仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括曲軸、導(dǎo)桿、搖塊、壓電復(fù)合鰭條、魚體底座、曲軸支座、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池組和主控制板，所述曲軸設(shè)置在曲軸支座上，所述搖塊包括銷軸和搖塊支座，所述銷軸設(shè)置在搖塊支座上，所述曲軸支座和搖塊支座固設(shè)在魚體底座上，所述搖塊的一端和曲軸間連接導(dǎo)桿，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)與曲軸間通過齒輪連接，所述搖塊的另一端設(shè)置壓電復(fù)合鰭條，所述電池組提供直流電源，所述主控制板與壓電復(fù)合鰭條電連接，所述曲軸為四拐曲軸，且四拐曲軸的每個(gè)拐軸上均設(shè)置導(dǎo)桿。以實(shí)現(xiàn)減小結(jié)構(gòu)尺寸和魚體重量且實(shí)現(xiàn)弦向的波動(dòng)推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明具體地，涉及一種仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]魚類游動(dòng)靈活、高效，而且沒有噪聲，其許多優(yōu)勢可以應(yīng)用于水下科研、勘測、救助等領(lǐng)域?，F(xiàn)有采用胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式的仿生魚樣機(jī)在運(yùn)動(dòng)速度、推進(jìn)效率、機(jī)動(dòng)性能等方面尚未達(dá)到其自然原型的水平，距離實(shí)際應(yīng)用亦存在一定差距。其推進(jìn)性能有待進(jìn)一步提升，推進(jìn)機(jī)理研究將會繼續(xù)深入，鑒于胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式所具有的特質(zhì)，以及以其為原型研制的仿生魚的潛在優(yōu)勢和廣闊應(yīng)用前景，采用這一推進(jìn)模式仿生魚的研究已經(jīng)逐漸得到科研人員的重視。
[0003]對于鰩魚游動(dòng)推進(jìn)特性，胸鰭運(yùn)動(dòng)是運(yùn)動(dòng)動(dòng)力的主要來源，仿生設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在胸鰭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一般根據(jù)仿生實(shí)驗(yàn)和游動(dòng)機(jī)理胸鰭可以被分為兩類:一是單鰭條驅(qū)動(dòng)的扁平被動(dòng)柔性鰭面；二是多鰭條復(fù)合運(yùn)動(dòng)主動(dòng)控制柔性鰭面。第一類型胸鰭的運(yùn)動(dòng)變形和波動(dòng)特性主要依賴于材料特性和流體作用力，限制了仿生魚體運(yùn)動(dòng)的可控性，可能使仿生設(shè)計(jì)實(shí)體脫離設(shè)計(jì)原型；而第二類則可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)需求控制鰭面的變形和波動(dòng)特性，有效增加仿生鰩魚推進(jìn)的靈活性，使仿生設(shè)計(jì)魚體更加接近于鰩魚的自然屬性。但是柔性鰭面可能出現(xiàn)一些無效形變，或者鰭面波動(dòng)幅度過小不足以產(chǎn)生足夠的推進(jìn)力，這些問題主要源于選材和驅(qū)動(dòng)方法的設(shè)計(jì)。
[0004]胸鰭推進(jìn)鰩魚的動(dòng)態(tài)波分布在鰭面的兩個(gè)方向即弦向和展向，剛性鰭條只能實(shí)現(xiàn)弦向波動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)展向波動(dòng)，多鉸鏈鰭條雖然滿足鰭面推進(jìn)特性，但是會使結(jié)構(gòu)中包含太多的連接部件和動(dòng)力源，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜。為了減少部件和控制電機(jī)數(shù)量，目前很多研究將壓電材料(PZT)、形狀記憶合金(SMA)和人工肌肉(IPMC)作為柔性鰭條材料，利用電壓和溫度變化控制鰭面的運(yùn)動(dòng)形成鰭面的波動(dòng)，但是由于要實(shí)現(xiàn)較大較快速的形變響應(yīng)要求，必須有較高的電壓源以及高頻變化的電壓和溫度，同時(shí)在推進(jìn)過程中還要保證克服水阻力影響導(dǎo)致推進(jìn)力過小的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，針對上述問題，提出一種仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)減小結(jié)構(gòu)尺寸和魚體重量且實(shí)現(xiàn)弦向的波動(dòng)推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括曲軸、導(dǎo)桿、搖塊、壓電復(fù)合鰭條、魚體底座、曲軸支座、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池組和主控制板，所述曲軸設(shè)置在曲軸支座上，所述搖塊包括銷軸和搖塊支座，所述銷軸設(shè)置在搖塊支座上，所述曲軸支座和搖塊支座固設(shè)在魚體底座上，所述搖塊的一端和曲軸間連接導(dǎo)桿，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)與曲軸間通過齒輪連接，所述搖塊的另一端設(shè)置壓電復(fù)合鰭條，所述電池組提供直流電源，所述主控制板與壓電復(fù)合鰭條電連接，所述曲軸為四拐曲軸，且四拐曲軸的每個(gè)拐軸上均設(shè)置導(dǎo)桿。[0007]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)上設(shè)置電機(jī)輸出錐齒輪，所述曲軸的一端設(shè)置曲軸驅(qū)動(dòng)錐齒輪，所述曲軸驅(qū)動(dòng)錐齒輪在電機(jī)輸出錐齒輪的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述導(dǎo)桿包括導(dǎo)桿上接頭、導(dǎo)桿體和導(dǎo)桿下接頭，所述導(dǎo)桿上接頭和導(dǎo)桿下接頭采用螺栓連接，所述導(dǎo)桿下接頭和導(dǎo)桿體采用螺紋連接。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述壓電復(fù)合鰭條包括鰭條基體和壓電層，所述壓電層設(shè)置在鰭條基體的兩側(cè)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述壓電復(fù)合鰭條為壓電夾層結(jié)構(gòu)，壓電層采用壓電材料，鰭條基體為硬質(zhì)塑料，行進(jìn)過程中兩個(gè)壓電層電壓相位差為180度。
[0011 ] 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述主控制板包括壓電變形控制模塊，所述壓電變形控制模塊包括控制器、功放模塊、運(yùn)放器Al、運(yùn)放器A2、電容C2、電容C3、電容Cl和搖塊角速度傳感器，所述搖塊角速度傳感器和控制器間連接功放模塊，所述運(yùn)放器Al的同相輸入端上并聯(lián)電容C2和電阻R1，所述運(yùn)放器A2的同相輸入端上并聯(lián)電容C3和電阻R4，所述電容Cl和電容C2串聯(lián)，且電容Cl的一端與壓電層串聯(lián)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述電容C2=C3，電容Cl=Cp，Cp為壓電層電容。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果:
本發(fā)明的技術(shù)方案，采用四拐曲軸形成四組曲柄搖塊機(jī)構(gòu)的組合運(yùn)動(dòng)，避免了鰭條的多動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，有效減小了結(jié)構(gòu)尺寸和魚體重量；同時(shí)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)大幅增加鰭條的擺角，使鰩魚胸鰭具有足夠的推進(jìn)，而且四拐曲軸相角的設(shè)計(jì)初步實(shí)現(xiàn)弦向的波動(dòng)推進(jìn)；本技術(shù)方案鰭條固接在搖塊上，鰭條采用壓電夾層復(fù)合而成，壓電材料控制響應(yīng)快速增加了仿生鰩魚運(yùn)動(dòng)的靈活性，利用雙層壓電反相驅(qū)動(dòng)變形實(shí)現(xiàn)鰭條的大幅展向波動(dòng)。推進(jìn)過程中根據(jù)搖塊擺動(dòng)角速度和壓電層壓差實(shí)時(shí)調(diào)整控制電壓，以保證仿生鰩魚的游動(dòng)特性。
[0014]下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述的仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例所述的仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)中導(dǎo)桿的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例所述的仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)中銷軸的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例所述的仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)中壓電復(fù)合鰭條的結(jié)
構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例所述的壓電變形控制模塊的電子電路圖。
[0016]結(jié)合附圖，本發(fā)明實(shí)施例中附圖標(biāo)記如下:
1-曲軸，2-導(dǎo)桿，3-搖塊，4-壓電復(fù)合鰭條，5-魚體底座，6-曲軸支座，7-搖塊支座，8-驅(qū)動(dòng)電機(jī)，9-電機(jī)輸出錐齒輪，10-曲軸驅(qū)動(dòng)錐齒輪，11-電池組，12-主控制板，2-1為導(dǎo)桿上接頭，2-2為導(dǎo)桿體，2-3為導(dǎo)桿下接頭，3-1為銷軸,4-1為鰭條基體,4-2為壓電層。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。[0018]如圖1所示，一種仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括曲軸1、導(dǎo)桿2、搖塊3、壓電復(fù)合鰭條4、魚體底座5、曲軸支座6、驅(qū)動(dòng)電機(jī)8、電池組11和主控制板12，曲軸I設(shè)置在曲軸支座6上，搖塊3包括銷軸3-1和搖塊支座7，銷軸3-1設(shè)置在搖塊支座7上，曲軸支座6和搖塊支座7固設(shè)在魚體底座5上，搖塊3的一端和曲軸I間連接導(dǎo)桿2，驅(qū)動(dòng)電機(jī)8與曲軸I間通過齒輪連接，搖塊3的另一端設(shè)置壓電復(fù)合鰭條4，電池組11提供直流電源，主控制板12與壓電復(fù)合鰭條4電連接，曲軸I為四拐曲軸，且四拐曲軸的每個(gè)拐軸上均設(shè)置導(dǎo)桿。
[0019]其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)8上設(shè)置電機(jī)輸出錐齒輪9,曲軸I的一端設(shè)置曲軸驅(qū)動(dòng)錐齒輪10，曲軸驅(qū)動(dòng)錐齒輪10在電機(jī)輸出錐齒輪9的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)曲軸I旋轉(zhuǎn)。
[0020]如圖2所示，導(dǎo)桿包括導(dǎo)桿上接頭、導(dǎo)桿體和導(dǎo)桿下接頭，導(dǎo)桿上接頭和導(dǎo)桿下接頭采用螺栓連接，導(dǎo)桿下接頭和導(dǎo)桿體采用螺紋連接。
[0021 ] 如圖4所示，壓電復(fù)合鰭條包括鰭條基體和壓電層，壓電層設(shè)置在鰭條基體的兩側(cè)。
[0022]壓電復(fù)合鰭條為壓電夾層結(jié)構(gòu)，壓電層采用壓電材料，鰭條基體為硬質(zhì)塑料，行進(jìn)過程中兩個(gè)壓電層電壓相位差為180度。
[0023]壓電夾層復(fù)合鰭條
4-1為鰭條基體，4-2為壓電層
鰭條固接在搖塊上，實(shí)現(xiàn)鰭條的大角度拍動(dòng)，產(chǎn)生較大的推動(dòng)力。鰭條為壓電夾層結(jié)構(gòu)，外層采用壓電材料，中間層為硬質(zhì)塑料，行進(jìn)過程中上下兩個(gè)壓電層電壓相位差為180度，實(shí)現(xiàn)鰭的大幅度彎曲，通過改變控制電壓形成鰭面的仿生學(xué)運(yùn)動(dòng)特性。
[0024]主控制板包括壓電變形控制模塊，如圖5所示，壓電變形控制模塊包括控制器、功放模塊、運(yùn)放器Al、運(yùn)放器A2、電容C2、電容C3、電容Cl和搖塊角速度傳感器，搖塊角速度傳感器和控制器間連接功放模塊，運(yùn)放器Al的同相輸入端上并聯(lián)電容C2和電阻Rl，運(yùn)放器A2的同相輸入端上并聯(lián)電容C3和電阻R4，電容Cl和電容C2串聯(lián)，且電容Cl的一端與壓電層串聯(lián)。其中控制器采用單片機(jī)。
[0025]電容C2=C3，電容Cl=Cp，Cp為壓電層電容。
[0026]可以得出壓電層壓差Vs與鰭條應(yīng)變成正比，壓電層控制電壓V是搖塊角速度反饋量與Vs的合成。
[0027]其具體運(yùn)動(dòng)如下:
推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成以魚體軸線分布的左右對稱結(jié)構(gòu)，推進(jìn)機(jī)構(gòu)的曲軸I通過曲軸支座6固定在魚體底座5上，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)8帶動(dòng)電機(jī)輸出錐齒輪9將動(dòng)力傳遞給曲軸驅(qū)動(dòng)錐齒輪10，帶動(dòng)曲軸I同步轉(zhuǎn)動(dòng)，與之相連接的導(dǎo)桿2在跟隨曲軸I轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，相對搖塊3作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，搖塊3由銷軸與搖塊支座7組成，搖塊支座7用螺釘固定在魚體底座5上，實(shí)現(xiàn)相對魚體底座5的擺動(dòng)，從而在鰩魚推進(jìn)中形成主推進(jìn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿生鰩魚的弦向波動(dòng)。由于主推進(jìn)運(yùn)動(dòng)零部件剛性較大，采用壓電復(fù)合鰭條4固結(jié)接在搖塊3上，增加鰭面柔性，壓電復(fù)合鰭條4通過施加控制電壓達(dá)到與主推進(jìn)運(yùn)動(dòng)一致的彎曲變形，形成魚鰭展向波動(dòng)。電池組11為驅(qū)動(dòng)電機(jī)8和主控制板12提供電源。本技術(shù)方案中由于曲軸各拐之間存在相位角，各鰭條不是共面布置，鰭條為整個(gè)鰭面推進(jìn)提供動(dòng)力，鰭面選用柔性材料制作，鰭面與魚體采用防水膠粘接保證魚體可靠密封。[0028]四拐曲軸的相角比較小以保證鰭面比較平整，鰭面的展向波動(dòng)可以主要通過調(diào)整各鰭條控制電壓的相位和電壓幅值實(shí)現(xiàn)，各鰭條控制電壓和相角變化由控制器調(diào)控。圖5是壓電激勵(lì)反饋控制電路，由兩個(gè)壓電片同步實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變形檢測和激勵(lì)控制。
[0029]最后應(yīng)說明的是:以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括曲軸、導(dǎo)桿、搖塊、壓電復(fù)合鰭條、魚體底座、曲軸支座、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池組和主控制板,所述曲軸設(shè)置在曲軸支座上，所述搖塊包括銷軸和搖塊支座，所述銷軸設(shè)置在搖塊支座上，所述曲軸支座和搖塊支座固設(shè)在魚體底座上，所述搖塊的一端和曲軸間連接導(dǎo)桿，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)與曲軸間通過齒輪連接，所述搖塊的另一端設(shè)置壓電復(fù)合鰭條，所述電池組提供直流電源，所述主控制板與壓電復(fù)合鰭條電連接，所述曲軸為四拐曲軸，且四拐曲軸的每個(gè)拐軸上均設(shè)置導(dǎo)桿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)上設(shè)置電機(jī)輸出錐齒輪，所述曲軸的一端設(shè)置曲軸驅(qū)動(dòng)錐齒輪，所述曲軸驅(qū)動(dòng)錐齒輪在電機(jī)輸出錐齒輪的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述導(dǎo)桿包括導(dǎo)桿上接頭、導(dǎo)桿體和導(dǎo)桿下接頭，所述導(dǎo)桿上接頭和導(dǎo)桿下接頭采用螺栓連接，所述導(dǎo)桿下接頭和導(dǎo)桿體采用螺紋連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述壓電復(fù)合鰭條包括鰭條基體和壓電層，所述壓電層設(shè)置在鰭條基體的兩側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述壓電復(fù)合鰭條為壓電夾層結(jié)構(gòu)，壓電層采用壓電材料，鰭條基體為硬質(zhì)塑料，行進(jìn)過程中兩個(gè)壓電層電壓相位差為180度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述主控制板包括壓電變形控制模塊，所述壓電變形控制模塊包括控制器、功放模塊、運(yùn)放器Al、運(yùn)放器A2、電容C2、電容C3、電容Cl和搖塊角速度傳感器，所述搖塊角速度傳感器和控制器間連接功放模塊，所述運(yùn)放器Al的同相輸入端上并聯(lián)電容C2和電阻R1，所述運(yùn)放器A2的同相輸入端上并聯(lián)電容C3和電阻R4，所述電容Cl和電容C2串聯(lián)，且電容Cl的一端與上述壓電層串聯(lián)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的仿生鰩魚胸鰭的壓電耦合推進(jìn)機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述電容C2=C3，電容Cl=Cp，Cp為壓電層電容。
【文檔編號】B63H1/36GK103950527SQ201410194509
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】石慧榮, 李宗剛, 白歡, 張濤, 皺晉升 申請人:蘭州交通大學(xué)