[发明专利]一种基于压电纤维复合材料驱动的仿墨鱼波动鳍

说明书

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。

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。