本發(fā)明屬于仿生水下運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，具體涉及一種基于柔性壓電驅(qū)動(dòng)器的仿生章魚水下推進(jìn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

生物具有的功能迄今比任何人工制造的機(jī)械都優(yōu)越很多，仿生學(xué)就是要在工程上實(shí)現(xiàn)并有效地應(yīng)用生物功能的一門學(xué)科。例如關(guān)于信息接受(感覺功能)、信息傳遞(神經(jīng)功能)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等，這種生物體的結(jié)構(gòu)與功能在機(jī)械設(shè)計(jì)方面給了很大啟發(fā)。仿生學(xué)的任務(wù)就是要研究生物系統(tǒng)的優(yōu)異能力及產(chǎn)生的原理，并把它模式化，然后應(yīng)用這些原理去設(shè)計(jì)和制造新的技術(shù)設(shè)備。

海洋游動(dòng)生物的推進(jìn)模式主要有軀體尾鰭模式、胸鰭模式、射流模式這三種，其中前兩種常見于多數(shù)魚類，而射流模式則主要見于章魚、水母等生物的運(yùn)動(dòng)中。在章魚的尾部長(zhǎng)著一個(gè)環(huán)形孔，海水經(jīng)過(guò)環(huán)形孔進(jìn)入外套膜并有軟骨把孔封住。當(dāng)它要進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，外套膜猛烈收縮，軟骨松開，水便從前腹部的噴水管急速向后噴射出去，瞬時(shí)產(chǎn)生很大的推力，以實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)方式在水中的噪音很小，同時(shí)具有速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于柔性壓電驅(qū)動(dòng)器的仿生章魚水下推進(jìn)系統(tǒng)，以柔性壓電纖維復(fù)合材料為動(dòng)力源，其仿照章魚能夠用水填充自己的身體，然后迅速將水壓榨出的射流推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)模式而設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重復(fù)性好的特點(diǎn)，為海洋科考等領(lǐng)域提供了一種新的思路。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

基于柔性壓電驅(qū)動(dòng)器的仿生章魚水下推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于：包含入口孔、入口單向閥、仿生軀體、柔性壓電纖維復(fù)合材料、基板、出口孔、出口單向閥和驅(qū)動(dòng)電纜組；其中仿生軀體為硅膠材料制成，在初始狀態(tài)下仿生軀體呈近似紡錘形；柔性壓電纖維復(fù)合材料壓電片粘在其下側(cè)對(duì)應(yīng)位置布置的基板上共同組成柔性壓電驅(qū)動(dòng)器，該推進(jìn)系統(tǒng)總計(jì)有五個(gè)柔性壓電驅(qū)動(dòng)器，仿生軀體的側(cè)壁外表面沿其周圍均布粘貼有四個(gè)等距間隔排列的柔性壓電驅(qū)動(dòng)器，兩兩相鄰的壓電驅(qū)動(dòng)器之間的仿生軀體的中間部位開有入口孔，共計(jì)四個(gè)入口孔，入口單向閥粘于仿生軀體的側(cè)壁內(nèi)表面；仿生軀體的尾部粘貼有一個(gè)垂直布置的柔性壓電驅(qū)動(dòng)器，其兩側(cè)對(duì)稱位置的仿生軀體上各有一個(gè)出口孔，出口單向閥粘于仿生軀體底部開孔的外表面。

根據(jù)上述基于柔性壓電驅(qū)動(dòng)器的仿生章魚水下推進(jìn)系統(tǒng)，其仿生軀體的側(cè)壁外表面粘貼的四片柔性壓電纖維復(fù)合材料壓電片彼此間隔90°，其下側(cè)對(duì)應(yīng)位置布置有四片基板，基板彼此也間隔90°，四個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器與仿生柔性軀體的側(cè)壁面具有一致的彎曲弧度。

工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電纜組向仿生軀體側(cè)壁外表面布置的四個(gè)柔性壓電驅(qū)動(dòng)器提供交流電壓，柔性壓電纖維復(fù)合材料在交變電壓的作用下，產(chǎn)生伸長(zhǎng)和縮短的往復(fù)交替變化，和基板相互配合形成彎矩，柔性壓電驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生向內(nèi)和向外往復(fù)的彎曲運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)仿生軀體共同運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)仿生軀體所包裹空間的內(nèi)收和外擴(kuò)，通過(guò)單向閥的開合，控制水的吸入和噴出，實(shí)現(xiàn)與自然界中真實(shí)章魚運(yùn)動(dòng)相似的射流推進(jìn)效果。當(dāng)仿生章魚需要在運(yùn)動(dòng)中改變方向時(shí)，仿生軀體尾部垂直布置的柔性壓電驅(qū)動(dòng)器在直流波動(dòng)電壓的作用下發(fā)生單側(cè)擺動(dòng)，使其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于柔性壓電驅(qū)動(dòng)器的仿生章魚水下推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明基于柔性壓電驅(qū)動(dòng)器的仿生章魚水下推進(jìn)系統(tǒng)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是水吸入仿生軀體，仿生軀體體積變大的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是水吸入仿生軀體，仿生軀體體積變大的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是水排出仿生軀體，仿生軀體體積變小的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是水排出仿生軀體，仿生軀體體積變小的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1和圖2說(shuō)明，本發(fā)明一種基于壓電纖維復(fù)合材料的仿生章魚水下推動(dòng)裝置，包括：入口孔1、入口單向閥2、仿生軀體3、出口孔4、出口單向閥5、仿生軀體3尾部垂直粘貼的柔性壓電纖維復(fù)合材料601、仿生軀體3尾部垂直粘貼的基板602、仿生軀體3側(cè)壁外部粘貼的柔性壓電纖維復(fù)合材料701、仿生軀體3側(cè)壁外部粘貼的基板702、和驅(qū)動(dòng)電纜組8，其中:

仿生軀體3為硅膠材料制成，在初始狀態(tài)下仿生軀體3近似紡錘形；仿生軀體3的側(cè)壁外表面的柔性壓電纖維復(fù)合材料壓電片702粘在其下側(cè)對(duì)應(yīng)位置布置的基板702上共同組成柔性壓電驅(qū)動(dòng)器7，仿生軀體3的側(cè)壁外表面沿其周圍均布粘貼有四個(gè)等距間隔排列的柔性壓電驅(qū)動(dòng)器7，兩兩相鄰的柔性壓電驅(qū)動(dòng)器7之間的仿生軀體3的中間部位開有入口孔1，共計(jì)四個(gè)入口孔1，四個(gè)入口單向閥2分別粘于仿生軀體3側(cè)壁上四個(gè)入口孔1的內(nèi)表面；仿生軀體3尾部垂直粘貼的基板602和其上粘貼的柔性壓電纖維復(fù)合材料601共同組成柔性壓電驅(qū)動(dòng)器6，仿生軀體3在柔性壓電驅(qū)動(dòng)器6兩側(cè)對(duì)稱位置各有一個(gè)出口孔4，兩個(gè)出口單向閥5分別粘于仿生軀體3底部?jī)蓚€(gè)出口孔4的外表面。

仿生軀體3側(cè)壁外表面布置的四片柔性壓電纖維復(fù)合材料壓電片701彼此間隔90°，四片基板702在其下方對(duì)應(yīng)位置?；?02和紡錘形仿生軀體3表面具有一致的向外彎曲弧度，基板702下表面和仿生軀體3外表面緊密粘合，柔性壓電纖維復(fù)合材料壓電片701具有和基板702一致的向外彎曲弧度，柔性壓電纖維復(fù)合材料壓電片701和基板702緊密粘合。

當(dāng)仿生章魚在水中直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電纜組8的一個(gè)輸出端和仿生軀體側(cè)壁布置的四個(gè)柔性壓電驅(qū)動(dòng)器7的正極相連，另一個(gè)輸出端和仿生軀體側(cè)壁布置的四個(gè)柔性壓電驅(qū)動(dòng)器7的負(fù)極相連；驅(qū)動(dòng)電纜組8向整個(gè)裝置提供交變電壓作為動(dòng)力源，在交變電壓的作用下，柔性壓電纖維復(fù)合材料701產(chǎn)生伸長(zhǎng)和縮短的往復(fù)交替變化，在基板702的配合下形成彎矩，柔性壓電驅(qū)動(dòng)器7產(chǎn)生向內(nèi)和向外往復(fù)的彎曲運(yùn)動(dòng)。當(dāng)仿生軀體3側(cè)壁外表面均布粘貼的四片柔性壓電纖維復(fù)合材料壓電片701同時(shí)伸長(zhǎng)時(shí)，由于基板702的限制，使得四個(gè)柔性電驅(qū)動(dòng)器7同時(shí)由平衡位置產(chǎn)生向外的彎曲變形，帶動(dòng)和基板702粘接的仿生軀體3周圍同時(shí)向外運(yùn)動(dòng)，柔性壓電驅(qū)動(dòng)器7向外的彎曲弧度變大，仿生軀體3的徑向長(zhǎng)度變短而橫截面面積變大，仿生軀體3由近似紡錘形變?yōu)榻魄蛐?，仿生軀體3體積增大，位于仿生軀體3底部的兩個(gè)出口單向閥5關(guān)閉，同時(shí)位于仿生軀體3側(cè)壁內(nèi)表面的四個(gè)入口單向閥2均打開，水從外部經(jīng)四個(gè)入口孔1和入口單向閥2流入仿生軀體3內(nèi)部。

當(dāng)仿生柔性軀體3側(cè)壁外表面均布粘貼的四片柔性壓電纖維復(fù)合材料壓電片701同時(shí)由伸長(zhǎng)狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)時(shí)，由于基板702的限制，柔性壓電驅(qū)動(dòng)器7向外彎曲的弧度逐漸縮小直至恢復(fù)平衡狀態(tài)。在此過(guò)程中，入口單向閥2關(guān)閉，出口單向閥5打開，仿生軀體3內(nèi)的水由仿生柔性軀體3內(nèi)部經(jīng)出口單向閥5和出口孔4噴出，直至仿生軀體3的內(nèi)外壓力平衡，此時(shí)，入口單向閥2和出口單向閥5均關(guān)閉。

當(dāng)仿生軀體3側(cè)壁外表面均布粘貼的四片柔性壓電纖維復(fù)合材料壓電片701同時(shí)縮短時(shí)，由于基板702的限制，使得四個(gè)柔性壓電驅(qū)動(dòng)器7同時(shí)由平衡位置產(chǎn)生向內(nèi)的彎曲變形，帶動(dòng)和基板702粘接的仿生軀體3周圍同時(shí)向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，仿生軀體3徑向長(zhǎng)度變長(zhǎng)而橫截面面積變小，仿生柔性軀體3體積縮小，位于仿生軀體3底部的兩個(gè)出口單向閥5打開，同時(shí)位于仿生軀體3側(cè)壁內(nèi)表面的四個(gè)入口單向閥2均關(guān)閉，水繼續(xù)從仿生軀體3內(nèi)部經(jīng)打開的出口單向閥5和出口孔4噴出。

當(dāng)仿生軀體3側(cè)壁外表面均布粘貼的四片柔性壓電纖維復(fù)合材料壓電片602同時(shí)由縮短狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)時(shí)，由于基板702的限制，四個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器7向外彎曲的弧度逐漸增大直至恢復(fù)平衡狀態(tài)。在此過(guò)程中，四個(gè)入口單向閥2打開，出口單向閥5關(guān)閉，流體由外部經(jīng)入口孔1和入口單向閥2流入仿生軀體3內(nèi)部，直至平衡狀態(tài)。此時(shí)仿生軀體3內(nèi)外壓力平衡，入口單向閥2和出口單向閥5均關(guān)閉。如此往復(fù)進(jìn)行，在單向閥的配合下，實(shí)現(xiàn)模擬章魚射流推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)仿生章魚需要在運(yùn)動(dòng)中改變方向時(shí)，保持其直線運(yùn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)電纜組8的連接方式不變，驅(qū)動(dòng)電纜組8另兩個(gè)輸出端的一個(gè)和仿生軀體3尾部垂直布置的柔性壓電驅(qū)動(dòng)器6的正極相連，另一個(gè)和仿生軀體3尾部垂直布置的柔性壓電驅(qū)動(dòng)器6的負(fù)極相連。仿生軀體3尾部垂直布置的柔性壓電驅(qū)動(dòng)器6在直流波動(dòng)電壓的作用下發(fā)生單側(cè)擺動(dòng)，使其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變。