[发明专利]一种压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统及其工作方法

权利要求书

1.一种压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统，其特征在于，包含壳体、压电驱动单元和机器胸鳍；

所述壳体包含支撑部、第一至第四连接辐条、球铰安装座和球铰；

所述球铰包含球壳和球体，所述球壳为沿其轴线设有通孔的圆柱体，其内设有和所述球体相匹配的球形腔体；所述球体设置在球壳内的腔体中，能够自由转动，且球体沿球壳轴线设有螺纹通孔；

所述球铰安装座呈圆柱状，其沿轴线设有用于安装所述球铰的通孔；所述球壳固定在所述球铰安装座的通孔中、和球铰安装座同轴；

所述第一至第四连接辐条为相同的U形结构，均包含两条侧边以及两端分别和两条侧边垂直固连的底边；

所述支撑部主体为圆柱体，和所述球铰安装座同轴；所述第一至第四连接辐条周向均匀设置在所述支撑部、球铰安装座之间，一端和所述支撑部的侧壁固连，另一端和所述球铰安装座的侧壁固连，且第一至第四连接辐条的底边均平行于所述支撑部的轴线；

所述支撑部靠近球铰安装座的端面上设有半球形凹槽，该半球形凹槽和支撑部同轴；

所述机器胸鳍包含连接杆和桨叶，所述连接杆一端和所述桨叶的尾部同轴固连；

所述压电驱动单元包含金属基体、螺杆、弹簧、以及第一至第四压电陶瓷片；

所述金属基体包含驱动部和承载部；所述承载部为实心长方体，包含四个侧壁和两个端壁；所述驱动部为实心四棱锥，其底面和所述承载部的一个端壁对应固连、顶端设有驱动足；所述驱动部和承载部同轴；

所述金属基体在其承载部远离驱动部的端壁中心沿其轴线设有盲孔；

所述第一至第四压电陶瓷片分别设置在所述承载部的四个侧壁的外壁上，均沿厚度方向极化，极化方向均朝外或均朝内；

所述螺杆一端从所述金属基体的盲孔伸入、和所述金属基体的盲孔间隙配合，另一端穿过球体上的螺纹通孔后所述连接杆远离桨叶的一端同轴固连；所述螺杆和球体螺纹相连；

所述弹簧设置在金属基体的盲孔内，一端和所述金属基体相抵、另一端和所述螺杆远离连接杆的一端相抵，使得驱动部顶端的驱动足抵住所述支撑部上半球形凹槽的中心。

2.根据权利 要求1所述的压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统，其特征在于，所述承载部的四个侧壁的外壁上分别设有用于设置第一至第四压电陶瓷片的凹槽。

3.根据权利要求1所述的压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统，其特征在于，所述第一至第四压电陶瓷片上均涂有硅橡胶或DP460环氧胶水，用于防水。

4.基于权利 要求1所述的压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统的工作方法，其特征在于，包含如下步骤：

令第一、第三压电陶瓷片相互平行，第二、第四压电陶瓷片相互平行，球铰安装座的轴线所在直线为z轴，平行于所述第一压电陶瓷片且和球铰安装座轴线垂直相交的直线为x轴，和x轴、z轴同时垂直相交的直线为y轴；

如需实现机器胸鳍在zox面上振荡运动：

分别对第一至第四压电陶瓷片施加第一至第四信号，并使得第一和第三信号相同、第二信号和第三信号相位差为π/2、第二信号和第四信号相位差为π，所述第一至第四信号均为交流谐波信号，此时，压电驱动单元上同时产生一阶纵振和二阶弯振，一阶纵振和二阶弯振的复合使得驱动足在zox面上作椭圆运动，产生的摩擦力使得压电作动器驱动螺杆绕球铰上的旋转中心旋转，其旋转半径为旋转中心与支撑部界面在zox平面投影上的任意点的连线；螺杆带动桨叶在zox面上实现振荡运动；

如需实现机器胸鳍在zoy面上振荡运动：

分别对第一至第四压电陶瓷片施加第一至第四信号，并使得第二和第四信号相同、第一信号和第二信号相位差为π/2、第一信号和第三信号相位差为π，所述第一至第四信号均为交流谐波信号，此时，驱动足在zoy平面上作椭圆运动，产生的摩擦力使得压电作动器驱动螺杆绕球铰上的旋转中心旋转，其旋转半径为旋转中心与支撑部界面在zoy平面投影上的任意点的连线；螺杆带动桨叶在zoy面上实现振荡运动；

如需实现沿z轴的螺旋运动：

分别对第一和第四压电陶瓷片施加第一至第四信号，并使得第一信号和第二信号的相位差为π/2、第一信号和第三信号的相位差为3π/2、第二信号和第四信号在时间相位上相差3π/2，所述第一至第四信号均为交流谐波信号，此时，压电驱动单元金属基体上产生在时间上和空间上均相差90度相位差的二阶弯振模态，两个二阶弯振复合，在压电驱动单元的盲孔上将产生类似“摇头”的椭圆运动，驱动插入盲孔的螺杆沿z轴螺旋运动，使得桨叶实现旋转运动；将第一和第二信号的相位差调整为-π/2，可实现桨叶的反向旋转运动。