[go: up one dir, main page]

CN114735179A - 一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍 - Google Patents

一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍 Download PDF

Info

Publication number
CN114735179A
CN114735179A CN202210435192.3A CN202210435192A CN114735179A CN 114735179 A CN114735179 A CN 114735179A CN 202210435192 A CN202210435192 A CN 202210435192A CN 114735179 A CN114735179 A CN 114735179A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bionic
fin
cuttlefish
wave
support beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210435192.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114735179B (zh
Inventor
周丽
秦润梓
邱涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Original Assignee
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics filed Critical Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority to CN202210435192.3A priority Critical patent/CN114735179B/zh
Publication of CN114735179A publication Critical patent/CN114735179A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114735179B publication Critical patent/CN114735179B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/30—Propulsive elements directly acting on water of non-rotary type
    • B63H1/37—Moving-wave propellers, i.e. wherein the propelling means comprise a flexible undulating structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63C—LAUNCHING, HAULING-OUT, OR DRY-DOCKING OF VESSELS; LIFE-SAVING IN WATER; EQUIPMENT FOR DWELLING OR WORKING UNDER WATER; MEANS FOR SALVAGING OR SEARCHING FOR UNDERWATER OBJECTS
    • B63C11/00—Equipment for dwelling or working underwater; Means for searching for underwater objects
    • B63C11/52—Tools specially adapted for working underwater, not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001—Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/0015—Driving devices, e.g. vibrators using only bending modes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00—Maritime or waterways transport
    • Y02T70/10—Measures concerning design or construction of watercraft hulls
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00—Maritime or waterways transport
    • Y02T70/50—Measures to reduce greenhouse gas emissions related to the propulsion system
    • Y02T70/5218—Less carbon-intensive fuels, e.g. natural gas, biofuels
    • Y02T70/5236—Renewable or hybrid-electric solutions

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍，属于水下机器人领域，本发明由仿生鳍条、仿生鳍面及支撑梁三部分组成。其中仿生鳍条由弹性基板及MFC组成；弹性基板及弹性基板上下两侧粘贴的MFC形成压电层合板结构，可在MFC的驱动下发生弯曲变形，弹性基板为纤维增强材料板；沿长度方向上的MFC按仿生鳍条的变形需求可采用不同型号，对称两侧的MFC采用同一型号；当仿生鳍面外侧为弧形时，仿生鳍条的长度从中间到两端依次减短，当仿生鳍面外侧为与仿生鳍条轴线垂直的直线时，仿生鳍条的长度均一致。本发明的实现仿生波动鳍的连续波动变形，结构紧凑、重量轻、效率高。

Description

一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍
技术领域
本发明属于水下机器人领域，具体涉及一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍。
背景技术
墨鱼的游动为喷射推进与鳍波动推进的复合游动模式，墨鱼长鳍的波动推进在中低速游动时起着主导作用。当需要推动墨鱼前进时，鳍波动使鳍周围的一部分流体动量改变，流体对鳍的反作用力使乌贼运动。鳍波动时，鳍尾缘轨迹线呈正弦波形，每次波动均可产生推力。
仿生波动推进具有灵活性高、推进速度快等优点。现有的仿生波动推进器大多模仿鱼的尾部摆动，采用伺服电机带动铰链机构的驱动方式，往往存在体积大、密封差、水下辐射噪声大及需要传动机构等问题。由于传统驱动方式存在的问题，智能驱动成为了仿生波动推进器驱动方式的未来研究方向。形状记忆合金驱动作为大多数仿生水下推进器的智能驱动方式，虽然具有驱动力大、形变量大的特点，但也存在工作响应频率低、能量耗散大、效率低的缺陷，且存在热控制的问题。超磁致伸缩薄膜也可用于仿生波动推进器的驱动，可是外加磁场的缺点限制了它的工作范围。因此需要开发新型的智能驱动方式来驱动仿生波动推进器，粗压电纤维复合材料（MFC），具有能量转换效率高、驱动力大、响应速度快和密封性好等特点，因此它更适合用于仿生波动推进器的驱动。故此，提出一种由MFC驱动模拟墨鱼长鳍的柔性仿生波动推进结构。
发明内容
针对当前仿生波动推进器的设计缺陷，提出了一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍，实现仿生波动鳍的连续波动变形，结构紧凑、重量轻、效率高。
本发明是这样实现的：
一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍主要由仿生鳍条、仿生鳍面及支撑梁三部分组成。所述的仿墨鱼波动鳍为半柔性结构，其中仿生鳍条、仿生鳍面为柔性结构，支撑梁为刚性结构；所述的仿生鳍条为宽边在内、窄边在外的船桨形状；仿生鳍条为三层结构，中间为弹性基板，弹性基板上下两侧对称粘贴MFC，形成压电层合板结构；所述的MFC（压电纤维复合材料）均为P1类型， MFC在交流电信号的激励下发生伸缩变形，使弹性基板上下两侧的MFC分别发生伸长与缩短，从而带动仿生鳍条的弯曲变形；弹性基板呈船桨形状，沿长度方向分为宽段、过渡段和窄段三段，其中宽段与窄段俯视为矩形，分别用于粘贴不同型号的MFC，中间过渡段俯视为等腰梯形；弹性基板同宽段的端部固定在支撑梁的凹槽内；每片MFC各在一端引出两根导线，导线紧贴在MFC表面及支撑梁表面，通过支撑梁上的导线孔连通至仿生墨鱼体内，并由仿生鳍面完整包覆住来密封，同时将导线做绝缘处理。
进一步，其中沿仿生鳍条的长度方向上的MFC按仿生鳍条的变形需求可采用不同型号，上下两侧对称的MFC采用同一型号；所述的仿墨鱼波动鳍上可安装5~10根仿生鳍条；每片弹性基板上可对称粘贴4~8片MFC。
进一步，为使仿生鳍条能在高频变形下具备较高的寿命及较好的变形能力，所述的弹性基板采用纤维增强材料，如碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料，这些材料不仅重量轻强度高，并且在具备一定刚度的同时不缺乏韧性，同时为保证仿生鳍条的刚度要求，所述的弹性基板的厚度应大于两侧MFC厚度。
进一步，所述的仿生鳍面的一侧为带弧形的不规则矩形形状；仿生鳍面包括上下两层的柔性蒙皮，上下两侧的柔性蒙皮互相粘贴在一起，将仿生鳍条完整包覆住使仿墨鱼波动鳍表面光滑，仿生鳍条在仿生鳍面内部作为承力骨架驱动仿生鳍面进行波动变形，两层柔性蒙皮均与支撑梁粘贴在一起。柔性蒙皮采用硅胶材料，疲劳强度及粘贴强度较高。
进一步，所述的支撑梁的刚性结构用来支撑仿生鳍条、仿生鳍面，并将仿墨鱼波动鳍固定在仿生墨鱼体上；所述的支撑梁的截面为T字形，T字形支撑梁的底板上伸出两片立板，底板上打圆孔及导线孔；仿生鳍条通过弹性基板的不粘贴MFC的端部固定在支撑梁的两片立板之间，仿生鳍面的一侧也粘贴固定在支撑梁立板上并包覆住立板，导线通过支撑梁上的导线孔连通至仿生墨鱼体内，支撑梁通过其上的圆孔固定在仿生墨鱼体上。
进一步，当仿生鳍面外侧为弧形时，仿生鳍条的长度从中间到两端依次减短，当仿生鳍面外侧为与仿生鳍条轴线垂直的直线时，仿生鳍条的长度均一致；柔性的仿生鳍面将仿生鳍条完整包覆住，一侧固定在支撑梁上，仿生鳍条在仿生鳍面内部作为承力骨架，驱动仿生鳍面连续波动变形；支撑梁用于固定仿生鳍条与仿生鳍面并将仿墨鱼波动鳍固定在仿生墨鱼体上。
本发明所述的仿墨鱼波动鳍通过模仿墨鱼长鳍的波动来实现波动推进，其工作过程为：
在仿墨鱼波动鳍工作时，每根仿生鳍条只做在竖直平面内的周期性柔性弯曲摆动运动，摆动弯曲时的形状为圆弧形，每个仿生鳍条摆动的周期都相同，摆动幅度为正弦规律；
所述的仿墨鱼波动鳍上安装五根仿生鳍条时，对于五根鳍条组成的仿墨鱼波动鳍，当相邻仿生鳍条处的MFC施加的交流信号相差四分之一周期相位时，所有仿生鳍条摆动端部的轨迹连线便形成连续的正弦波形；仿生鳍面在仿生鳍条的驱动下形成连续的正弦波形后，仿墨鱼波动鳍在波形连续变化的过程中产生推进力；对于本发明来说，设置5~10根仿生鳍条的工作方式也是一样的，这里是以五根举例，对于不同的推进需求可采用更多根鳍条，但相邻鳍条的相位差需要调整。
为实现仿生鳍条的连续弯曲摆动，对每片MFC施加周期一致的正弦交流电信号：其中弹性基板两侧的MFC施加反相激励信号，同一根仿生鳍条的同一侧MFC施加相位一致的激励信号，关于弹性基板对称的两侧MFC施加相位相反的激励信号，不同仿生鳍条上的MFC则施加不同相位的激励信号；对于五根鳍条组成的仿墨鱼波动鳍，每两根相邻仿生鳍条上的MFC所施加的激励信号的相位差为四分之一个周期。
本发明与现有技术的有益效果在于：
本发明的基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍没有常见的机械传动机构，通过MFC进行驱动，结构相对简单，可减轻推进器重量，仿墨鱼波动鳍可实现高频的波动变形且变形频率的可控性高，仿墨鱼波动鳍的波动频率及推进速度可通过调节MFC的激励电信号频率来进行控制。
附图说明
图1是本发明一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍的结构示意图；
图2是本发明仿生鳍条及导线的结构示意图；其中图2.1是本发明实施例中的中间仿生鳍条的结构示意图；图2.2是本发明实施例中次外侧仿生鳍条的结构示意图；图2.3是实施例中最外侧仿生鳍条的结构示意图；
图3是本发明支撑梁的结构示意图。
其中，1-仿生鳍条，1.1- MFC，1.2-弹性基板，1.3-导线；2-仿生鳍面；3-支撑梁。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的仿墨鱼波动鳍如图1所示，主要由仿生鳍条1、仿生鳍面2及支撑梁3三部分组成。其中仿生鳍条由弹性基板1.2及压电纤维复合材料（MFC1.1）组成，本发明的实施例中：每个仿墨鱼波动鳍上安装五根仿生鳍条1；弹性基板1.2及弹性基板上下两侧粘贴的MFC1.1形成压电层合板结构，可在MFC1.1的驱动下发生弯曲变形，弹性基板1.2为纤维增强材料板；每片弹性基板上对称粘贴4片MFC1.1，沿长度方向上的MFC1.1按仿生鳍条1的变形需求可采用不同型号，对称两侧的MFC1.1采用同一型号；当仿生鳍面2外侧为弧形时，仿生鳍条1的长度从中间到两端依次减短，当仿生鳍面2外侧为与仿生鳍条1轴线垂直的直线时，仿生鳍条1的长度均一致。柔性的仿生鳍面2将仿生鳍条1完整包覆住，一侧固定在支撑梁3上，仿生鳍条1在仿生鳍面2内部作为承力骨架，驱动仿生鳍面2连续波动变形；支撑梁3用于固定仿生鳍条1与仿生鳍面2并将仿墨鱼波动鳍固定在仿生墨鱼体上。MFC1.1变形时通过导线1.3施加正弦交流电信号，导线1.3从MFC1.1端部导出并紧贴在MFC1.1表面及支撑梁3表面，通过支撑梁3上的导线孔连通至仿生墨鱼体内，导线由仿生鳍面2完整包覆住。
仿生鳍条1如图2所示，其中图2.1是本发明实施例中的中间仿生鳍条的结构示意图；图2.2是本发明实施例中次外侧仿生鳍条的结构示意图；图2.3是实施例中最外侧仿生鳍条的结构示意图。仿生鳍条1为宽边在内窄边在外的船桨形状。仿生鳍条1为三层结构，中间为弹性基板1.2，弹性基板1.2上下两侧对称粘贴MFC1.1，形成压电层合板结构，其中沿长度方向上的MFC1.1按仿生鳍条1的变形需求可采用不同型号，对称两侧的MFC1.1采用同一型号。MFC1.1均为P1类型，可在交流电信号的激励下发生伸缩变形，使弹性基板1.2上下两侧的MFC1.1分别发生伸长与缩短，从而带动仿生鳍条1的弯曲变形。弹性基板1.2呈船桨形状，沿长度方向分为宽段、过渡段和窄段三段，其中宽段与窄段俯视为矩形，分别用于粘贴不同型号的MFC1.1，中间过渡段俯视为等腰梯形；弹性基板1.2同宽段的端部固定在支撑梁3的凹槽内；为使仿生鳍条1能在高频变形下具备较高的寿命及较好的变形能力，弹性基板1.2采用纤维增强材料，如碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料，这些材料不仅重量轻强度高，并且在具备一定刚度的同时不缺乏韧性，同时为保证仿生鳍条1的刚度要求，弹性基板1.2的厚度应大于两侧MFC1.1厚度。每片MFC1.1各在一端引出两根导线1.3，导线紧贴在MFC1.1表面及支撑梁表面，通过支撑梁3上的导线孔连通至仿生墨鱼体内，并由仿生鳍面2完整包覆住来密封，同时将导线1.3做绝缘处理。
仿生鳍面2如图1所示，为一侧为弧形的不规则矩形形状。由上下两层的柔性蒙皮组成，上下两侧的柔性蒙皮互相粘贴在一起，将仿生鳍条1完整包覆住使仿墨鱼波动鳍表面光滑，仿生鳍条1在仿生鳍面2内部作为承力骨架驱动仿生鳍面2进行波动变形，两层柔性蒙皮均与支撑梁3粘贴在一起。柔性蒙皮采用硅胶材料，疲劳强度及粘贴强度较高。
支撑梁3如图3所示，为刚性结构，用于支撑仿生鳍条1与仿生鳍面2，并将仿墨鱼波动鳍固定在仿生墨鱼体上。支撑梁3的截面为T字形，T字形支撑梁3的底板上伸出两片立板，底板上打圆孔及导线孔；仿生鳍条1通过弹性基板1.2的不粘贴MFC1.1的端部固定在支撑梁3的两片立板之间，仿生鳍面2的一侧也粘贴固定在支撑梁3的立板上并包覆住立板，导线1.3通过支撑梁3上的导线孔连通至仿生墨鱼体内，支撑梁3通过其上的圆孔固定在仿生墨鱼体上。
在本实施例中，对本发明的仿墨鱼波动鳍的安装进行说明。本发明的仿墨鱼波动鳍为半柔性结构：其中仿生鳍面2及仿生鳍条1为柔性结构，支撑梁3则为刚性结构。本实施例中，仿墨鱼波动鳍由五根仿生鳍条1驱动，每根仿生鳍条1上对称粘贴四片MFC1.1。
首先，将碳纤维复合材料制成的一定厚度板材切割成能粘贴所要应用MFC1.1的弹性基板形状，将弹性基板1.2按所要应用型号MFC1.1的长度和宽度切割出宽段和窄段的长度和宽度，切割时注意不同位置处仿生鳍条1的过渡段长度不同：中间的仿生鳍条1过渡段最长，次外侧的次之，最外侧的最短；将安装好导线的不同型号的MFC1.1粘贴在弹性基板1.2的宽段和窄段的上下两侧，互相对称的MFC1.1型号分别一致，每一根仿生鳍条1上共粘贴四片MFC1.1，将导线1.3紧贴粘贴在仿生鳍条1的表面，粘贴导线1.3时注意进行绝缘处理。如此一根完整的仿生鳍条1便安装完成。
将仿生鳍条1沿弹性基板1.2宽段不粘贴MFC1.1的一端固定在支撑梁3的两片立板之间，并将导线1.3引出段紧贴粘贴在支撑梁3的表面，再将导线1.3穿过支撑梁3上的导线孔并接入仿生墨鱼体内。将五根仿生鳍条按一定长度间隔固定在支撑梁3上。
将两张硅胶柔性蒙皮加工成与五根仿生鳍条1排布好后一样的形状，一侧加工成弧形，靠近支撑梁处注意预留一定长度以完整包覆住导线1.3。然后将两张柔性蒙皮分别在布置在排布好后的仿生鳍条1的上下两侧，柔性蒙皮完整包覆住仿生鳍条1及紧贴在支撑梁3上的导线，并将上下两侧的柔性蒙皮粘贴在支撑梁3上且互相粘贴在一起，如此完成仿生鳍面2的安装。
安装完成的仿墨鱼波动鳍通过支撑梁3上的圆孔即可安装在仿生墨鱼体上。
在本实施例中，介绍仿墨鱼波动鳍的工作方式。
该仿墨鱼波动鳍通过模仿墨鱼长鳍的波动来实现波动推进，在仿墨鱼波动鳍工作时，每根仿生鳍条1只做在竖直平面内的周期性柔性弯曲摆动运动，摆动弯曲时的形状为圆弧形，每个仿生鳍条1摆动的周期都相同，摆动幅度为正弦规律。对于五根仿生鳍条1组成的仿墨鱼波动鳍，当相邻仿生鳍条处的MFC1.1施加的交流信号相差四分之一周期相位时，所有仿生鳍条1摆动端部的轨迹连线便形成连续的正弦波形。仿生鳍面2在仿生鳍条1的驱动下形成连续的正弦波形后，仿墨鱼波动鳍在波形连续变化的过程中产生推进力。
为实现仿生鳍条1的连续弯曲摆动，对每片MFC1.1施加周期一致的正弦交流电信号：其中弹性基板1.2两侧的MFC1.1施加反相激励信号，同一根仿生鳍条1的同一侧MFC1.1施加相位一致的激励信号，关于弹性基板1.2对称的两侧MFC1.1施加相位相反的激励信号，不同仿生鳍条上的MFC1.1则施加不同相位的激励信号；对于五根仿生鳍条组成的仿墨鱼波动鳍，每两根相邻仿生鳍条1上的MFC1.1所施加的激励信号的相位差为四分之一个周期。
在本实施例中，列举具体的实例及数据来详细叙述本发明的仿墨鱼波动鳍。
本实施例中，采用的MFC为M8528-P1和M8514-P1，在500V~1500V驱动电压下的最大拉伸位移分别为153μm和136μm。最大输出驱动力分别为454N和202N。弹性基板的材料采用碳纤维增强复合材料，支撑梁的材料采用铝合金，仿生鳍面采用硅胶柔性蒙皮。
五根不同位置处的仿生鳍条长度依次为：中间处的仿生鳍条长度为294mm，次外侧的两根仿生鳍条长度为274mm，最外侧的两根仿生鳍条长度为254mm。M8528-P1类型号的MFC的长度为103mm，宽度为35mm，厚度为0.3mm；M8514-P1类型号的MFC的长度为101mm，宽度为20mm，厚度为0.3mm。不同仿生鳍条上弹性基板宽段的长度均为103mm，宽度均为35mm，厚度均为0.8mm；不同仿生鳍条上弹性基板窄段的长度均为101mm，宽度均为20mm，厚度均为0.8mm；不同仿生鳍条上弹性基板过渡段的短边宽度均为20mm，长边宽度均为35mm，厚度均为0.8mm；不同仿生鳍条上弹性基板过渡段的长度依次为：中间处的弹性基板过渡段长度为60mm，次外侧的两片弹性基板过渡段长度为40mm，最外侧的两片弹性基板过渡段长度为20mm。支撑梁的长度为500mm，底板宽度为60mm，底板厚度为15mm；两片立板高度为30mm，宽度为5mm。仿生鳍面的最大长度为294mm，最小长度为254mm，宽度为435mm，厚度为2mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍，其特征在于，所述的仿墨鱼波动鳍包括支撑梁（3）以及支撑梁（3）上安装的若干根仿生鳍条（1）、仿生鳍面（2）；所述的仿墨鱼波动鳍为半柔性结构，其中仿生鳍条（1）、仿生鳍面（2）为柔性结构，支撑梁（3）为刚性结构；
所述的仿生鳍条（1）为宽边在内、窄边在外的船桨形状；仿生鳍条（1）为三层结构，中间为弹性基板（1.2），弹性基板（1.2）上下两侧对称粘贴MFC（1.1），形成压电层合板结构；
所述的MFC（1.1）在交流电信号的激励下发生伸缩变形，使弹性基板（1.2）上下两侧的MFC（1.1）分别发生伸长与缩短，从而带动仿生鳍条（2）的弯曲变形；弹性基板（1.2）呈船桨形状，沿长度方向分为宽段、过渡段和窄段三段，其中宽段与窄段俯视为矩形，分别用于粘贴不同型号的MFC（1.1），中间过渡段俯视为等腰梯形；弹性基板（1.2）通过宽段的端部固定在支撑梁（3）的凹槽内；
每片MFC（1.1）各在一端引出两根导线（1.3），导线紧贴在MFC（1.1）表面及支撑梁（3）表面，通过支撑梁（3）上的导线孔连通至仿生墨鱼体内，并由仿生鳍面（2）完整包覆住来密封，同时将导线（1.3）做绝缘处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍，其特征在于，其中沿仿生鳍条（1）的长度方向上的MFC（1.1）按仿生鳍条（1）的变形需求可采用不同型号，上下两侧对称的MFC（1.1）采用同一型号；所述的仿墨鱼波动鳍上可安装5~10根仿生鳍条（1）；每片弹性基板（1.2）上可对称粘贴4~8片MFC（1.1）。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍，其特征在于，所述的弹性基板（1.2）采用纤维增强材料，所述的弹性基板（1.2）的厚度应大于两侧MFC（1.1）厚度。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍，其特征在于，所述的仿生鳍面（2）为一侧带弧形的不规则矩形形状；仿生鳍面（2）包括上下两层的柔性蒙皮，上下两侧的柔性蒙皮互相粘贴在一起，将仿生鳍条（1）完整包覆住使仿墨鱼波动鳍表面光滑，仿生鳍条（1）在仿生鳍面（2）内部作为承力骨架驱动仿生鳍面（2）进行波动变形，两层柔性蒙皮均与支撑梁（3）粘贴在一起。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍，其特征在于，所述的刚性结构的支撑梁（3）用来支撑仿生鳍条（1）、仿生鳍面（2），并将仿墨鱼波动鳍固定在仿生墨鱼体上；所述的支撑梁（3）的截面为T字形，T字形支撑梁（3）的底板上伸出两片立板，底板上打圆孔及导线孔；仿生鳍条（1）通过弹性基板（1.2）的不粘贴MFC（1.1）的端部固定在支撑梁（3）的两片立板之间，仿生鳍面（2）的一侧也粘贴固定在支撑梁（3）立板上并包覆住立板，导线（1.3）通过支撑梁（3）上的导线孔连通至仿生墨鱼体内，支撑梁（3）通过其上的圆孔固定在仿生墨鱼体上。
6.跟据权利要求1所述的一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍，其特征在于，当仿生鳍面（2）外侧为弧形时，仿生鳍条（1）的长度从中间到两端依次减短，当仿生鳍面（2）外侧为与仿生鳍条（1）轴线垂直的直线时，仿生鳍条（1）的长度均一致；柔性的仿生鳍面（2）将仿生鳍条（1）完整包覆住，一侧固定在支撑梁（3）上，仿生鳍条（1）在仿生鳍面（2）内部作为承力骨架，驱动仿生鳍面（2）连续波动变形；支撑梁用于固定仿生鳍条（1）与仿生鳍面（2）并将仿墨鱼波动鳍固定在仿生墨鱼体上。
7.根据权利要求1~6任一所述的一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍，其特征在于，所述的仿墨鱼波动鳍的工作过程为：
在仿墨鱼波动鳍工作时，每根仿生鳍条（1）只做在竖直平面内的周期性柔性弯曲摆动运动，摆动弯曲时的形状为圆弧形，每个仿生鳍条（1）摆动的周期都相同，摆动幅度为正弦规律；
所述的仿墨鱼波动鳍上安装五根仿生鳍条（1）时，对于五根仿生鳍条组成的仿墨鱼波动鳍，当相邻仿生鳍条（1）处的MFC施加的交流信号相差四分之一周期相位时，所有仿生鳍条（1）摆动端部的轨迹连线便形成连续的正弦波形；仿生鳍面（2）在仿生鳍条（1）的驱动下形成连续的正弦波形后，仿墨鱼波动鳍在波形连续变化的过程中产生推进力；
为实现仿生鳍条（1）的连续弯曲摆动，对每片MFC（1.1）施加周期一致的正弦交流电信号：其中弹性基板两侧的MFC（1.1）施加反相激励信号，同一根仿生鳍条（1）的同一侧MFC（1.1）施加相位一致的激励信号，关于弹性基板（1.2）对称的两侧MFC（1.1）施加相位相反的激励信号，不同仿生鳍条（1）上的MFC（1.1）则施加不同相位的激励信号；对于五根仿生鳍条组成的仿墨鱼波动鳍，每两根相邻仿生鳍条（1）上的MFC（1.1）所施加的激励信号的相位差为四分之一个周期。
CN202210435192.3A 2022-04-24 2022-04-24 一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍 Active CN114735179B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210435192.3A CN114735179B (zh) 2022-04-24 2022-04-24 一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210435192.3A CN114735179B (zh) 2022-04-24 2022-04-24 一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114735179A true CN114735179A (zh) 2022-07-12
CN114735179B CN114735179B (zh) 2023-03-17

Family

ID=82284386

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210435192.3A Active CN114735179B (zh) 2022-04-24 2022-04-24 一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114735179B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115384741A (zh) * 2022-08-01 2022-11-25 南京航空航天大学 一种微小型波形运动水下仿生推进器及其驱动方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10127653A (ja) * 1996-10-31 1998-05-19 Olympus Optical Co Ltd 超音波処置装置
CN1483660A (zh) * 2003-08-15 2004-03-24 �廪��ѧ 一种用于mems的微型压电驱动器
CN2689586Y (zh) * 2004-03-18 2005-03-30 清华大学 一种mems的微型压电驱动器
CN102167156A (zh) * 2010-02-26 2011-08-31 尤洛考普特公司 自适应扭转的桨叶和设有此种桨叶的旋翼
CN104309789A (zh) * 2014-10-27 2015-01-28 哈尔滨工业大学 驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍
CN208143112U (zh) * 2018-04-28 2018-11-23 忻州师范学院 一种悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10127653A (ja) * 1996-10-31 1998-05-19 Olympus Optical Co Ltd 超音波処置装置
CN1483660A (zh) * 2003-08-15 2004-03-24 �廪��ѧ 一种用于mems的微型压电驱动器
CN2689586Y (zh) * 2004-03-18 2005-03-30 清华大学 一种mems的微型压电驱动器
CN102167156A (zh) * 2010-02-26 2011-08-31 尤洛考普特公司 自适应扭转的桨叶和设有此种桨叶的旋翼
CN104309789A (zh) * 2014-10-27 2015-01-28 哈尔滨工业大学 驱动关节内嵌式的柔性多运动模式仿生尾鳍
CN208143112U (zh) * 2018-04-28 2018-11-23 忻州师范学院 一种悬臂梁式电磁—摩擦—压电复合振动能量采集器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115384741A (zh) * 2022-08-01 2022-11-25 南京航空航天大学 一种微小型波形运动水下仿生推进器及其驱动方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114735179B (zh) 2023-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103950527B (zh) 仿生鳐鱼胸鳍的压电耦合推进机构
CN114735179B (zh) 一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍
US5335886A (en) Lift enhancement device
CN209410310U (zh) 一种基于运动实现的仿生蓝点魟水下推进器
CN103612734A (zh) 一种电磁驱动的变刚度仿生摆动推进装置
CN106741773B (zh) 一种夹心式压电驱动仿生蝌蚪及其工作方式
CN103043198B (zh) 一种新型仿生鱼尾结构
CN105083510A (zh) 一种水中机器人
CN111409803A (zh) 一种基于ipmc驱动的仿生波动鳍
CN112061348A (zh) 一种贴片式压电驱动仿生蝠鲼及其驱动方法
CN113815820A (zh) 波浪能续航型蝠鲼式auv
CN110304222A (zh) 一种基于ipmc驱动的自发电型仿生蝠鲼
CN1586990A (zh) 仿生机器鱼的柔性推进机构
CN206288217U (zh) 一种夹心式压电驱动仿生蝌蚪
CN113120219A (zh) 柔性机翼的控制装置、飞行器和控制方法
CN113060265A (zh) 一种仿生柔性推进装置及波动控制方法
CN108749947A (zh) 小型八足仿生机器人
CN115042940B (zh) 一种人工肌肉驱动的拍动式水下机器人
CN205059975U (zh) 一种水中机器人
CN102700694B (zh) 仿乌贼型水下探测器
CN110217367B (zh) 一种基于声表面波驱动的液体中运动的微型推进器及其制备方法
Zhang et al. Underwater and surface aquatic locomotion of soft biomimetic robot based on bending rolled dielectric elastomer actuators
CN202657234U (zh) 仿乌贼型水下探测器
CN114834616B (zh) 一种仿海豚无人潜航器及其驱动方法
JP5110241B2 (ja) 波動圧電変換装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant