有防水涂料。
作为本发明一种微小型波形运动水下仿生推进器，所述柔性鳍采用硅橡胶制成。
本发明还公开了一种该微小型波形运动水下仿生推进器的驱动方法，包含如下步骤：
采用第一电信号激励纵向压电双晶片，如图2所示，产生纵向一阶弯曲振动，带动柔性鳍产生纵向的一阶弯曲振动，如图4所示，同时采用第二电信号激励第一、第二横向压电双晶片，采用第三电信号激励第三、第四横向压电双晶片，如图3（a）、图3（b）所示，第一、第二电信号的相位差为π/2，第一、第三电信号的相位差为-π/2，第二、第三电信号的相位差为π，产生相位差为π的两个横向一阶弯曲振动，如图5（a）、图5（b）所示，带动柔性鳍产生纵向的二阶弯曲振动，纵向的一阶弯曲振动和纵向的二阶弯曲振动叠加形成纵向方向上的的行波，实现柔性鳍的水中纵向波动推进；
如需波形运动水下仿生推进器实现水中反向的波动推进，调整第二、第三电信号的相位差为-π即可。
本发明结构简单，便于微小型化，控制方式简单，应用场景更加广泛。
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 (4)
1.一种微小型波形运动水下仿生推进器，其特征在于，包括振动部和柔性鳍；
所述振动部包含纵向压电双晶片、第一至第四横向压电双晶片、第一至第二连接板、第一至第二纵向桨叶、第一至第四横向桨叶；
所述纵向压电双晶片、第一至第四横向压电双晶片均呈矩形，皆沿厚度方向极化且极化方向均相同；
所述第一至第二连接板均呈矩形，其中，所述第一连接板一端和所述纵向压电双晶片的一端粘贴相连，另一端和所述第一纵向桨叶的一端粘贴相连；所述第二连接板一端和所述纵向压电双晶片的另一端粘贴相连，另一端和所述第二纵向桨叶的一端粘贴相连；
所述第一、第二横向压电双晶片对称设置在所述第一连接板两侧，均一端和所述第一连接板粘贴相连；所述第一横向压电双晶片的另一端和所述第一横向桨叶的一端粘贴相连；所述第二横向压电双晶片的另一端和所述第二横向桨叶的一端粘贴相连；
所述第三、第四横向压电双晶片对称设置在所述第二连接板两侧，均一端和所述第二连接板粘贴相连；所述第三横向压电双晶片的另一端和所述第三横向桨叶的一端粘贴相连；所述第四横向压电双晶片的另一端和所述第四横向桨叶的一端粘贴相连；
所述柔性鳍采用弹性模量小于预设的弹性阈值的柔性材料制成，呈六边形，和所述振动部的上端面粘贴相连。
2.根据权利要求1所述的微小型波形运动水下仿生推进器，其特征在于，所述纵向压电双晶片、第一至第四横向压电双晶片上均涂有防水涂料。
3.根据权利要求1所述的微小型波形运动水下仿生推进器，其特征在于，所述柔性鳍采用硅橡胶制成。
4.基于权利要求1所述的微小型波形运动水下仿生推进器的驱动方法，其特征在于，包含如下步骤：
采用第一电信号激励纵向压电双晶片，产生纵向一阶弯曲振动，带动柔性鳍产生纵向的一阶弯曲振动，同时采用第二电信号激励第一、第二横向压电双晶片，采用第三电信号激励第三、第四横向压电双晶片，第一、第二电信号的相位差为π/2，第一、第三电信号的相位差为-π/2，第二、第三电信号的相位差为π，产生相位差为π的两个横向一阶弯曲振动，带动柔性鳍产生纵向的二阶弯曲振动，纵向的一阶弯曲振动和纵向的二阶弯曲振动叠加形成纵向方向上的的行波，实现柔性鳍的水中纵向波动推进；
如需波形运动水下仿生推进器实现水中反向的波动推进，调整第二、第三电信号的相位差为-π即可。
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