一种仿管水母水下探测机器人及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种仿管水母水下探测机器人及其工作方法，包括：若干个仿水母水下推进装置以及一根连接管道，所述的若干个仿水母水下推进装置设置在连接管道的外壁或端部；该仿水母水下推进装置包括钟状壳体和若干片压电陶瓷片，其中，所述的钟状壳体是一个一端开口、另一端封闭的钟状空腔弧形薄壁弹性结构，所述的压电陶瓷片成对且对称设置在靠近钟状壳体的封闭端的空腔外壁上。本发明专利技术具有结构简单、紧凑、抗水压、能耗低、无噪声、机动性能强、控制简单等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于基于压电驱动的水下机器人
，具体指代一种仿管水母水下探测机器人及其工作方法。
技术介绍
水母是一种钟状或者伞状结构的简单水下生物体，依靠身体肌肉构造将体内的水排出体外，通过喷水推进的方式实现运动或者游动。如何有效利用水母的喷水推进运动机理来实现水下机器人的运动，一直以来都是研究的热点。目前各种不同形式的水母机器人被提出，但是它们的结构复杂、控制系统冗余、噪声大以及实用性不高。管水母类似一种由多个水母组成的水下生物体，具有水母的运动特征，能够灵活在水中游动，机动性能高。目前尚未检索到与仿管水母设计的机器人相关的文献。本专利技术结合管水母和水母的运动特征，提出了一种压电耦合结构的多仿水母水下推进装置组成的仿管水母水下探测机器人，具有结构简单、紧凑、抗水压、能耗低、无噪声、机动性能强、控制简单等优点。
技术实现思路
针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种仿管水母水下探测机器人及其工作方法，以解决现有技术中的水母机器人结构复杂、控制系统冗余、噪声大以及实用性不高等问题。为达到上述目的，本专利技术的一种仿管水母水下探测机器人，包括：若干个仿水母水下推进装置以及一根连接管道，所述的若干个仿水母水下推进装置设置在连接管道的外壁或端部；该仿水母水下推进装置包括钟状壳体和若干片压电陶瓷片，其中，所述的钟状壳体是一个一端开口，另一端封闭的钟状空腔弧形薄壁弹性结构，所述的压电陶瓷片成对且对称设置在靠近钟状壳体的封闭端的空腔外壁上。优选地，所述的压电陶瓷片的长度方向与钟状壳体的长度方向一致。优选地，所述的仿水母水下推进装置的钟状壳体的封闭端部与连接管道的外壁或端部相连。本专利技术的一种仿管水母水下探测机器人的工作方法，包括步骤如下：通过施加电信号，激励对称设置的压电陶瓷片同时沿着其长度方向伸长或者缩短，从而驱动钟状壳体同时随着压电陶瓷片的伸长/缩短而伸长/缩短，以改变钟状壳体内空腔的容积变化；当对仿水母水下推进装置上设置的成对压电陶瓷片同时施加相同的电信号激励钟状壳体在受迫振动的状态下沿着长度方向产生缩短变化，空腔内的容积将变大，外界的水将从开口进入空腔中；当成对压电陶瓷片被激励沿着长度方向伸长，钟状壳体也将沿着长度方向伸长，从而导致空腔内的容积减小，使得水从空腔中排出；当水排出空腔时，仿水母水下推进装置会朝排水的反方向产生运动或者运动趋势；当压电陶瓷片在高频振动下激励钟状壳体产生高频的伸长/缩短，致使空腔内的水不断连续的被排出，从而推动整个仿管水母水下探测机器人向前游动；通过控制设置在连接管道上的各个仿水母水下推进装置的喷水方向和喷水量，驱动整个仿管水母水下探测机器人朝着预定的方向和位置游动，并实现在整个水域内的全方位游动。本专利技术的有益效果：本专利技术结合了压电驱动系统的结构简单、紧凑、响应快且可工作在超声频段无噪声等优点，并基于水母的运动机理，提出了压电耦合结构的多水下推进系统组成的仿管水母水下探测机器人，具有结构简单、紧凑、抗水压、能耗低、无噪声、机动性能强、控制简单等优点。附图说明图1绘示仿管水母水下探测机器人的结构示意图；图2绘示仿水母水下推进装置的结构示意图；图3绘示仿水母水下推进装置的工作原理图；其中，1为仿水母水下推进装置，11为钟状壳体，12为压电陶瓷片，2为连接管道，a为钟状壳体在受迫振动的状态下的收缩状态，b为钟状壳体在受迫振动的状态下的伸长状态。具体实施方式为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本专利技术作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本专利技术的限定。参照图1，图2所示，本专利技术的一种仿管水母水下探测机器人，包括：若干个仿水母水下推进装置1以及一根连接管道2，所述的若干个仿水母水下推进装置1设置在连接管道2的外壁或端部；该仿水母水下推进装置1包括钟状壳体11和若干片压电陶瓷片12，其中，所述的钟状壳体11是一个一端开口，另一端封闭的钟状空腔弧形薄壁弹性结构，所述的压电陶瓷片12成对且对称设置在靠近钟状壳体11的封闭端的空腔外壁上；成对且对称压电陶瓷片的极化方向均朝法线方向，并且极化方向一致同时朝外或者同时朝内。其中，所述的压电陶瓷片12的长度方向与钟状壳体11的长度方向一致。其中，所述的仿水母水下推进装置1的钟状壳体11的封闭端部与连接管道2的外壁或端部相连。通过施加电信号，激励对称设置的压电陶瓷片12同时沿着其长度方向伸长或者缩短，从而驱动钟状壳体11同时随着压电陶瓷片12的伸长/缩短而伸长/缩短，以改变钟状壳体11内空腔的容积变化。本专利技术的一种仿管水母水下探测机器人的工作方法，包括步骤如下：通过施加电信号，激励对称设置的压电陶瓷片同时沿着其长度方向伸长或者缩短，从而驱动钟状壳体同时随着压电陶瓷片的伸长/缩短而伸长/缩短，以改变钟状壳体内空腔的容积变化；当对仿水母水下推进装置上设置的成对压电陶瓷片同时施加相同的电信号激励出钟状壳体沿着长度方向产生缩短变化，空腔内的容积将变大，外界的水将从开口进入空腔中；当成对压电陶瓷片被激励沿着长度方向伸长，钟状壳体也将沿着长度方向伸长，从而导致空腔内的容积减小，使得水从空腔中排出；当水排出空腔时，仿水母水下推进装置会朝排水的反方向产生运动或者运动趋势；当压电陶瓷片在高频振动下激励钟状壳体产生高频的伸长/缩短，致使空腔内的水不断连续的被排出，从而推动整个仿管水母水下探测机器人向前游动；通过控制设置在连接管道上的各个仿水母水下推进装置的喷水方向和喷水量，使得整个仿管水母水下探测机器人朝着预定的方向和位置游动，具有较高的机动性能。于实施例中，选用四片压电陶瓷片，当对四片成对且对称设置在钟状壳体端部的压电陶瓷片施加完全相同且无相位差的正弦激励信号时，仿水母水下推进装置的工作原理如图3所示，在时，施加的激励电信号使压电陶瓷片从原长状态变为收缩状态并且沿长度方向缩短，同时驱动钟状壳体亦沿长度方向伸缩，导致钟状壳体端部开口变大，空腔内的容积变大，见图3中a为钟状壳体在受迫振动的状态下的缩短状态，外界的水进入空腔内；在过程中，压电陶瓷片由缩短状态恢复至原长，钟状壳体也从缩短状态恢复至原长，此过程中空腔内的容积从最大开始变小直至恢复初始状态，因此在钟状壳体开口端连续喷出水；在内，压电陶瓷片受激从原长状态伸长至最大值，同时钟状壳体也沿长度方向伸长至最大，此过程中空腔内的容积持续变小，见图3中b为钟状壳体在受迫振动的状态下的伸长状态，因此钟状壳体端部连续喷出水；在时，压电陶瓷片从最长状态恢复至原长，此时钟状壳体也沿着长度方向恢复至原长，空腔内的容积慢慢变大，外界的水再次持续进入空腔内，直至整个系统回复至平衡状态，至此一个周期结束。仿水母水下推进装置通过一个周期连续交错的改变钟状壳体空腔内的容积差实现钟状壳体端部的进水排水从而提供整个系统向前运动的动力。最终通过控制所有设置在连接管道上的仿水母水下推进装置可实现仿管水母水下探测机器人的各种运动。本专利技术具体应用途径很多，以上所述仅是本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿管水母水下探测机器人，其特征在于，包括：若干个仿水母水下推进装置（1）以及一根连接管道（2），所述的若干个仿水母水下推进装置（1）设置在连接管道（2）的外壁或端部；该仿水母水下推进装置包括钟状壳体（11）和若干片压电陶瓷片（12），其中，所述的钟状壳体（11）是一个一端开口、另一端封闭的钟状空腔弧形薄壁弹性结构，所述的压电陶瓷片（12）成对且对称设置在靠近钟状壳体（11）的封闭端的空腔外壁上。

【技术特征摘要】
1.一种仿管水母水下探测机器人，其特征在于，包括：若干个仿水母水下推进装置（1）以及一根连接管道（2），所述的若干个仿水母水下推进装置（1）设置在连接管道（2）的外壁或端部；该仿水母水下推进装置包括钟状壳体（11）和若干片压电陶瓷片（12），其中，所述的钟状壳体（11）是一个一端开口、另一端封闭的钟状空腔弧形薄壁弹性结构，所述的压电陶瓷片（12）成对且对称设置在靠近钟状壳体（11）的封闭端的空腔外壁上。2.根据权利要求1所述的仿管水母水下探测机器人，其特征在于，所述的压电陶瓷片（12）的长度方向与钟状壳体（11）的长度方向一致。3.根据权利要求1所述的仿管水母水下探测机器人，其特征在于，所述的仿水母水下推进装置（1）的钟状壳体（11）的封闭端部与连接管道（2）的外壁或端部相连。4.根据权利要求1所述的仿管水母水下探测机器人，其特征在于，通过施加电信号，激励对称设置的压电陶瓷片同时沿着其长度方向伸长或者缩短，从而驱动钟状壳体同时随着压电陶瓷片的伸长/缩短而伸长/缩短，以改变钟状壳体内空...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亮，邓月波，金家楣，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32