水下仿蛇型探测器及其运动驱动方式的制作方法

本发明涉及一种水下探测器机器人，具体是一种水下仿蛇型探测器及其运动驱动方式。

背景技术：

蛇是四肢退化的爬行动物的总称，蛇的行走千姿百态，或直线行走或蜿蜒曲折而前进。蜿蜒式是其中一个为人熟知的蛇形移动手段，亦即“S”形的波浪式走法。这种移动手法是最对蛇类（陆地型及水行型亦然）所采用的，它们会先从颈部位置开始，有规律地收放全身的肌肉，缓缓地把身体往前猱动，让身体形成一条顺畅的流线模式，达到前进的效果。这种方式让水蛇类便于在水中移动，因为它的肌肉运动能发挥如浆、蹼般的效果，以身边的水作为其发力的支点，加速身体的游进作用。

蛇在水中的行走方式对于人类探索未知的海洋世界具有重要的借鉴和引导意义。本发明模仿蛇在水中的行走方式依靠基于蛇本身的蜿蜒曲折与水之间的作用力向前行进的方式，提出一种轴对称结构上形成行波传动的方法，设计一种水下仿蛇型探测器。

技术实现要素：

本发明旨在发明一种水下仿蛇型探测器，能够在水下进行前进、后退、转向以及进行两种行进速度的切换等操作。该水下仿蛇型探测器具有结构简单、噪声低、重量轻、隐身效果好、效率高、运动灵活等特点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种水下仿蛇型探测器，包括一个横梁、二十个桥式运放机构（分四组）、四块弹性板、一个探测器件和蒙皮。所述横梁是一个空心等壁厚的长方体形；所述横梁的每个侧面上都安装有五个桥式运放机构和一块弹性板，将横梁的每个侧面上安装的五个桥式运放机构和一块弹性板定义为一组压电智能梁机构；所述蒙皮是一种仿生皮，用于粘结在弹性板表面上，形成完整的蛇型表面形状；所述探测器件固定安装在横梁的前端面上；所述蒙皮也粘接在探测器件的表面上并与粘结在弹性板表面上的蒙皮连接，使整个水下仿蛇型探测器形成一个封闭的状态；所述每一组压电智能梁机构由至少5个桥式运放机构和一块弹性板构成；所述桥式运放机构包括一块底板、一个压电驱动模块和一个位移放大机构；所述底板通过固定螺栓安装在横梁的侧面上，底板的前后端各有向上的凸块，在其前凸块上旋配一个预紧力螺钉对压电驱动模块的前端预压；所述位移放大机构设置在压电驱动模块与底板的后端凸块之间以柔性铰链方式连接，位移放大机构的中部通过一个固定螺栓连接弹性板。通过对横梁每一面上设置的每个桥式运放机构上的压电驱动模块分别施加特定的交流信号，可以在弹性板上激发出不同的行波，这样水下仿蛇型探测器的每一面产生的行波与水之间产生作用，从而推动水下仿蛇型探测器在水下进行前进、后退、以及转向等操作。通过对每一面上的弹性板产生行波情况的控制，还能使探测器进行两种行进速度的切换。

上述桥式运放机构的结构如图3所示，其包括位移放大结构、压电驱动模块、底板。桥式运放机构（横梁每个侧面上安装的桥式运放机构不少于5个）用固定螺栓设置在弹性板和横梁之间，其中桥式运放机构的顶端（即位移放大机构的中部）用固定螺栓固定在弹性板上，桥式运放机构的底端（即底板）用固定螺栓固定在横梁的侧面上，且桥式运放机构呈一条线排列布置。

上述横梁是空心等壁厚的长方体形，它的长度根据桥式运放机构的个数来设定。探测器件安装在横梁的前端面上，探测器件包括其功能装置和若干触角，该功能装置安装有驱动器、探测器和控制器；而触角设置在功能装置前端，包含工作需求的若干传感器。横梁四个侧面上布置的结构完全相同。

在将水下仿蛇型探测器各结构装配好以后，用蒙皮粘结在弹性板和探测器件的表面，将水下仿蛇型探测器封装成一个封闭的状态。

对每一组压电智能梁上桥式运放机构上的压电驱动模块施加频率相同、相位差依次增加或减少90°的驱动信号使叠堆产生形变，通过桥式运放机构上的位移放大机构产生与输入方向的垂直运动并将位移放大，垂直位移作用在弹性板上会形成朝特定方向行进的行波。弹性板产生的行波与水之间相互作用，推动水下仿蛇型探测器行驶。若仅对A面和C面施加上述驱动信号，且两个面形成的行波行进方向相同时，水下仿蛇型探测器具有一个前进速度V₁；若此时又对B面和D面的压电叠堆也施加相同的驱动信号时，B面和D面上也会形成与A面、C面行进方向相同的行波推动水下仿蛇型探测器前进，此时，水下仿蛇型探测器具有的前进速度为V₂(V₂=2V₁)。

若仅对A面和C面施加不同驱动信号，且两个面形成的行波行进方向不同时，水下仿蛇型探测器将围绕OY轴进行转向；同理，若仅对B面和D面施加上述驱动信号，且两个面形成的行波行进方向不同时，水下仿蛇型探测器将围绕OZ轴进行转向；若仅对A面和B面施加相同的驱动信号，且两个面形成的行波进行方向相同时，水下仿蛇型探测器将沿着两个面之间45°向行驶；同理，若仅对水下仿蛇型探测器任一相邻的两个面施加相同的驱动信号，且两个面形成的行波进行方向相同时，水下仿蛇型探测器将沿着这两个面之间45°方向行驶。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

发明通过对横梁每一侧面上的每个桥式运放机构的压电驱动模块分别施加特定的交流信号，可在弹性板上激发出不同的行波，则水下仿蛇型探测器的每一面行波与水之间产生作用，从而推动其前行、后退或转向。本发明结构简单、噪声低、重量轻，隐身效果好、效果高，运动灵活。

附图说明

图1 是水下仿蛇型探测器的整体示意图；

图2 是水下仿蛇型探测器隐藏一块弹性板后的前视图；

图3是桥式运放机构的示意图；

图4是给桥式运放机构上的压电驱动模块施加交流变信号时弹性板形成行波的示意图；

图5 是弹性板在一个周期过程中4个状态示意图；

图6 是水下仿蛇型探测器行驶时的两种速度示意图；

图7 是水下仿蛇型探测器在行驶过程中改变方向的示意图。

其中：1. 探测器件，2. 预紧力螺栓，3. 桥式运放机构，3a.底板，3b. 压电驱动模块，3c.位移放大结构，3d.柔性铰链，4.弹性板，5.空心、等壁厚长方体横梁，6. 触角，7.固定螺栓，8. 固定螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明：

实施例一：

参见图1^~图4，水下仿蛇型探测器，包括一个横梁（5）、二十个桥式运放机构（3）（分四组）、四块弹性板（4）、一个探测器件（1）和蒙皮。所述横梁是一个空心等壁厚的长方体形；所述横梁（5）的每个侧面上都安装有五个桥式运放机构（3）和一块弹性板（4），将横梁（5）的每个侧面上安装的五个桥式运放机构（3）和一块弹性板（4）定义为一组压电智能梁机构；所述蒙皮粘接在四块弹性板（4）的表面上，形成完整的蛇型表面形状；所述探测器件（1）固定安装在横梁（5）的前端面上，所述蒙皮也粘接在探测器件（1）表面上。

实施例二：

本实施与实施例一基本相同，特别之处是：

所述每一组压电智能梁机构完全相同，且每一组压电智能梁机构由至少5个桥式运放机构（3）和一块弹性板（4）构成，所述桥式运放机构（3）是一种全柔性机构，其包括一块底板（3a）、一个压电驱动模块（3b）和一个位移放大机构（3c）；所述底板通过固定螺栓（7）安装在横梁（5）的侧面上，底板（3a）的前后端有向上的凸块，在其凸块上旋配一个预紧力螺钉（2）对压电驱动模块（3b）的前端预压；所述位移放大机构（3）安装在压电驱动模块（3b）与底板（3a）的后端凸块之间，在位移放大机构（3c）的中部通过一个固定螺栓（8）连接弹性板（4）。所述蒙皮将探测器件（1）包裹起来，粘接在探测器件（1）表面上的蒙皮与粘贴在四块弹性板（4）表面上的蒙皮形成封闭状态；所述探测器件（1）包括其功能装置和若干触角（6），该功能装置安装有驱动器、探测器和控制器；而触角（6）设置在功能装置前端，包含工作需求的若干传感器。横梁（5）的每一侧面上安装的桥式运放机构（3）的安装方向一致。

桥式运放机构（3）如图3所示，其工作原理是：当给压电驱动模块（3b）施加特定的信号后，压电叠堆产生水平方向的变形，通过含有柔性铰链（3d）功能的位移放大机构（3c）产生与输入方向垂直的运动并将位移放大。通过对每组压电智能梁机构中的每个桥式运放机构（3）的压电叠堆模块施加不同的交流驱动信号，压电叠堆会产生相应的变形量，这种变形量通过位移放大机构（3c）放大并传递到弹性板（4）上，迫使弹性板（4）产生相应的变形，从而使弹性板（4）表面形成行波；通过控制每一块弹性板（4）产生行波的情况，可以改变水下仿蛇型探测器的行驶速度和方向。

实施例三：

参见图1^~图7，上述水下仿蛇型探测器的驱动方式。定义：由于水下仿蛇型探测器的结构呈长方体结构，将其中的4块弹性板（4）分别定义为A、B、C、D四个面；在长方体横梁（5）的前端面位置设置YOZ坐标系中，A面位于XOY面内，B面位于XOZ面内，C面与A面平行，D面与B面平行；驱动过程如下：

对上述的横梁（5）上任一侧面上的桥式运放机构（3）分别施加驱动信号，其中施加在任一一面压电智能梁机构中的桥式运放机构（3）上的压电驱动模块（3b）上的交流信号频率相同，相位差依次增加或减少90°，则能够在该面上形成行波；

如图4所示，以A面为例，通过对面上的每个桥式运放机构（3）上的5个压电驱动模块（3b）分别施加sin、cos、-sin、-cos、sin的交流驱动信号，在压电效应作用下，压电叠堆会产生相应的变形量Asinwt、Acoswt、-Asinwt、-Acoswt、Asinwt，式中A为振幅，w为信号频率，这种变形量通过位移放大机构（3c）放大并传递到弹性板（4）上，迫使弹性板（4）产生相应的形变，从而形成图4所示的行波，使弹性板（4）产生行波波形与水之间产生作用，从而推动水下仿蛇型探测器向前行驶。图5中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ图形象的表示了一个周期内行波的运动情况以及行驶方向。

图6所示是水下仿蛇型探测器的主体结构示意图。探测器中的四块弹性板（4）可以定义成A、B、C、D四面。当仅对A面和C面上的两组桥式运放机构（3）施加相同的sin、cos、-sin、-cos、sin交流驱动信号时，此时仅有A面和C面两块弹性板（4）产生相同的行波波形与水之间产生作用，水下仿蛇型探测器就会向前游行，从而具有一个速度V₁；当对分别给四组压电智能梁机构上的4组桥式运放机构（3）施加相同的sin、cos、-sin、-cos、sin交流驱动信号时，此时四块弹性板（4）都会产生相同的行波波形与水之间产生作用，从而使水下仿蛇型探测器就具有了另外一种游行速度V₂（V₂=2V₁）。

如图7所示中，在YOZ坐标系中的速度仅代表探测器行驶的方向，该图表示仅对A面和B面上的两组桥式运放机构（3）施加相同的sin、cos、-sin、-cos、sin交流驱动信号时，A面和B面形成相同的行波分别与水之间产生作用，再通过把A、B两面产生的速度进行合成，合成后的速度使水下仿蛇型探测器朝着A面和B面之间45°的方向行驶；同理，若想在水下仿蛇型探测器在行驶的过程中改变方向，根据需要，这时仅对水下仿蛇型探测器A、B、C、D四个面中的一个面或者相邻的两个面施加相同的交流驱动信号就可以改变水下仿蛇型探测器行驶的方向。另外一种改变水下仿蛇型探测器的行驶方向的方法是：若仅对A面施加sin、cos、-sin、-cos、sin的交流驱动信号，同时对C面（A面的平行面）施加-sin、cos、sin、-cos、-cos驱动信号时，此时探测器会绕着OY轴转动；同理，若仅对B面施加sin、cos、-sin、-cos、sin的交流驱动信号，同时对D面（B面的平行面）施加-sin、cos、sin、-cos、-cos驱动信号时，此时探测器会绕着OZ轴转动；

本发明水下仿蛇型探测器具有以下几个特点：

1. 利用压电驱动模块提供驱动动力，充分利用压电叠堆的伸缩变形量，提高了能量转化效率，此外通过调节驱动频率可以使得压电叠堆工作在超声频段，彻底消去振动噪音；

2. 对构成本发明的所有结构件均采用非金属材料。

3. 通过对每一面上的弹性板产生行波情况的控制，还能使水下仿蛇型探测器进行两种行进速度的切换。即：由于在横梁的四个侧面上设置的机构完全相同，当仅有其中一对平行的两个弹性板结构产生行波时，水下仿蛇型探测器能够低速前行；当四块弹性板同时产生行波与之间作用时，水下仿蛇型探测器能够高速前行。

4. 可以控制水下仿蛇型探测器在水下进行前进、后退、以及转向等操作。如当对水下仿蛇型探测器A、B、C、D四个面中的一个面或者相邻的两个面施加信号就可以改变水下仿蛇型探测器行驶的方向。