[发明专利]一种单模态贴片式压电驱动的摆动鳍装置及驱动方法

说明书

本发明公开了一种单模态贴片式压电驱动的摆动鳍装置及其工作方法，包括支架导轨、压电换能器、弹性薄板、第一限位板、第二限位板和摆动鳍。本发明利用弹性连接薄板、压电换能器与工作轨道相配合，贴片式压电换能器为纵振单模态作动，在弹性薄板的弯压作用下与导轨成倾斜接触，能够带动摆动鳍在工作轨道上自动往复摆动和自动换向。本发明所提出的压电激励和摩擦驱动结构能够向海水开放，无需严苛密封，解除深海高水压对驱动系统的制约。

技术领域

本发明涉及摩擦驱动和压电换能器领域，尤其涉及一种单模态贴片式压电驱动的摆动鳍装置及其工作方法。

背景技术

不论是海洋健康监测、海洋资源开发，还是海洋权益的维护，海洋信息的获取都是最基础的工作。近年来由于计算机辅助设计、先进制造工艺、传感器等技术的进步，以自主水下航行器（AUV）为代表的水下可移动无人无缆探测设备，正朝着小型、微小型化的方向发展，需要搭载结构紧凑、质量较小、运行安全的水下推进器。而电磁电机带螺旋桨等类型的传统推进器，因抗水压能力较弱、需要严苛动密封等问题，难以适应深海环境，且传统的螺旋桨式推进器需要利用轴承，轴承容易受到泥沙阻塞影响；利用记忆合金等新材料驱动的水下航行器驱动力较小，其游动速度还会受到材料滞后性和响应慢的限制。基于压电驱动设计的新驱动装置对水下环境有更好的适应性，如何通过仿生水族动物实现推进将是一个新颖的、亟待研究和完善的构思，需要设计新的结构以满足更快速、更稳定、更可靠的动力需求。而现有的摆动鳍往复摆动的压电驱动设计，其压电激励通常需要多个模态耦合，存在调频一致性困难的问题；对单模态驱动方法的研究可简化工作方法，提高靠压电驱动工作的装置的稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种单模态贴片式压电驱动的摆动鳍装置及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种单模态贴片式压电驱动的摆动鳍装置，包括支架导轨、压电换能器、弹性薄板、第一限位板、第二限位板和摆动鳍；

所述支架导轨包含依次相连的第一夹持段、第一连接段、第一工作段、第二工作段、第三工作段、第二连接段、第二夹持段；所述第一工作段、第二工作段、第三工作段均为圆弧段，其中，所述第一、第三工作段结构相同，对称设置在第二工作段两端；第一工作段的半径小于第二工作段的半径；所述第一连接段和第二连接段、第一夹持段和第二夹持段均关于第一工作段和第三工作段的对称面对称；所述第一、第二夹持段相互平行设置且通过螺栓固定，将所述弹性薄板的一端夹持固定在其中；所述第一工作段、第二工作段、第三工作段的开口方向均指向第一夹持段，形成了配合压电换能器工作的工作轨道；

所述压电换能器包含基体、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；

所述基体包含驱动部和作动部，其中，所述驱动部为柱体，其上端面设有两侧开口的V形槽，且V形槽底部设有两侧开口的、用于固定压电换能器的固定槽；所述作动部为面积从上至下逐渐变小的变幅杆，作动部的上端面和驱动部下端面形状相同且同轴固连；

所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均为单分区压电陶瓷片，均沿厚度方向极化且极化方向相反，粘贴在基体驱动部侧壁上且关于V形槽的对称面对称设置；

所述摆动鳍上设有供所述支架导轨的工作轨道穿过的工作方孔，摆动鳍的根部设有供所述压电换能器伸入至工作方孔内的通槽，且通槽远离工作方孔的一端设有和通槽两侧固连、用于固定压电换能器的固定板；

所述工作方孔内设有分别贴合在工作轨道的两侧侧壁上的第一转动滚筒、第二转动滚筒，使得摆动鳍能够在工作轨道的长度方向相对工作轨道自由滑动；

所述固定板和压电换能器基体上V形槽底部的固定槽过盈配合，使得压电换能器固定在所述摆动鳍的通槽内，且作动部的下端作为作动头和所述工作轨道的内壁相抵；

所述弹性薄板一端夹持在所述第一夹持段、第二夹持段之间，另一端抵在压电换能器上基体上的V形槽内，呈压缩状态；