基于压电双晶片驱动的微型仿生机器鱼的设计.pdf

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1、基于压电双晶片驱动的微型仿生机器鱼的设计口曹静文口赵宁西北工业大学机电学院西安710072摘要：通过鱼类游动机理得到启发，将压电双晶片驱动器与柔性机构合为一体，设计了模拟鱼尾鳍摆动机构。应用尾鳍推进的流体力学理论以及刚体定轴转动理论建立其动力学模型。分析了柔性机构放大性能，设计计算了压电双晶片尺寸。关键词：压电双晶片柔性机构机器鱼动力学分析中图分类号：THI33文献标识码：A文章编号：1000—4998(2010)08—0025—03随着微电子机械系统技术(MEMS)的日益发展以器。及各种智能材料驱动器的应用，国内外已经研制出多1．1压电双晶片种微型仿生机器鱼_l。1。目前采用的智能材

2、料主要有：李东明等通过对压电双品片驱动器的受力分形状记忆合金、磁致伸缩材料、离子聚合物、压电陶瓷。析，推导出压电双晶片在电压作用下悬臂梁自由端偏其中压电陶瓷驱动器具有结构紧凑、体积小、频率响应移量6和驱动力F的计算公式：好、驱动力大、位移分辨率高、控制驱动简单、不发热、=篑V(1)无噪声等优点，可广泛应用于微型仿生机器鱼领域。V(2)1尾鳍驱动装置设计式中：A=Sp／s=E／E。=E／Ep；B=h／hp；D=8+鱼类通过肌肉收缩产生运动，通过周期性地收缩t2B+6B+AB；1、分别是压电双晶片的长度和宽身体一侧用于游动的肌肉，同时放松相对另一侧的肌度；V为压电双晶片的驱动电压；d，为压

3、电常数；h和肉，使得尾鳍产生来回摆动。当尾鳍摆动的时候，它迫h分别为压电层和弹性层的厚度；E和分别为压使一部分水运动，被排开的水的惯性会产生垂直鱼体、电层和弹性层的弹性模量；s。和s分别为压电层和弹与单位时间排水量成比例的反作用力，推动鱼体向前性层柔度。运动⋯。由于驱动器自由端变形较小，将自由端偏移量6a在鱼类肌肉运动的启发下，简化运动系统，得到仿和驱动力F转化为压电双晶片的旋转角度0驱动生设计思路如下：压电陶瓷驱动器在电压作用下产生力矩r：微变形，模拟鱼类肌肉收缩和放松运动；柔性机构将压电陶瓷驱动器的微变形放大并转化为摆动输出；将仿==d，V(3)生尾鳍置于柔性机构输出杆上；驱动器、

4、柔性机构和尾“：一d，V(4)snD、鳍组成的机械系统通过振动实现运动。尾鳍驱动装置如图1所示。1．2尾鳍驱动装置动力学模型压电陶瓷驱动器主要有叠堆和双晶片两种结构。鱼类尾鳍在水中主要受3种类型的力：流体的反与叠堆结构作用力、机构的惯性力和驱动装置输出力。对转动轴取相比，双晶片矩，建立力矩平衡方程如下：单位电压变．rh+r=r。4(5)形较大，且制1)流体阻尼力矩为简化计算，初始设计时选作相对容易。用形状简单的尾鳍。为求得由于流体摩擦作用产生的因此选取压阻尼力矩，建立尾鳍数学模型，如图2所示。电双晶片作当鱼在流体层流状态下运动时，尾鳍运动受到的为微型仿生流体阻力等于尾鳍静止流体以同样速

5、度流向尾鳍时尾机器鱼驱动鳍受到的力。根据平板翼绕流理论，平板受到的流体阻收稿日期：2010年2月力为：机械制造48卷第552期2010／8式所积数、—●还2。点度产对整个尾鳍进行积分，求得流体阻尼力矩：6ram、f4=1mm和初始角度0=40．8。。rr用两片厚度为50m的压电单片和厚度为50m『hwJ。xdFw=2pwJ。_厂()dx(8)的弹性层片制作成压电双晶片驱动器。其中，弹性层采式中：为尾鳍长度。用不锈钢，弹性模量E=210GPa，密度P=7800kg／2)机构惯性力矩。机构的等价转动惯量．，由两m3。压电层采用PZT一5H材料，弹性模量E=60．3部分组成：尾鳍的定轴转动惯

6、量-，o和被加速的流体惯GPa，压电常数d3=274X10”C／N。量I，。本设计采用弹性薄膜制作鱼的柔性尾鳍，因此压电双晶片在150V电压下，根据式(3)求得压电J。

7、后，压电双△表示。晶片输出力矩与其宽度成正比。选择适合宽度的压电△04=A04⋯sin(21T+)(11)双晶片，输出足够的转动力矩使尾鳍在水中实现运动。式中：△⋯为摆动最大幅度；-厂为摆动频率；为初始假设仿生机器鱼质量为1g，机构放大倍数N=相位角。15，尾鳍放大输出角△04⋯=56．4。在有限元分析软件7_=‘，△04=Jw4~r2fA04⋯sin(21T+卢)(12)ANSYS中求出带尾鳍的驱动装置一阶固有频率为3)驱动装置输出力矩压电驱