本發(fā)明屬于基于壓電驅(qū)動(dòng)的水下機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體指代一種仿管水母水下探測(cè)機(jī)器人及其工作方法。

背景技術(shù)：

水母是一種鐘狀或者傘狀結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單水下生物體，依靠身體肌肉構(gòu)造將體內(nèi)的水排出體外，通過(guò)噴水推進(jìn)的方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)或者游動(dòng)。如何有效利用水母的噴水推進(jìn)運(yùn)動(dòng)機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，一直以來(lái)都是研究的熱點(diǎn)。目前各種不同形式的水母機(jī)器人被提出，但是它們的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制系統(tǒng)冗余、噪聲大以及實(shí)用性不高。管水母類(lèi)似一種由多個(gè)水母組成的水下生物體，具有水母的運(yùn)動(dòng)特征，能夠靈活在水中游動(dòng)，機(jī)動(dòng)性能高。目前尚未檢索到與仿管水母設(shè)計(jì)的機(jī)器人相關(guān)的文獻(xiàn)。本發(fā)明結(jié)合管水母和水母的運(yùn)動(dòng)特征，提出了一種壓電耦合結(jié)構(gòu)的多仿水母水下推進(jìn)裝置組成的仿管水母水下探測(cè)機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、抗水壓、能耗低、無(wú)噪聲、機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種仿管水母水下探測(cè)機(jī)器人及其工作方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的水母機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制系統(tǒng)冗余、噪聲大以及實(shí)用性不高等問(wèn)題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種仿管水母水下探測(cè)機(jī)器人，包括：若干個(gè)仿水母水下推進(jìn)裝置以及一根連接管道，所述的若干個(gè)仿水母水下推進(jìn)裝置設(shè)置在連接管道的外壁或端部；該仿水母水下推進(jìn)裝置包括鐘狀殼體和若干片壓電陶瓷片，其中，所述的鐘狀殼體是一個(gè)一端開(kāi)口，另一端封閉的鐘狀空腔弧形薄壁彈性結(jié)構(gòu)，所述的壓電陶瓷片成對(duì)且對(duì)稱(chēng)設(shè)置在靠近鐘狀殼體的封閉端的空腔外壁上。

優(yōu)選地，所述的壓電陶瓷片的長(zhǎng)度方向與鐘狀殼體的長(zhǎng)度方向一致。

優(yōu)選地，所述的仿水母水下推進(jìn)裝置的鐘狀殼體的封閉端部與連接管道的外壁或端部相連。

本發(fā)明的一種仿管水母水下探測(cè)機(jī)器人的工作方法，包括步驟如下：

通過(guò)施加電信號(hào)，激勵(lì)對(duì)稱(chēng)設(shè)置的壓電陶瓷片同時(shí)沿著其長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)或者縮短，從而驅(qū)動(dòng)鐘狀殼體同時(shí)隨著壓電陶瓷片的伸長(zhǎng)/縮短而伸長(zhǎng)/縮短，以改變鐘狀殼體內(nèi)空腔的容積變化；

當(dāng)對(duì)仿水母水下推進(jìn)裝置上設(shè)置的成對(duì)壓電陶瓷片同時(shí)施加相同的電信號(hào)激勵(lì)鐘狀殼體在受迫振動(dòng)的狀態(tài)下沿著長(zhǎng)度方向產(chǎn)生縮短變化，空腔內(nèi)的容積將變大，外界的水將從開(kāi)口進(jìn)入空腔中；當(dāng)成對(duì)壓電陶瓷片被激勵(lì)沿著長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)，鐘狀殼體也將沿著長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)，從而導(dǎo)致空腔內(nèi)的容積減小，使得水從空腔中排出；當(dāng)水排出空腔時(shí)，仿水母水下推進(jìn)裝置會(huì)朝排水的反方向產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或者運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；當(dāng)壓電陶瓷片在高頻振動(dòng)下激勵(lì)鐘狀殼體產(chǎn)生高頻的伸長(zhǎng)/縮短，致使空腔內(nèi)的水不斷連續(xù)的被排出，從而推動(dòng)整個(gè)仿管水母水下探測(cè)機(jī)器人向前游動(dòng)；通過(guò)控制設(shè)置在連接管道上的各個(gè)仿水母水下推進(jìn)裝置的噴水方向和噴水量，驅(qū)動(dòng)整個(gè)仿管水母水下探測(cè)機(jī)器人朝著預(yù)定的方向和位置游動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)在整個(gè)水域內(nèi)的全方位游動(dòng)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明結(jié)合了壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、響應(yīng)快且可工作在超聲頻段無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，并基于水母的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，提出了壓電耦合結(jié)構(gòu)的多水下推進(jìn)系統(tǒng)組成的仿管水母水下探測(cè)機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、抗水壓、能耗低、無(wú)噪聲、機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1繪示仿管水母水下探測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2繪示仿水母水下推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3繪示仿水母水下推進(jìn)裝置的工作原理圖；

其中，1為仿水母水下推進(jìn)裝置，11為鐘狀殼體，12為壓電陶瓷片，2為連接管道，a為鐘狀殼體在受迫振動(dòng)的狀態(tài)下的收縮狀態(tài)，b為鐘狀殼體在受迫振動(dòng)的狀態(tài)下的伸長(zhǎng)狀態(tài)。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合實(shí)施例與附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，實(shí)施方式提及的內(nèi)容并非對(duì)本發(fā)明的限定。

參照?qǐng)D1，圖2所示，本發(fā)明的一種仿管水母水下探測(cè)機(jī)器人，包括：若干個(gè)仿水母水下推進(jìn)裝置1以及一根連接管道2，所述的若干個(gè)仿水母水下推進(jìn)裝置1設(shè)置在連接管道2的外壁或端部；該仿水母水下推進(jìn)裝置1包括鐘狀殼體11和若干片壓電陶瓷片12，其中，所述的鐘狀殼體11是一個(gè)一端開(kāi)口，另一端封閉的鐘狀空腔弧形薄壁彈性結(jié)構(gòu)，所述的壓電陶瓷片12成對(duì)且對(duì)稱(chēng)設(shè)置在靠近鐘狀殼體11的封閉端的空腔外壁上；成對(duì)且對(duì)稱(chēng)壓電陶瓷片的極化方向均朝法線方向，并且極化方向一致同時(shí)朝外或者同時(shí)朝內(nèi)。

其中，所述的壓電陶瓷片12的長(zhǎng)度方向與鐘狀殼體11的長(zhǎng)度方向一致。

其中，所述的仿水母水下推進(jìn)裝置1的鐘狀殼體11的封閉端部與連接管道2的外壁或端部相連。

通過(guò)施加電信號(hào)，激勵(lì)對(duì)稱(chēng)設(shè)置的壓電陶瓷片12同時(shí)沿著其長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)或者縮短，從而驅(qū)動(dòng)鐘狀殼體11同時(shí)隨著壓電陶瓷片12的伸長(zhǎng)/縮短而伸長(zhǎng)/縮短，以改變鐘狀殼體11內(nèi)空腔的容積變化。

本發(fā)明的一種仿管水母水下探測(cè)機(jī)器人的工作方法，包括步驟如下：

通過(guò)施加電信號(hào)，激勵(lì)對(duì)稱(chēng)設(shè)置的壓電陶瓷片同時(shí)沿著其長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)或者縮短，從而驅(qū)動(dòng)鐘狀殼體同時(shí)隨著壓電陶瓷片的伸長(zhǎng)/縮短而伸長(zhǎng)/縮短，以改變鐘狀殼體內(nèi)空腔的容積變化；

當(dāng)對(duì)仿水母水下推進(jìn)裝置上設(shè)置的成對(duì)壓電陶瓷片同時(shí)施加相同的電信號(hào)激勵(lì)出鐘狀殼體沿著長(zhǎng)度方向產(chǎn)生縮短變化，空腔內(nèi)的容積將變大，外界的水將從開(kāi)口進(jìn)入空腔中；當(dāng)成對(duì)壓電陶瓷片被激勵(lì)沿著長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)，鐘狀殼體也將沿著長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)，從而導(dǎo)致空腔內(nèi)的容積減小，使得水從空腔中排出；當(dāng)水排出空腔時(shí)，仿水母水下推進(jìn)裝置會(huì)朝排水的反方向產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或者運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；當(dāng)壓電陶瓷片在高頻振動(dòng)下激勵(lì)鐘狀殼體產(chǎn)生高頻的伸長(zhǎng)/縮短，致使空腔內(nèi)的水不斷連續(xù)的被排出，從而推動(dòng)整個(gè)仿管水母水下探測(cè)機(jī)器人向前游動(dòng)；通過(guò)控制設(shè)置在連接管道上的各個(gè)仿水母水下推進(jìn)裝置的噴水方向和噴水量，使得整個(gè)仿管水母水下探測(cè)機(jī)器人朝著預(yù)定的方向和位置游動(dòng)，具有較高的機(jī)動(dòng)性能。

于實(shí)施例中，選用四片壓電陶瓷片，當(dāng)對(duì)四片成對(duì)且對(duì)稱(chēng)設(shè)置在鐘狀殼體端部的壓電陶瓷片施加完全相同且無(wú)相位差的正弦激勵(lì)信號(hào)時(shí)，仿水母水下推進(jìn)裝置的工作原理如圖3所示，在時(shí)，施加的激勵(lì)電信號(hào)使壓電陶瓷片從原長(zhǎng)狀態(tài)變?yōu)槭湛s狀態(tài)并且沿長(zhǎng)度方向縮短，同時(shí)驅(qū)動(dòng)鐘狀殼體亦沿長(zhǎng)度方向伸縮，導(dǎo)致鐘狀殼體端部開(kāi)口變大，空腔內(nèi)的容積變大，見(jiàn)圖3中a為鐘狀殼體在受迫振動(dòng)的狀態(tài)下的縮短狀態(tài)，外界的水進(jìn)入空腔內(nèi)；在過(guò)程中，壓電陶瓷片由縮短狀態(tài)恢復(fù)至原長(zhǎng)，鐘狀殼體也從縮短狀態(tài)恢復(fù)至原長(zhǎng)，此過(guò)程中空腔內(nèi)的容積從最大開(kāi)始變小直至恢復(fù)初始狀態(tài)，因此在鐘狀殼體開(kāi)口端連續(xù)噴出水；在內(nèi)，壓電陶瓷片受激從原長(zhǎng)狀態(tài)伸長(zhǎng)至最大值，同時(shí)鐘狀殼體也沿長(zhǎng)度方向伸長(zhǎng)至最大，此過(guò)程中空腔內(nèi)的容積持續(xù)變小，見(jiàn)圖3中b為鐘狀殼體在受迫振動(dòng)的狀態(tài)下的伸長(zhǎng)狀態(tài)，因此鐘狀殼體端部連續(xù)噴出水；在時(shí)，壓電陶瓷片從最長(zhǎng)狀態(tài)恢復(fù)至原長(zhǎng)，此時(shí)鐘狀殼體也沿著長(zhǎng)度方向恢復(fù)至原長(zhǎng)，空腔內(nèi)的容積慢慢變大，外界的水再次持續(xù)進(jìn)入空腔內(nèi)，直至整個(gè)系統(tǒng)回復(fù)至平衡狀態(tài)，至此一個(gè)周期結(jié)束。

仿水母水下推進(jìn)裝置通過(guò)一個(gè)周期連續(xù)交錯(cuò)的改變鐘狀殼體空腔內(nèi)的容積差實(shí)現(xiàn)鐘狀殼體端部的進(jìn)水排水從而提供整個(gè)系統(tǒng)向前運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。最終通過(guò)控制所有設(shè)置在連接管道上的仿水母水下推進(jìn)裝置可實(shí)現(xiàn)仿管水母水下探測(cè)機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。