本發(fā)明屬于仿生水下運動領(lǐng)域，具體涉及一種基于柔性壓電驅(qū)動器的仿生章魚水下推進系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

生物具有的功能迄今比任何人工制造的機械都優(yōu)越很多，仿生學就是要在工程上實現(xiàn)并有效地應用生物功能的一門學科。例如關(guān)于信息接受(感覺功能)、信息傳遞(神經(jīng)功能)、自動控制系統(tǒng)等，這種生物體的結(jié)構(gòu)與功能在機械設(shè)計方面給了很大啟發(fā)。仿生學的任務就是要研究生物系統(tǒng)的優(yōu)異能力及產(chǎn)生的原理，并把它模式化，然后應用這些原理去設(shè)計和制造新的技術(shù)設(shè)備。

海洋游動生物的推進模式主要有軀體尾鰭模式、胸鰭模式、射流模式這三種，其中前兩種常見于多數(shù)魚類，而射流模式則主要見于章魚、水母等生物的運動中。在章魚的尾部長著一個環(huán)形孔，海水經(jīng)過環(huán)形孔進入外套膜并有軟骨把孔封住。當它要進行快速運動時，外套膜猛烈收縮，軟骨松開，水便從前腹部的噴水管急速向后噴射出去，瞬時產(chǎn)生很大的推力，以實現(xiàn)其運動。這種運動方式在水中的噪音很小，同時具有速度快、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠等優(yōu)點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于柔性壓電驅(qū)動器的仿生章魚水下推進系統(tǒng)，以柔性壓電纖維復合材料為動力源，其仿照章魚能夠用水填充自己的身體，然后迅速將水壓榨出的射流推進的運動模式而設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單，重復性好的特點，為海洋科考等領(lǐng)域提供了一種新的思路。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

基于柔性壓電驅(qū)動器的仿生章魚水下推進系統(tǒng)，其特征在于：包含入口孔、入口單向閥、仿生軀體、柔性壓電纖維復合材料、基板、出口孔、出口單向閥和驅(qū)動電纜組；其中仿生軀體為硅膠材料制成，在初始狀態(tài)下仿生軀體呈近似紡錘形；柔性壓電纖維復合材料壓電片粘在其下側(cè)對應位置布置的基板上共同組成柔性壓電驅(qū)動器，該推進系統(tǒng)總計有五個柔性壓電驅(qū)動器，仿生軀體的側(cè)壁外表面沿其周圍均布粘貼有四個等距間隔排列的柔性壓電驅(qū)動器，兩兩相鄰的壓電驅(qū)動器之間的仿生軀體的中間部位開有入口孔，共計四個入口孔，入口單向閥粘于仿生軀體的側(cè)壁內(nèi)表面；仿生軀體的尾部粘貼有一個垂直布置的柔性壓電驅(qū)動器，其兩側(cè)對稱位置的仿生軀體上各有一個出口孔，出口單向閥粘于仿生軀體底部開孔的外表面。

根據(jù)上述基于柔性壓電驅(qū)動器的仿生章魚水下推進系統(tǒng)，其仿生軀體的側(cè)壁外表面粘貼的四片柔性壓電纖維復合材料壓電片彼此間隔90°，其下側(cè)對應位置布置有四片基板，基板彼此也間隔90°，四個壓電驅(qū)動器與仿生柔性軀體的側(cè)壁面具有一致的彎曲弧度。

工作時，驅(qū)動電纜組向仿生軀體側(cè)壁外表面布置的四個柔性壓電驅(qū)動器提供交流電壓，柔性壓電纖維復合材料在交變電壓的作用下，產(chǎn)生伸長和縮短的往復交替變化，和基板相互配合形成彎矩，柔性壓電驅(qū)動器產(chǎn)生向內(nèi)和向外往復的彎曲運動，帶動仿生軀體共同運動，從而實現(xiàn)仿生軀體所包裹空間的內(nèi)收和外擴，通過單向閥的開合，控制水的吸入和噴出，實現(xiàn)與自然界中真實章魚運動相似的射流推進效果。當仿生章魚需要在運動中改變方向時，仿生軀體尾部垂直布置的柔性壓電驅(qū)動器在直流波動電壓的作用下發(fā)生單側(cè)擺動，使其運動方向發(fā)生改變。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于柔性壓電驅(qū)動器的仿生章魚水下推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明基于柔性壓電驅(qū)動器的仿生章魚水下推進系統(tǒng)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是水吸入仿生軀體，仿生軀體體積變大的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是水吸入仿生軀體，仿生軀體體積變大的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是水排出仿生軀體，仿生軀體體積變小的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是水排出仿生軀體，仿生軀體體積變小的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

結(jié)合圖1和圖2說明，本發(fā)明一種基于壓電纖維復合材料的仿生章魚水下推動裝置，包括：入口孔1、入口單向閥2、仿生軀體3、出口孔4、出口單向閥5、仿生軀體3尾部垂直粘貼的柔性壓電纖維復合材料601、仿生軀體3尾部垂直粘貼的基板602、仿生軀體3側(cè)壁外部粘貼的柔性壓電纖維復合材料701、仿生軀體3側(cè)壁外部粘貼的基板702、和驅(qū)動電纜組8，其中:

仿生軀體3為硅膠材料制成，在初始狀態(tài)下仿生軀體3近似紡錘形；仿生軀體3的側(cè)壁外表面的柔性壓電纖維復合材料壓電片702粘在其下側(cè)對應位置布置的基板702上共同組成柔性壓電驅(qū)動器7，仿生軀體3的側(cè)壁外表面沿其周圍均布粘貼有四個等距間隔排列的柔性壓電驅(qū)動器7，兩兩相鄰的柔性壓電驅(qū)動器7之間的仿生軀體3的中間部位開有入口孔1，共計四個入口孔1，四個入口單向閥2分別粘于仿生軀體3側(cè)壁上四個入口孔1的內(nèi)表面；仿生軀體3尾部垂直粘貼的基板602和其上粘貼的柔性壓電纖維復合材料601共同組成柔性壓電驅(qū)動器6，仿生軀體3在柔性壓電驅(qū)動器6兩側(cè)對稱位置各有一個出口孔4，兩個出口單向閥5分別粘于仿生軀體3底部兩個出口孔4的外表面。

仿生軀體3側(cè)壁外表面布置的四片柔性壓電纖維復合材料壓電片701彼此間隔90°，四片基板702在其下方對應位置?；?02和紡錘形仿生軀體3表面具有一致的向外彎曲弧度，基板702下表面和仿生軀體3外表面緊密粘合，柔性壓電纖維復合材料壓電片701具有和基板702一致的向外彎曲弧度，柔性壓電纖維復合材料壓電片701和基板702緊密粘合。

當仿生章魚在水中直線運動時，驅(qū)動電纜組8的一個輸出端和仿生軀體側(cè)壁布置的四個柔性壓電驅(qū)動器7的正極相連，另一個輸出端和仿生軀體側(cè)壁布置的四個柔性壓電驅(qū)動器7的負極相連；驅(qū)動電纜組8向整個裝置提供交變電壓作為動力源，在交變電壓的作用下，柔性壓電纖維復合材料701產(chǎn)生伸長和縮短的往復交替變化，在基板702的配合下形成彎矩，柔性壓電驅(qū)動器7產(chǎn)生向內(nèi)和向外往復的彎曲運動。當仿生軀體3側(cè)壁外表面均布粘貼的四片柔性壓電纖維復合材料壓電片701同時伸長時，由于基板702的限制，使得四個柔性電驅(qū)動器7同時由平衡位置產(chǎn)生向外的彎曲變形，帶動和基板702粘接的仿生軀體3周圍同時向外運動，柔性壓電驅(qū)動器7向外的彎曲弧度變大，仿生軀體3的徑向長度變短而橫截面面積變大，仿生軀體3由近似紡錘形變?yōu)榻魄蛐?，仿生軀體3體積增大，位于仿生軀體3底部的兩個出口單向閥5關(guān)閉，同時位于仿生軀體3側(cè)壁內(nèi)表面的四個入口單向閥2均打開，水從外部經(jīng)四個入口孔1和入口單向閥2流入仿生軀體3內(nèi)部。

當仿生柔性軀體3側(cè)壁外表面均布粘貼的四片柔性壓電纖維復合材料壓電片701同時由伸長狀態(tài)恢復到平衡狀態(tài)時，由于基板702的限制，柔性壓電驅(qū)動器7向外彎曲的弧度逐漸縮小直至恢復平衡狀態(tài)。在此過程中，入口單向閥2關(guān)閉，出口單向閥5打開，仿生軀體3內(nèi)的水由仿生柔性軀體3內(nèi)部經(jīng)出口單向閥5和出口孔4噴出，直至仿生軀體3的內(nèi)外壓力平衡，此時，入口單向閥2和出口單向閥5均關(guān)閉。

當仿生軀體3側(cè)壁外表面均布粘貼的四片柔性壓電纖維復合材料壓電片701同時縮短時，由于基板702的限制，使得四個柔性壓電驅(qū)動器7同時由平衡位置產(chǎn)生向內(nèi)的彎曲變形，帶動和基板702粘接的仿生軀體3周圍同時向內(nèi)運動，仿生軀體3徑向長度變長而橫截面面積變小，仿生柔性軀體3體積縮小，位于仿生軀體3底部的兩個出口單向閥5打開，同時位于仿生軀體3側(cè)壁內(nèi)表面的四個入口單向閥2均關(guān)閉，水繼續(xù)從仿生軀體3內(nèi)部經(jīng)打開的出口單向閥5和出口孔4噴出。

當仿生軀體3側(cè)壁外表面均布粘貼的四片柔性壓電纖維復合材料壓電片602同時由縮短狀態(tài)恢復到平衡狀態(tài)時，由于基板702的限制，四個壓電驅(qū)動器7向外彎曲的弧度逐漸增大直至恢復平衡狀態(tài)。在此過程中，四個入口單向閥2打開，出口單向閥5關(guān)閉，流體由外部經(jīng)入口孔1和入口單向閥2流入仿生軀體3內(nèi)部，直至平衡狀態(tài)。此時仿生軀體3內(nèi)外壓力平衡，入口單向閥2和出口單向閥5均關(guān)閉。如此往復進行，在單向閥的配合下，實現(xiàn)模擬章魚射流推進的運動。

當仿生章魚需要在運動中改變方向時，保持其直線運動時驅(qū)動電纜組8的連接方式不變，驅(qū)動電纜組8另兩個輸出端的一個和仿生軀體3尾部垂直布置的柔性壓電驅(qū)動器6的正極相連，另一個和仿生軀體3尾部垂直布置的柔性壓電驅(qū)動器6的負極相連。仿生軀體3尾部垂直布置的柔性壓電驅(qū)動器6在直流波動電壓的作用下發(fā)生單側(cè)擺動，使其運動方向發(fā)生改變。