基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器及其工作方法

1.本发明涉及压电驱动深海释放领域，尤其涉及一种基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器及其工作方法。


背景技术：

2.电磁式释放器没有锁止装置，在探测仪器设备大角度倾斜、大幅度摆动的情况下存在无指令脱离的可能。另外，电磁铁只能提供单一方向的吸附力，因此只能实现中心活塞的单向平动。中心活塞受到扰动可能会松动，无法反向移动就无法实现中心活塞和压杆的“卡住”距离的自行补偿。
3.压电作动是最具有缓解深海水压潜力的驱动方法之一。虽然压电换能器与动子间的摩擦力能够实现断电自锁，但是探测器和释放器的距离较远，在洋流的作用下，位于较浅水深的探测器可能出现发生大角度倾斜、大幅度摆动的情况。受到外载荷的扰动，压电换能器与动子间可能会发生的相对运动，释放器可能面临无指令脱离的风险。


技术实现要素：

4.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，提供一种基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器及其工作方法。
5.本发明为解决所述技术问题采用以下技术方案：基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器，包括浮体、贴片式压电换能器、环锁、锚定重物、以及第一至第二连接装置；所述环锁包括锁体和锁芯；所述锁体、锁芯均为设有缺口的圆环，其内壁的一端均设有指向其圆心的限位凸台；所述锁体的内壁上设有穿过其限位凸台将其限位凸台分割为两侧的环状凹槽；所述锁芯设置在锁体的环状凹槽中，锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯两侧的侧壁和环状凹槽两侧的侧壁贴合；所述环锁呈开锁状态时，锁芯的限位凸台和锁体的限位凸台重合、锁芯的缺口和锁体的缺口重合；所述环锁呈锁死状态时，锁芯的缺口和锁体的缺口错开；所述贴片式压电换能器包括驱动环、第一至第二压电复合梁、连接杆和连接环；所述第一、第二压电复合梁结构相同，均包含梁体、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，其中，所述梁体为柱体；所述第一、第二压电陶瓷片均沿厚度方向极化，对称地粘贴在梁体的侧壁两侧；所述驱动环呈圆环状，包含内壁、外壁和两个端面；所述第一、第二压电复合梁关于驱动环对称设置，第一、第二压电复合梁的一端分别和驱动环的两个端面对应固连，使得第一、第二压电复合梁的轴线均经过驱动环的中心，第一、第二压电复合梁轴线所在的平面a垂直于驱动环的两个端面；所述连接杆设置在第一、第二压电复合梁之间，连接杆一端和第一压电复合梁梁体的侧壁固连，另一端和第二压电复合梁梁体的侧壁固连，且连接杆平行于驱动环的轴线；
所述连接环的侧壁和所述连接杆的中点固连，使得连接环、驱动环分别位于连接杆的两侧，且连接环、驱动环中心的连线和连接杆垂直相交；所述第一、第二连接装置均包含杆体和铰接环，其中，所述铰接环呈圆环状；所述杆体一端和铰接环的外壁固连且杆体指向铰接环的圆心；所述第一连接装置杆体远离其铰接环的一端和所述浮体下端铰接，第一连接装置的铰接环和所述贴片式压电换能器的连接环铰接；所述环锁套在所述驱动环上；所述第二连接装置的铰接环套在所述环锁的锁体上，第二连接装置杆体远离其铰接环的一端和锚定重物铰接；所述锚定重物用于提供竖直向下重力，起锚定作用，防止深海释放系统受到风、浪、流和海水温度梯度的影响使得锚定位置发生移动。
6.作为本发明基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器进一步的优化方案，所述第二连接装置的铰接环采用聚四氟乙烯制成。
7.作为本发明基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器进一步的优化方案，所述锁体、锁芯缺口的圆心角相等。
8.作为本发明基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器进一步的优化方案，所述第一、第二压电复合梁的梁体为圆柱体，其上设有用于粘贴第一、第二压电陶瓷片的矩形凹槽。
9.作为本发明基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器进一步的优化方案，所述第一、第二压电陶瓷片的极化方向相反，此时，该基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器的工作方法包含如下步骤：进行锁定时：转动环锁的锁芯，使得锁芯、锁体的缺口错位，锁芯、锁体的限位凸台位于驱动环的同一侧且驱动环位于锁芯的限位凸台、第二连接装置的铰接环之间，此时，在浮体向上的拉力以及锚定重物朝下的拉力作用下，锁体和驱动环相抵；进行释放时：步骤a.1），驱动贴片式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动，贴片式压电换能器的驱动方法如下：分别采用交流电信号ac
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1、ac
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2激励第一、第二压电复合梁；当交流电信号ac
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1、ac
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2在时间上具有相同相位时，第一、第二压电复合梁在空间上发生纵向振动且第一、第二压电复合梁的纵向振动相位相同，驱动环作面内振动，此时贴片式压电换能器的振动模态为振动模态a；当交流电信号ac
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1、ac
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2在时间上具有相反相位时，第一、第二压电复合梁在空间上发生纵向振动且第一、第二压电复合梁的纵向振动相位相反，驱动环作面外振动，此时贴片式压电换能器的振动模态为振动模态b；当交流电信号ac
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1、ac
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2相差90度时间相位时，贴片式压电换能器的振动模态a和振动模态b被同时激发，驱动环的表面质点在环锁所在的平面内产生椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动；当交流电信号ac
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1与ac
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2相差
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90度时间相位时，贴片式压电换能器的振动a和b被同时激发，且贴片式压电换能器圆环的表面质点在环锁所在的平面内产生反向的椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动；
步骤a.2），当锁体的限位凸台开始朝着靠近驱动环的方向转动时，由于锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯跟随锁体进行转动，使得锁芯的限位凸台先接触并抵住驱动环，此时，锁体的限位凸台继续朝着靠近驱动环的方向转动，锁体的转动的力大于锁芯和锁体之间的静摩擦力，锁体相对锁芯转动，直到锁体的限位凸台抵住驱动环和锁芯的限位凸台重合，环锁呈开锁状态；整个过程中第二连接装置的铰接环由于受到锚定重物的重力作用，始终位于锁体的最低点；步骤a.3），驱动贴片式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动，直到第二连接装置的铰接环从锁体的缺口处脱离。
10.作为本发明基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器进一步的优化方案，所述所述第一、第二压电陶瓷片的极化方向相同，且第一、第二压电陶瓷片均垂直于平面a，此时，该基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器的工作方法包含以下步骤：进行锁定时：转动环锁的锁芯，使得锁芯、锁体的缺口错位，锁芯、锁体的限位凸台位于驱动环的同一侧且驱动环位于锁芯的限位凸台、第二连接装置的铰接环之间，此时，在浮体向上的拉力以及锚定重物朝下的拉力作用下，锁体和驱动环相抵；进行释放时：步骤b.1），驱动贴片式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动，贴片式压电换能器的驱动方法如下：分别采用交流电信号ac
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1、ac
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2激励第一、第二压电复合梁；当交流电信号ac
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1、ac
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2在时间上具有相同相位时，第一、第二压电复合梁在空间上发生弯曲振动且第一、第二压电复合梁的弯曲形态相同，驱动环作面外振动，此时贴片式压电换能器的振动模态为振动模态a；当交流电信号ac
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1、ac
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2在时间上具有相反相位时，第一、第二压电复合梁在空间上发生弯曲振动且第一、第二压电复合梁的弯曲形态关于驱动环对称，驱动环作面内振动，此时贴片式压电换能器的振动模态为振动模态b；当交流电信号ac
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1、ac
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2相差90度时间相位时，贴片式压电换能器的振动模态a和振动模态b被同时激发，驱动环的表面质点在环锁所在的平面内产生椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动；当交流电信号ac
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1与ac
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2相差
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90度时间相位时，贴片式压电换能器的振动a和b被同时激发，且贴片式压电换能器圆环的表面质点在环锁所在的平面内产生反向的椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动；步骤b.2），当锁体的限位凸台开始朝着靠近驱动环的方向转动时，由于锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯跟随锁体进行转动，使得锁芯的限位凸台先接触并抵住驱动环，此时，锁体的限位凸台继续朝着靠近驱动环的方向转动，锁体的转动的力大于锁芯和锁体之间的静摩擦力，锁体相对锁芯转动，直到锁体的限位凸台抵住驱动环和锁芯的限位凸台重合，环锁呈开锁状态；整个过程中第二连接装置的铰接环由于受到锚定重物的重力作用，始终位于锁体的最低点；步骤b.3），驱动贴片式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动，直到第二连接装置的铰接环从锁体的缺口处脱离。
11.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 摩擦驱动允许海水进入，无需动密封；2. 贴片式压电换能器只需进行隔水、绝缘处理，其内部无空腔，与外界海水间无压差，在高水压条件下不会被破坏，能适应深海高水压、低温、强腐蚀的恶劣环境；3. 浮体提供的浮力，在定点监控、应答释放时保证压电换能器和动子间牢靠接触，在脱离上升时充当提升拉力实现探测器的上浮；4. 环锁的锁芯、锁体相互配合实现开口的打开和闭合，进一步提升了压电驱动型释放器应对探测器大角度倾斜、大幅度摆动极端工况的能力，大大增强了压电驱动型释放器水下长效服役的可靠性。
附图说明
12.图1是基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器；图2是环锁结构示意图；图3是第一种贴片式压电换能器结构示意图；图4是嵌套扇环的锁止安装过程示意图；图5是第一种贴片式压电换能器的振动模态a示意图；图6是第一种贴片式压电换能器的振动模态b示意图；图7是压电释放器的工作过程图；图8是第二种贴片式压电换能器结构示意图；图9是第二种贴片式压电换能器的振动模态c示意图；图10是第二种贴片式压电换能器的振动模态d示意图。
13.其中，1：浮体；2：第一连接装置；3：贴片式压电换能器；4：环锁；5：第二连接装置；6：锚定重物；4
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1：锁体；4
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2：锁芯；4
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3：锁芯限位凸台；4
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4：锁体限位凸台；3
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1：梁体；3
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2：压电陶瓷片；3
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3：驱动环；3
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4：连接杆；3
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5：连接环。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
15.如图1所示，本发明公开了一种基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器，包括浮体、贴片式压电换能器、环锁、锚定重物、以及第一至第二连接装置；如图2所示，所述环锁包括锁体和锁芯；所述锁体、锁芯均为设有缺口的圆环，其内壁的一端均设有指向其圆心的限位凸台；所述锁体的内壁上设有穿过其限位凸台将其限位凸台分割为两侧的环状凹槽；所述锁芯设置在锁体的环状凹槽中，锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯两侧的侧壁和环状凹槽两侧的侧壁贴合；所述环锁呈开锁状态时，锁芯的限位凸台和锁体的限位凸台重合、锁芯的缺口和锁体的缺口重合；所述环锁呈锁死状态时，锁芯的缺口和锁体的缺口错开；如图3所示，所述贴片式压电换能器包括驱动环、第一至第二压电复合梁、连接杆和连接环；
所述第一、第二压电复合梁结构相同，均包含梁体、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，其中，所述梁体为柱体；所述第一、第二压电陶瓷片均沿厚度方向极化，对称地粘贴在梁体的侧壁两侧；所述驱动环呈圆环状，包含内壁、外壁和两个端面；所述第一、第二压电复合梁关于驱动环对称设置，第一、第二压电复合梁的一端分别和驱动环的两个端面对应固连，使得第一、第二压电复合梁的轴线均经过驱动环的中心，第一、第二压电复合梁轴线所在的平面a垂直于驱动环的两个端面；所述连接杆设置在第一、第二压电复合梁之间，连接杆一端和第一压电复合梁梁体的侧壁固连，另一端和第二压电复合梁梁体的侧壁固连，且连接杆平行于驱动环的轴线；所述连接环的侧壁和所述连接杆的中点固连，使得连接环、驱动环分别位于连接杆的两侧，且连接环、驱动环中心的连线和连接杆垂直相交；所述第一、第二连接装置均包含杆体和铰接环，其中，所述铰接环呈圆环状；所述杆体一端和铰接环的外壁固连且杆体指向铰接环的圆心；所述第一连接装置杆体远离其铰接环的一端和所述浮体下端铰接，第一连接装置的铰接环和所述贴片式压电换能器的连接环铰接；所述环锁套在所述驱动环上；所述第二连接装置的铰接环套在所述环锁的锁体上，第二连接装置杆体远离其铰接环的一端和锚定重物铰接；所述锚定重物用于提供竖直向下重力，起锚定作用，防止深海释放系统受到风、浪、流和海水温度梯度的影响使得锚定位置发生移动。
16.作为本发明基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器进一步的优化方案，所述第二连接装置的铰接环采用聚四氟乙烯制成。
17.作为本发明基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器进一步的优化方案，所述锁体、锁芯缺口的圆心角相等。
18.作为本发明基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器进一步的优化方案，所述第一、第二压电复合梁的梁体为圆柱体，其上设有用于粘贴第一、第二压电陶瓷片的矩形凹槽。
19.作为本发明基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器进一步的优化方案，所述第一、第二压电陶瓷片的极化方向相反，如图3所示，此时，如图7所示，该基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器的工作方法包含如下步骤：如图4所示，进行锁定时：转动环锁的锁芯，使得锁芯、锁体的缺口错位，锁芯、锁体的限位凸台位于驱动环的同一侧且驱动环位于锁芯的限位凸台、第二连接装置的铰接环之间，此时，在浮体向上的拉力以及锚定重物朝下的拉力作用下，锁体和驱动环相抵；进行释放时：步骤a.1），驱动贴片式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动，贴片式压电换能器的驱动方法如下：分别采用交流电信号ac
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1、ac
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2激励第一、第二压电复合梁；如图5所示，当交流电信号ac
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1、ac
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2在时间上具有相同相位时，第一、第二压电复合梁在空间上发生纵向振动且第一、第二压电复合梁的纵向振动相位相同，驱动环作面内
振动，此时贴片式压电换能器的振动模态为振动模态a；如图6所示，当交流电信号ac
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1、ac
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2在时间上具有相反相位时，第一、第二压电复合梁在空间上发生纵向振动且第一、第二压电复合梁的纵向振动相位相反，驱动环作面外振动，此时贴片式压电换能器的振动模态为振动模态b；当交流电信号ac
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1、ac
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2相差90度时间相位时，贴片式压电换能器的振动模态a和振动模态b被同时激发，驱动环的表面质点在环锁所在的平面内产生椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动；当交流电信号ac
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1与ac
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2相差
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90度时间相位时，贴片式压电换能器的振动模态a和b被同时激发，且贴片式压电换能器圆环的表面质点在环锁所在的平面内产生反向的椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动；步骤a.2），当锁体的限位凸台开始朝着靠近驱动环的方向转动时，由于锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯跟随锁体进行转动，使得锁芯的限位凸台先接触并抵住驱动环，此时，锁体的限位凸台继续朝着靠近驱动环的方向转动，锁体的转动的力大于锁芯和锁体之间的静摩擦力，锁体相对锁芯转动，直到锁体的限位凸台抵住驱动环和锁芯的限位凸台重合，环锁呈开锁状态；整个过程中第二连接装置的铰接环由于受到锚定重物的重力作用，始终位于锁体的最低点；步骤a.3），驱动贴片式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动，直到第二连接装置的铰接环从锁体的缺口处脱离。
20.作为本发明基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器进一步的优化方案，所述第一、第二压电陶瓷片的极化方向相同，且第一、第二压电陶瓷片均垂直于平面a，如图8所示；此时，该基于摩擦力驱动的贴片式压电释放器的工作方法包含以下步骤：进行锁定时：转动环锁的锁芯，使得锁芯、锁体的缺口错位，锁芯、锁体的限位凸台位于驱动环的同一侧且驱动环位于锁芯的限位凸台、第二连接装置的铰接环之间，此时，在浮体向上的拉力以及锚定重物朝下的拉力作用下，锁体和驱动环相抵；进行释放时：步骤b.1），驱动贴片式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动，贴片式压电换能器的驱动方法如下：分别采用交流电信号ac
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3、ac
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4激励第一、第二压电复合梁；如图9所示，当交流电信号ac
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3、ac
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4在时间上具有相同相位时，第一、第二压电复合梁在空间上发生弯曲振动且第一、第二压电复合梁的弯曲形态相同，驱动环作面外振动，此时贴片式压电换能器的振动模态为振动模态c；如图10所示，当交流电信号ac
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3、ac
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4在时间上具有相反相位时，第一、第二压电复合梁在空间上发生弯曲振动且第一、第二压电复合梁的弯曲形态关于驱动环对称，驱动环作面内振动，此时贴片式压电换能器的振动模态为振动模态d；当交流电信号ac
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3、ac
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4相差90度时间相位时，贴片式压电换能器的振动模态c和振动模态d被同时激发，驱动环的表面质点在环锁所在的平面内产生椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着靠近驱动环的方向转动；当交流电信号ac
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3与ac
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4相差
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90度时间相位时，贴片式压电换能器的振动c和d被同时激发，且贴片式压电换能器圆环的表面质点在环锁所在的平面内产生反向的椭圆运动，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动；
步骤b.2），当锁体的限位凸台开始朝着靠近驱动环的方向转动时，由于锁芯的外壁和环状凹槽的底壁相抵、存在静摩擦力，锁芯跟随锁体进行转动，使得锁芯的限位凸台先接触并抵住驱动环，此时，锁体的限位凸台继续朝着靠近驱动环的方向转动，锁体的转动的力大于锁芯和锁体之间的静摩擦力，锁体相对锁芯转动，直到锁体的限位凸台抵住驱动环和锁芯的限位凸台重合，环锁呈开锁状态；整个过程中第二连接装置的铰接环由于受到锚定重物的重力作用，始终位于锁体的最低点；步骤b.3），驱动贴片式压电换能器，使得锁体的限位凸台朝着远离驱动环的方向转动，直到第二连接装置的铰接环从锁体的缺口处脱离。
21.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
22.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。