本发明公开了一种压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统及其工作方法，该系统包含壳体、压电驱动单元和机器胸鳍；壳体包含支撑部、第一至第四连接辐条、球铰安装座和球铰；压电驱动单元包含金属基体、弹簧螺杆、以及第一至第四压电陶瓷片；机器胸鳍包含连接杆和桨叶。工作时，通过对第一至第四压电陶瓷片施加不同的信号，使机器胸鳍沿z轴做螺旋运动、在zox面上做振荡运动、在zoy面上做振荡运动。本发明为一种鱼类胸鳍仿生系统，结构简单，无密封装置和复杂传动结构，采用压电驱动技术直接驱动，易于实现小型化、轻量化。
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；
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。
一种压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统及其工作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及压电作动和机器胸鳍姿态调整系统领域，尤其涉及一种压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统及其工作方法。
背景技术
[0002] 经过数百万年的自然选择，鱼类已经进化出最适合水下生存的运动方式。鱼类在水中有很好的游泳能力。鱼的运动以其高效率和高机动性而闻名，尤其是在它们转弯、悬
停、后退和刹车时。近几十年来，鱼类的运动吸引了许多科学家和工程师进行仿生研究。胸
鳍不仅能使鱼在游泳时获得更高的稳定性和柔韧性，而且在悬停时也能保持身体平衡。此
外，胸鳍在鱼类游动时也起着重要作用。鱼类胸鳍的形状、结构和运动方式是鱼类获得高性
能和高流动性的重要因素。胸鳍在三维空间中以三个自由度运动，分为沿x轴和y轴的摆动
和沿z轴的旋转。理解这种运动模式是设计和控制机器胸鳍的一个重要步骤。然而，现有的
鱼类胸鳍仿生系统存在许多缺点，例如，结构复杂、控制困难等。
[0003] 压电作动器利用逆压电效应和摩擦效应来实现驱动功能。使用压电驱动技术将鱼鳍仿生系统设计成无密封的开放性结构，压电驱动元件可以直接在海水下运行。采用压电
驱动的鱼鳍仿生系统具有结构简单、工作稳定等优点。
发明内容
[0004] 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，提供一种压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统及其工作方法。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006] 一种压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统，包含壳体、压电驱动单元和机器胸鳍；
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] 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；
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 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；
[0019] 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。
[0020] 作为本发明一种压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统进一步的优化方案，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。
[0021] 作为本发明一种压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统进一步的优化方案，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。
[0022] 本发明还公开了一种该压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统的工作方法，包含如下步骤：
[0023] 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；
[0024] 如需实现机器胸鳍在zox面上振荡运动：
[0025] 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；
[0026] 如需实现机器胸鳍在zoy面上振荡运动：
[0027] 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；
[0028] 如需实现沿z轴的螺旋运动：
[0029] 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。
[0030] 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：
[0031] 1. 结构简单，无密封装置和复杂传动结构；
[0032] 2. 采用压电驱动技术直接驱动，易于实现小型化、轻量化；
[0033] 3. 采用弹簧作为预压力施加装置，使压电驱动单元具有三个自由度，解决了自由度冗余的问题，压电驱动单元既能作为定子也能作为动子，使控制更加方便。
附图说明
[0034] 图1是本发明一种压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统结构示意图；
[0035] 图2是本发明中壳体结构示意图；
[0036] 图3是本发明中压电驱动单元的结构示意图；
[0037] 图4是本发明中机器胸鳍和螺杆相配合的结构示意图；
[0038] 图5是本发明中球铰安装座的剖面示意图；
[0039] 图6（a）、图6（b）分别是本发明中压电陶瓷分布示意图、极化方向示意图；
[0040] 图7是本发明中机器胸鳍在zox面上做振荡运动状态下的电信号施加示意图；
[0041] 图8是本发明中机器胸鳍在zoy面上做振荡运动状态下的电信号施加示意图；
[0042] 图9是本发明中一阶纵向振动、二阶弯振模态的对比示意图；
[0043] 图10是机器胸鳍作振荡运动时压电驱动单元旋转原理图；
[0044] 图11是本发明中机器胸鳍在zox面上做振荡运动时压电驱动单元的驱动足表面质点一个周期内的模态示意图；
[0045] 图12是本发明中机器胸鳍在zox面上做振荡运动状态示意图；
[0046] 图13是本发明中机器胸鳍沿z轴螺旋运动状态下的电信号施加示意图；
[0047] 图14是本发明中相位差为90°的二阶弯振模态的对比示意图；
[0048] 图15是本发明中机器胸鳍沿z轴螺旋运动时压电驱动单元的盲孔边缘质点在一个周期内的模态示意图；
[0049] 图16是本发明中机器胸鳍沿z轴螺旋运动状态示意图。
[0050] 图中，1‑壳体，2‑压电驱动单元，3‑机器胸鳍，1.1‑支撑部，1.2‑第一至第四连接辐条，1.3‑球铰安装座，1.4‑球铰， 2.1‑金属基体，2.1.1‑驱动足，2.1.2‑驱动部，2.1.3‑承载
部，2.2.1‑第一压电陶瓷片，2.2.2‑第二压电陶瓷片，2.2.3‑第三压电陶瓷片，2.2.4‑第四
压电陶瓷片，3.1‑连接杆，3.2‑桨叶。
具体实施方式
[0051] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0052] 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。
[0053] 如图1所示，本发明公开了一种压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统，包含壳体、压电驱动单元和机器胸鳍。
[0054] 如图2所示，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；
[0055] 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；
[0056] 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；
[0057] 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
[0058] 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；
[0059] 所述球铰安装座中心处设有用于安装所述球壳的通孔，所述球壳固定在所述球铰安装座中心的通孔中、和球铰安装座同轴，如图5所示。
[0060] 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。
[0061] 如图3所示，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。
[0062] 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；
[0063] 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；
[0064] 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；
[0065] 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。弹簧提供的预压力为一个临界值，使得压电驱动单元既能做动子又能做定子。当机器胸
鳍做振荡运动时，压电驱动单元做动子，当机器胸鳍做螺旋运动时，压电驱动单元做定子。
[0066] 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，使得承载板四个侧壁整体平整。
[0067] 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。
[0068] 如图4所示，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；
[0069] 如图6（a）、图6（b）所示，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、极化方向均朝外或朝内；
[0070] 本发明还公开了一种压电驱动的机器胸鳍姿态调整系统的工作方法，包含如下步骤：
[0071] 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；
[0072] 如需实现机器胸鳍在zox面上振荡运动：
[0073] 如图7所示，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。
[0074] 如需实现机器胸鳍在zoy面上振荡运动：
[0075] 如图8所示，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；
[0076] 如图9所示，施加的电信号使得压电驱动单元上同时产生一阶纵振和二阶弯振；
[0077] 如图10所示，通过一阶纵振和二阶弯振的复合，使得驱动足在zox面或zoy面上作椭圆运动，产生的摩擦力使得压电作动器驱动螺纹轴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平面或zoy平面投影上的任意点的连线，此时压电驱动单
元做动子；
[0078] 如图11所示，机器胸鳍在zox面上振荡运动状态下压电驱动单元的驱动足表面质点在一个周期内的模态示意图；
[0079] 如图12所示，为机器胸鳍在压电作动器的驱动下实现在zox面上振荡运动状态示意图。
[0080] 如需实现沿z轴的螺旋运动：
[0081] 如图13所示，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；
[0082] 如图14所示，在电信号的激励下，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；
[0083] 如图15所示，为压电驱动单元的盲孔边缘质点在一个周期内的模态示意图；
[0084] 如图16所示，两个二阶弯振复合，使压电驱动单元的盲孔产生椭圆运动，从而驱动螺杆做螺旋运动，从而使机器胸鳍产生旋转运动。此时，压电驱动单元做定子。通过改变第
一信号和第二信号相位差为‑π/2，使机器胸鳍产生反向旋转运动。
[0085] 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。
[0086] 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。
