水下仿蛇型探測器及其運動驅動方式的製作方法

2023-09-15 12:40:55 2

本發明涉及一種水下探測器機器人，具體是一種水下仿蛇型探測器及其運動驅動方式。

背景技術：

蛇是四肢退化的爬行動物的總稱，蛇的行走千姿百態，或直線行走或蜿蜒曲折而前進。蜿蜒式是其中一個為人熟知的蛇形移動手段，亦即「S」形的波浪式走法。這種移動手法是最對蛇類（陸地型及水行型亦然）所採用的，它們會先從頸部位置開始，有規律地收放全身的肌肉，緩緩地把身體往前猱動，讓身體形成一條順暢的流線模式，達到前進的效果。這種方式讓水蛇類便於在水中移動，因為它的肌肉運動能發揮如漿、蹼般的效果，以身邊的水作為其發力的支點，加速身體的遊進作用。

蛇在水中的行走方式對於人類探索未知的海洋世界具有重要的借鑑和引導意義。本發明模仿蛇在水中的行走方式依靠基於蛇本身的蜿蜒曲折與水之間的作用力向前行進的方式，提出一種軸對稱結構上形成行波傳動的方法，設計一種水下仿蛇型探測器。

技術實現要素：

本發明旨在發明一種水下仿蛇型探測器，能夠在水下進行前進、後退、轉向以及進行兩種行進速度的切換等操作。該水下仿蛇型探測器具有結構簡單、噪聲低、重量輕、隱身效果好、效率高、運動靈活等特點。

為達到上述目的，本發明採用的技術方案是：

一種水下仿蛇型探測器，包括一個橫梁、二十個橋式運放機構（分四組）、四塊彈性板、一個探測器件和蒙皮。所述橫梁是一個空心等壁厚的長方體形；所述橫梁的每個側面上都安裝有五個橋式運放機構和一塊彈性板，將橫梁的每個側面上安裝的五個橋式運放機構和一塊彈性板定義為一組壓電智能梁機構；所述蒙皮是一種仿生皮，用於粘結在彈性板表面上，形成完整的蛇型表面形狀；所述探測器件固定安裝在橫梁的前端面上；所述蒙皮也粘接在探測器件的表面上並與粘結在彈性板表面上的蒙皮連接，使整個水下仿蛇型探測器形成一個封閉的狀態；所述每一組壓電智能梁機構由至少5個橋式運放機構和一塊彈性板構成；所述橋式運放機構包括一塊底板、一個壓電驅動模塊和一個位移放大機構；所述底板通過固定螺栓安裝在橫梁的側面上，底板的前後端各有向上的凸塊，在其前凸塊上旋配一個預緊力螺釘對壓電驅動模塊的前端預壓；所述位移放大機構設置在壓電驅動模塊與底板的後端凸塊之間以柔性鉸鏈方式連接，位移放大機構的中部通過一個固定螺栓連接彈性板。通過對橫梁每一面上設置的每個橋式運放機構上的壓電驅動模塊分別施加特定的交流信號，可以在彈性板上激發出不同的行波，這樣水下仿蛇型探測器的每一面產生的行波與水之間產生作用，從而推動水下仿蛇型探測器在水下進行前進、後退、以及轉向等操作。通過對每一面上的彈性板產生行波情況的控制，還能使探測器進行兩種行進速度的切換。

上述橋式運放機構的結構如圖3所示，其包括位移放大結構、壓電驅動模塊、底板。橋式運放機構（橫梁每個側面上安裝的橋式運放機構不少於5個）用固定螺栓設置在彈性板和橫梁之間，其中橋式運放機構的頂端（即位移放大機構的中部）用固定螺栓固定在彈性板上，橋式運放機構的底端（即底板）用固定螺栓固定在橫梁的側面上，且橋式運放機構呈一條線排列布置。

上述橫梁是空心等壁厚的長方體形，它的長度根據橋式運放機構的個數來設定。探測器件安裝在橫梁的前端面上，探測器件包括其功能裝置和若干觸角，該功能裝置安裝有驅動器、探測器和控制器；而觸角設置在功能裝置前端，包含工作需求的若干傳感器。橫梁四個側面上布置的結構完全相同。

在將水下仿蛇型探測器各結構裝配好以後，用蒙皮粘結在彈性板和探測器件的表面，將水下仿蛇型探測器封裝成一個封閉的狀態。

對每一組壓電智能梁上橋式運放機構上的壓電驅動模塊施加頻率相同、相位差依次增加或減少90°的驅動信號使疊堆產生形變，通過橋式運放機構上的位移放大機構產生與輸入方向的垂直運動並將位移放大，垂直位移作用在彈性板上會形成朝特定方向行進的行波。彈性板產生的行波與水之間相互作用，推動水下仿蛇型探測器行駛。若僅對A面和C面施加上述驅動信號，且兩個面形成的行波行進方向相同時，水下仿蛇型探測器具有一個前進速度V1；若此時又對B面和D面的壓電疊堆也施加相同的驅動信號時，B面和D面上也會形成與A面、C面行進方向相同的行波推動水下仿蛇型探測器前進，此時，水下仿蛇型探測器具有的前進速度為V2(V2=2V1)。

若僅對A面和C面施加不同驅動信號，且兩個面形成的行波行進方向不同時，水下仿蛇型探測器將圍繞OY軸進行轉向；同理，若僅對B面和D面施加上述驅動信號，且兩個面形成的行波行進方向不同時，水下仿蛇型探測器將圍繞OZ軸進行轉向；若僅對A面和B面施加相同的驅動信號，且兩個面形成的行波進行方向相同時，水下仿蛇型探測器將沿著兩個面之間45°向行駛；同理，若僅對水下仿蛇型探測器任一相鄰的兩個面施加相同的驅動信號，且兩個面形成的行波進行方向相同時，水下仿蛇型探測器將沿著這兩個面之間45°方向行駛。

本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著技術進步：

發明通過對橫梁每一側面上的每個橋式運放機構的壓電驅動模塊分別施加特定的交流信號，可在彈性板上激發出不同的行波，則水下仿蛇型探測器的每一面行波與水之間產生作用，從而推動其前行、後退或轉向。本發明結構簡單、噪聲低、重量輕，隱身效果好、效果高，運動靈活。

附圖說明

圖1 是水下仿蛇型探測器的整體示意圖；

圖2 是水下仿蛇型探測器隱藏一塊彈性板後的前視圖；

圖3是橋式運放機構的示意圖；

圖4是給橋式運放機構上的壓電驅動模塊施加交流變信號時彈性板形成行波的示意圖；

圖5 是彈性板在一個周期過程中4個狀態示意圖；

圖6 是水下仿蛇型探測器行駛時的兩種速度示意圖；

圖7 是水下仿蛇型探測器在行駛過程中改變方向的示意圖。

其中：1. 探測器件，2. 預緊力螺栓，3. 橋式運放機構，3a.底板，3b. 壓電驅動模塊，3c.位移放大結構，3d.柔性鉸鏈，4.彈性板，5.空心、等壁厚長方體橫梁，6. 觸角，7.固定螺栓，8. 固定螺栓。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細說明：

實施例一：

參見圖1~圖4，水下仿蛇型探測器，包括一個橫梁（5）、二十個橋式運放機構（3）（分四組）、四塊彈性板（4）、一個探測器件（1）和蒙皮。所述橫梁是一個空心等壁厚的長方體形；所述橫梁（5）的每個側面上都安裝有五個橋式運放機構（3）和一塊彈性板（4），將橫梁（5）的每個側面上安裝的五個橋式運放機構（3）和一塊彈性板（4）定義為一組壓電智能梁機構；所述蒙皮粘接在四塊彈性板（4）的表面上，形成完整的蛇型表面形狀；所述探測器件（1）固定安裝在橫梁（5）的前端面上，所述蒙皮也粘接在探測器件（1）表面上。

實施例二：

本實施與實施例一基本相同，特別之處是：

所述每一組壓電智能梁機構完全相同，且每一組壓電智能梁機構由至少5個橋式運放機構（3）和一塊彈性板（4）構成，所述橋式運放機構（3）是一種全柔性機構，其包括一塊底板（3a）、一個壓電驅動模塊（3b）和一個位移放大機構（3c）；所述底板通過固定螺栓（7）安裝在橫梁（5）的側面上，底板（3a）的前後端有向上的凸塊，在其凸塊上旋配一個預緊力螺釘（2）對壓電驅動模塊（3b）的前端預壓；所述位移放大機構（3）安裝在壓電驅動模塊（3b）與底板（3a）的後端凸塊之間，在位移放大機構（3c）的中部通過一個固定螺栓（8）連接彈性板（4）。所述蒙皮將探測器件（1）包裹起來，粘接在探測器件（1）表面上的蒙皮與粘貼在四塊彈性板（4）表面上的蒙皮形成封閉狀態；所述探測器件（1）包括其功能裝置和若干觸角（6），該功能裝置安裝有驅動器、探測器和控制器；而觸角（6）設置在功能裝置前端，包含工作需求的若干傳感器。橫梁（5）的每一側面上安裝的橋式運放機構（3）的安裝方向一致。

橋式運放機構（3）如圖3所示，其工作原理是：當給壓電驅動模塊（3b）施加特定的信號後，壓電疊堆產生水平方向的變形，通過含有柔性鉸鏈（3d）功能的位移放大機構（3c）產生與輸入方向垂直的運動並將位移放大。通過對每組壓電智能梁機構中的每個橋式運放機構（3）的壓電疊堆模塊施加不同的交流驅動信號，壓電疊堆會產生相應的變形量，這種變形量通過位移放大機構（3c）放大並傳遞到彈性板（4）上，迫使彈性板（4）產生相應的變形，從而使彈性板（4）表面形成行波；通過控制每一塊彈性板（4）產生行波的情況，可以改變水下仿蛇型探測器的行駛速度和方向。

實施例三：

參見圖1~圖7，上述水下仿蛇型探測器的驅動方式。定義：由於水下仿蛇型探測器的結構呈長方體結構，將其中的4塊彈性板（4）分別定義為A、B、C、D四個面；在長方體橫梁（5）的前端面位置設置YOZ坐標系中，A面位於XOY面內，B面位於XOZ面內，C面與A面平行，D面與B面平行；驅動過程如下：

對上述的橫梁（5）上任一側面上的橋式運放機構（3）分別施加驅動信號，其中施加在任一一面壓電智能梁機構中的橋式運放機構（3）上的壓電驅動模塊（3b）上的交流信號頻率相同，相位差依次增加或減少90°，則能夠在該面上形成行波；

如圖4所示，以A面為例，通過對面上的每個橋式運放機構（3）上的5個壓電驅動模塊（3b）分別施加sin、cos、-sin、-cos、sin的交流驅動信號，在壓電效應作用下，壓電疊堆會產生相應的變形量Asinwt、Acoswt、-Asinwt、-Acoswt、Asinwt，式中A為振幅，w為信號頻率，這種變形量通過位移放大機構（3c）放大並傳遞到彈性板（4）上，迫使彈性板（4）產生相應的形變，從而形成圖4所示的行波，使彈性板（4）產生行波波形與水之間產生作用，從而推動水下仿蛇型探測器向前行駛。圖5中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ圖形象的表示了一個周期內行波的運動情況以及行駛方向。

圖6所示是水下仿蛇型探測器的主體結構示意圖。探測器中的四塊彈性板（4）可以定義成A、B、C、D四面。當僅對A面和C面上的兩組橋式運放機構（3）施加相同的sin、cos、-sin、-cos、sin交流驅動信號時，此時僅有A面和C面兩塊彈性板（4）產生相同的行波波形與水之間產生作用，水下仿蛇型探測器就會向前遊行，從而具有一個速度V1；當對分別給四組壓電智能梁機構上的4組橋式運放機構（3）施加相同的sin、cos、-sin、-cos、sin交流驅動信號時，此時四塊彈性板（4）都會產生相同的行波波形與水之間產生作用，從而使水下仿蛇型探測器就具有了另外一種遊行速度V2（V2=2V1）。

如圖7所示中，在YOZ坐標系中的速度僅代表探測器行駛的方向，該圖表示僅對A面和B面上的兩組橋式運放機構（3）施加相同的sin、cos、-sin、-cos、sin交流驅動信號時，A面和B面形成相同的行波分別與水之間產生作用，再通過把A、B兩面產生的速度進行合成，合成後的速度使水下仿蛇型探測器朝著A面和B面之間45°的方向行駛；同理，若想在水下仿蛇型探測器在行駛的過程中改變方向，根據需要，這時僅對水下仿蛇型探測器A、B、C、D四個面中的一個面或者相鄰的兩個面施加相同的交流驅動信號就可以改變水下仿蛇型探測器行駛的方向。另外一種改變水下仿蛇型探測器的行駛方向的方法是：若僅對A面施加sin、cos、-sin、-cos、sin的交流驅動信號，同時對C面（A面的平行面）施加-sin、cos、sin、-cos、-cos驅動信號時，此時探測器會繞著OY軸轉動；同理，若僅對B面施加sin、cos、-sin、-cos、sin的交流驅動信號，同時對D面（B面的平行面）施加-sin、cos、sin、-cos、-cos驅動信號時，此時探測器會繞著OZ軸轉動；

本發明水下仿蛇型探測器具有以下幾個特點：

1. 利用壓電驅動模塊提供驅動動力，充分利用壓電疊堆的伸縮變形量，提高了能量轉化效率，此外通過調節驅動頻率可以使得壓電疊堆工作在超聲頻段，徹底消去振動噪音；

2. 對構成本發明的所有結構件均採用非金屬材料。

3. 通過對每一面上的彈性板產生行波情況的控制，還能使水下仿蛇型探測器進行兩種行進速度的切換。即：由於在橫梁的四個側面上設置的機構完全相同，當僅有其中一對平行的兩個彈性板結構產生行波時，水下仿蛇型探測器能夠低速前行；當四塊彈性板同時產生行波與之間作用時，水下仿蛇型探測器能夠高速前行。

4. 可以控制水下仿蛇型探測器在水下進行前進、後退、以及轉向等操作。如當對水下仿蛇型探測器A、B、C、D四個面中的一個面或者相鄰的兩個面施加信號就可以改變水下仿蛇型探測器行駛的方向。