本發(fā)明涉及仿生機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種仿生蝌蚪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其工作方法。

背景技術(shù)：

近年來，南海局勢(shì)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(shì)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?，F(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：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種仿生蝌蚪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其工作方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種仿生蝌蚪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包含頭部殼體、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、四個(gè)圓柱體和尾巴；

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)有左右對(duì)稱的第一安裝平面和第二安裝平面；

所述頭部殼體空腔的上部和下部設(shè)有對(duì)稱的第一凸起和第二凸起，所述第一凸起的端面、第二凸起的端面分別對(duì)應(yīng)第一安裝平面、第二安裝平面；

所述兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的一個(gè)設(shè)置在第一凸起的端面和第一安裝平面之間，另外一個(gè)設(shè)置在第二凸起的端面和第二安裝平面之間，用于配合驅(qū)動(dòng)尾巴左右擺動(dòng)；

所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包含壓電疊堆和兩個(gè)預(yù)緊裝置；其中，兩個(gè)預(yù)緊裝置的一端分別和壓電疊堆的兩端固定相連，另一端的端面上均設(shè)有V形凹槽；所述兩個(gè)預(yù)緊裝置用于調(diào)整所述壓電疊堆的預(yù)緊力；

所述第一安裝平面、第二安裝平面、第一凸起的端面、第二凸起的端面對(duì)應(yīng)所述兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的V形凹槽設(shè)有匹配的V形凹槽，使得所述兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和第一安裝平面、第二安裝平面、第一凸起的端面、第二凸起的端面的相接處形成四個(gè)菱形空隙；

所述四個(gè)圓柱體分別設(shè)置在所述四個(gè)菱形空隙中，且四個(gè)圓柱體的柱面均和其對(duì)應(yīng)菱形空隙的四個(gè)平面相抵，用于緩解調(diào)整預(yù)緊力時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中壓電疊堆受到的切向力作用。

作為本發(fā)明一種仿生蝌蚪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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。

作為本發(fā)明一種仿生蝌蚪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述預(yù)緊裝置包含兩個(gè)楔形塊和一個(gè)螺栓；

所述兩個(gè)楔形塊的斜面相抵，其中一個(gè)楔形塊的斜面上設(shè)有和預(yù)緊裝置調(diào)節(jié)方向垂直的通孔，所述通孔的內(nèi)壁上設(shè)有和所述螺栓相匹配的螺紋；另一個(gè)楔形塊的斜面沿預(yù)緊裝置調(diào)節(jié)方向設(shè)有供所述螺栓滑動(dòng)的滑槽；

所述螺栓穿過所述滑槽和所述通孔螺紋連接，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)楔形塊的斜面進(jìn)行滑動(dòng)進(jìn)而調(diào)整預(yù)緊裝置的長(zhǎng)度。

作為本發(fā)明一種仿生蝌蚪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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。

作為本發(fā)明一種仿生蝌蚪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述尾巴呈扁平狀。

本發(fā)明還公開了一種基于該仿生蝌蚪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作方法，其特征在于，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)所述兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的壓電疊堆，使其產(chǎn)生伸縮變形，激勵(lì)尾巴上的質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)，從而在上述尾巴產(chǎn)生一個(gè)彎曲行波；

由于水對(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可避免駐波的形成，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、改變兩相信號(hào)的電壓差實(shí)現(xiàn)空間360度運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明采用以上技術(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(jiǎn)單，便于小型化；

2. 控制方式簡(jiǎn)單，有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中頭部殼體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中預(yù)緊裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明中預(yù)緊裝置裝配與調(diào)節(jié)預(yù)緊力的原理圖；

圖5是本發(fā)明中尾巴的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1-頭部殼體，2-圓柱體，3-壓電疊堆，4-預(yù)緊裝置，5-尾巴，6-V形凹槽。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

如圖1所示，本發(fā)明公開了一種仿生蝌蚪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包含頭部殼體、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、四個(gè)圓柱體和尾巴。

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。

頭部殼體可以采用任何形式的空腔結(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)有左右對(duì)稱的第一安裝平面和第二安裝平面。

頭部殼體空腔的上部和下部設(shè)有對(duì)稱的第一凸起和第二凸起，第一凸起的端面、第二凸起的端面分別對(duì)應(yīng)第一安裝平面、第二安裝平面；

兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的一個(gè)設(shè)置在第一凸起的端面和第一安裝平面之間，另外一個(gè)設(shè)置在第二凸起的端面和第二安裝平面之間，用于配合驅(qū)動(dòng)尾巴左右擺動(dòng)；

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包含壓電疊堆和兩個(gè)預(yù)緊裝置；其中，兩個(gè)預(yù)緊裝置的一端分別和壓電疊堆的兩端固定相連，另一端的端面上均設(shè)有V形凹槽；兩個(gè)預(yù)緊裝置用于調(diào)整壓電疊堆的預(yù)緊力；

第一安裝平面、第二安裝平面、第一凸起的端面、第二凸起的端面對(duì)應(yīng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的V形凹槽設(shè)有匹配的V形凹槽，使得兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和第一安裝平面、第二安裝平面、第一凸起的端面、第二凸起的端面的相接處形成四個(gè)菱形空隙；

四個(gè)圓柱體分別設(shè)置在四個(gè)菱形空隙中，且四個(gè)圓柱體的柱面均和其對(duì)應(yīng)菱形空隙的四個(gè)平面相抵，用于緩解調(diào)整預(yù)緊力時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中壓電疊堆受到的切向力作用。

如圖3所示，預(yù)緊裝置包含兩個(gè)楔形塊和一個(gè)螺栓；兩個(gè)楔形塊的斜面相抵，其中一個(gè)楔形塊的斜面上設(shè)有和預(yù)警裝置調(diào)節(jié)方向垂直的通孔，通孔的內(nèi)壁上設(shè)有和螺栓相匹配的螺紋；另一個(gè)楔形塊的斜面沿預(yù)警裝置調(diào)節(jié)方向設(shè)有供螺栓滑動(dòng)的滑槽；螺栓穿過滑槽和通孔螺紋連接。

調(diào)節(jié)螺栓可以使兩個(gè)楔形塊沿著斜面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，從而改變預(yù)緊裝置的長(zhǎng)度，以此可以改變預(yù)緊力。

如圖4所示，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，壓電疊堆設(shè)置在兩個(gè)預(yù)緊裝置之間，四個(gè)圓柱體分別設(shè)置對(duì)應(yīng)的四個(gè)V形凹槽中，以緩解改變預(yù)緊力時(shí)壓電疊堆受到的切向力作用。

尾巴由可傳播振動(dòng)的材料制成，例如金屬。尾巴呈扁平狀，為連續(xù)變截面結(jié)構(gòu)，越遠(yuǎn)離頭部截面越小

尾巴在與所述通孔接觸處的內(nèi)側(cè)設(shè)有弧形臺(tái)階，使得尾巴較粗的一端扣在頭部殼體的內(nèi)側(cè)，以保證尾巴在受到X軸正向力時(shí)不脫離頭部頭部殼體，尾巴結(jié)構(gòu)如圖5所示。

仿生蝌蚪以硅膠方式密封。頭部殼體中剩余空間可放置其他附件已實(shí)現(xiàn)不同功能，例如攝像頭、紅外探測(cè)器、小型聲吶系統(tǒng)等。

兩個(gè)壓電疊堆安裝時(shí)呈一定角度，采用兩組有π/2相位差的電信號(hào)激勵(lì)。壓電疊堆在受到電信號(hào)激勵(lì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生伸縮變形，因?yàn)閮山M電信號(hào)之間有π/2相位差且兩個(gè)壓電疊堆之間有一定角度，尾巴上的質(zhì)點(diǎn)受到激勵(lì)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)（如圖5中所示），橢圓運(yùn)動(dòng)隨尾巴傳播，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改變游動(dòng)速度，改變兩相信號(hào)的電壓差可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

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）具有與本發(fā)明所屬領(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)本發(fā)明的目的、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，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。