本實(shí)用新型涉及仿生機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種夾心式壓電驅(qū)動(dòng)仿生蝌蚪。

背景技術(shù)：

近年來，南海局勢持續(xù)升溫，我國在南海領(lǐng)域投入了大量的人力物力，以對(duì)復(fù)雜多變的局勢做出快速反應(yīng)。但是派遣艦艇巡邏的方式不僅需要大量的國防開支，還做不到無遺漏的全天候信息獲取。目前，機(jī)器仿生魚已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，仿生魚可以成為一個(gè)信息獲取的工具，持續(xù)地在南海巡邏。現(xiàn)有的仿生魚技術(shù)打過是靠多關(guān)節(jié)串聯(lián)的擺尾裝置驅(qū)動(dòng)，這種方式控制復(fù)雜，仿生魚重量大，結(jié)構(gòu)大；采用人工肌肉驅(qū)動(dòng)的仿生魚成本高且控制復(fù)雜，以上兩種技術(shù)都不適于實(shí)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種夾心式壓電驅(qū)動(dòng)仿生蝌蚪。

本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種夾心式壓電驅(qū)動(dòng)仿生蝌蚪，包括頭部殼體、壓電換能器和尾巴；

所述頭部殼體為球形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)設(shè)有空腔，其外壁上設(shè)有和所述空腔相通用于安裝尾巴的通孔；

所述尾巴為連續(xù)變截面結(jié)構(gòu)，其較粗的一端設(shè)置在頭部殼體的空腔內(nèi)，較細(xì)的一端通過所述通孔伸出頭部殼體，較粗的一端無法穿過所述通孔，且較粗的一端設(shè)有螺紋盲孔；

所述頭部殼體空腔的左邊內(nèi)壁上和右邊內(nèi)壁上分別設(shè)有用于固定所述壓電換能器的支架；

所述壓電換能器包含第一金屬塊、彎振壓電陶瓷組件、固定片、縱振壓電陶瓷組件、第二金屬塊和螺栓；所述第一金屬塊、彎振壓電陶瓷組件、固定片、縱振壓電陶瓷組件、第二金屬塊上均設(shè)有所述螺栓穿過的孔；所述螺栓依次穿過所述第一金屬塊、彎振壓電陶瓷組件、固定片、縱振壓電陶瓷組件、第二金屬塊后和所述尾巴上的螺紋盲孔螺紋連接；所述固定片的上端和下端分別和所述頭部殼體空腔中的兩個(gè)支架固定連接；

所述彎振壓電陶瓷組件用于產(chǎn)生彎振沿著尾巴傳播；

所述縱振壓電陶瓷組件用于產(chǎn)生縱振沿著尾巴傳播。

作為本實(shí)用新型一種夾心式壓電驅(qū)動(dòng)仿生蝌蚪進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述尾巴在與所述通孔接觸處的內(nèi)側(cè)設(shè)有弧形臺(tái)階，用于保證所述尾巴在受力時(shí)不脫離上述頭部殼體。

作為本實(shí)用新型一種夾心式壓電驅(qū)動(dòng)仿生蝌蚪進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述頭部殼體采用金屬或玻璃鋼制成。

作為本實(shí)用新型一種夾心式壓電驅(qū)動(dòng)仿生蝌蚪進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述尾巴呈扁平狀。

作為本實(shí)用新型一種夾心式壓電驅(qū)動(dòng)仿生蝌蚪進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述彎振壓電陶瓷組件包含兩片彎振陶瓷片和一片電極片，所述兩片彎振陶瓷片將電極片夾在中間，每片彎振壓電陶瓷片均有左右兩個(gè)極化方向相反的極化分區(qū)，且兩片彎振陶瓷片在同一端的極化分區(qū)的極化方向相反。

作為本實(shí)用新型一種夾心式壓電驅(qū)動(dòng)仿生蝌蚪進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述縱振壓電陶瓷組件包含兩片縱振陶瓷片和一片電極片，所述兩片縱振陶瓷片將電極片夾在中間，兩片縱振陶瓷片均為單一極化分區(qū)，極化方向分別垂直于所述電極片向外。

本實(shí)用新型還公開了一種基于該夾心式壓電驅(qū)動(dòng)仿生蝌蚪的工作方法，包含以下具體步驟：

采用有π/2相位差的兩組電信號(hào)分別激勵(lì)兩組壓電陶瓷組件，使換能器分別產(chǎn)生縱振和彎振；

縱振和彎振耦合成行波并沿著尾巴傳播，因?yàn)樗畬?duì)尾巴振動(dòng)的阻尼作用，大大減弱了尾巴末端的行波反射避免駐波的產(chǎn)生，從而模擬出蝌蚪游動(dòng)時(shí)尾巴波動(dòng)運(yùn)動(dòng)；

通過改變電壓大小改變游動(dòng)速度，改變彎振壓電陶瓷組件的電信號(hào)形式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1. 結(jié)構(gòu)簡單，便于小型化；

2. 控制方式簡單，有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型中頭部殼體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型中壓電換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型中尾巴結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)用新型中縱振壓電陶瓷片組件及極化方向示意圖；

圖6是本實(shí)用新型中彎振壓電陶瓷片組件及極化方向示意圖；

圖7是本實(shí)用新型中壓電換能器的振型圖。

其中，1-頭部殼體，2-螺母，3-螺栓，4-壓電換能器，4.1-第一金屬塊，4.2-彎振壓電陶瓷組件，4.3-固定片，4.4-縱振壓電陶瓷組件，4.5-第二金屬塊，4.6-螺栓，5-尾巴，6-電極片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

如圖1所示，本實(shí)用新型公開了一種夾心式壓電驅(qū)動(dòng)仿生蝌蚪，包括頭部殼體、壓電換能器和尾巴。

如圖2所示，頭部殼體為球形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)設(shè)有空腔，其外壁上設(shè)有和空腔相通用于安裝尾巴的通孔。

頭部殼體可為任何形式的空腔結(jié)構(gòu)，材料可為任何強(qiáng)度足夠的材料，例如金屬或玻璃鋼。

尾巴為連續(xù)變截面結(jié)構(gòu)，其較粗的一端設(shè)置在頭部殼體的空腔內(nèi)，較細(xì)的一端通過通孔伸出頭部殼體，較粗的一端無法穿過通孔，且較粗的一端設(shè)有螺紋盲孔。

頭部殼體空腔的左邊內(nèi)壁上和右邊內(nèi)壁上分別設(shè)有用于固定壓電換能器的支架。

如圖3所示，壓電換能器包含第一金屬塊、彎振壓電陶瓷組件、固定片、縱振壓電陶瓷組件、第二金屬塊和螺栓；第一金屬塊、彎振壓電陶瓷組件、固定片、縱振壓電陶瓷組件、第二金屬塊上均設(shè)有螺栓穿過的孔；螺栓依次穿過第一金屬塊、彎振壓電陶瓷組件、固定片、縱振壓電陶瓷組件、第二金屬塊后和尾巴上的螺紋盲孔螺紋連接；固定片的上端和下端分別和頭部殼體空腔中的兩個(gè)支架固定連接；

彎振壓電陶瓷組件用于產(chǎn)生彎振沿著尾巴傳播；

縱振壓電陶瓷組件用于產(chǎn)生縱振沿著尾巴傳播。

尾巴為扁平狀連續(xù)變截面結(jié)構(gòu)，越遠(yuǎn)離頭部截面越小，其在與所述通孔接觸處的內(nèi)側(cè)設(shè)有弧形臺(tái)階，以保證尾巴在受到X軸正向力時(shí)不脫離頭部殼體，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

如圖5所示，縱振壓電陶瓷組件包含兩片縱振陶瓷片和一片電極片，兩片縱振陶瓷片將電極片夾在中間，兩片縱振陶瓷片均為單一極化分區(qū)，極化方向分別垂直于電極片向外，一片極化方向?yàn)閄軸正方形，一片為X軸負(fù)方向。

如圖6所示，彎振壓電陶瓷組件包含兩片彎振陶瓷片和一片電極片，兩片彎振陶瓷片將電極片夾在中間，每片彎振壓電陶瓷片均有左右兩個(gè)極化方向相反的極化分區(qū)，且兩片彎振陶瓷片在同一端的極化分區(qū)的極化方向相反。

仿生蝌蚪采用硅膠或玻璃膠密封。頭部殼體中剩余空間可放置其他附件以實(shí)現(xiàn)不同功能。例如攝像頭、紅外探測器、小型聲吶系統(tǒng)等。

通過使用有π/2相位差的兩組電信號(hào)分別激勵(lì)兩組壓電陶瓷組件，使換能器分別產(chǎn)生縱振和彎振，其中實(shí)線表示縱振模態(tài)，虛線表示彎振模態(tài)，橢圓箭頭表示橢圓軌跡，如圖7所示（此處以一階縱振和二階彎振為例），使縱振振型的振幅最大處位于壓電換能器和尾巴的結(jié)合位置，使彎振振型的節(jié)點(diǎn)位于壓電換能器和尾巴的結(jié)合位置，縱振和彎振的耦合使尾巴端部的質(zhì)點(diǎn)呈現(xiàn)橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓運(yùn)動(dòng)沿著尾巴傳播，從而產(chǎn)生一個(gè)行波。因?yàn)樗畬?duì)尾巴振動(dòng)的阻尼作用，大大減弱了尾巴末端的行波反射避免駐波的產(chǎn)生，從而模擬出蝌蚪游動(dòng)時(shí)尾巴波動(dòng)運(yùn)動(dòng)。通過改變電壓大小可以改變游動(dòng)速度，改變彎振壓電陶瓷組件的電信號(hào)形式可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，如將正弦信號(hào)變?yōu)榘胫芷谛盘?hào)。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，便于小型化，控制方式簡單，有廣闊的應(yīng)用前景。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語（包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語）具有與本實(shí)用新型所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。