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1、基于壓電雙晶片驅(qū)動的微型仿生機(jī)器魚的設(shè)計口曹靜文口趙寧西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院西安710072摘要：通過魚類游動機(jī)理得到啟發(fā)，將壓電雙晶片驅(qū)動器與柔性機(jī)構(gòu)合為一體，設(shè)計了模擬魚尾鰭擺動機(jī)構(gòu)。應(yīng)用尾鰭推進(jìn)的流體力學(xué)理論以及剛體定軸轉(zhuǎn)動理論建立其動力學(xué)模型。分析了柔性機(jī)構(gòu)放大性能，設(shè)計計算了壓電雙晶片尺寸。關(guān)鍵詞：壓電雙晶片柔性機(jī)構(gòu)機(jī)器魚動力學(xué)分析中圖分類號：THI33文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000—4998(2010)08—0025—03隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)的日益發(fā)展以器。及各種智能材料驅(qū)動器的應(yīng)用，國內(nèi)外已經(jīng)研制出多1．1壓電雙晶片種微型仿生機(jī)器魚_l。1。目前采用的智能材
2、料主要有：李東明等通過對壓電雙品片驅(qū)動器的受力分形狀記憶合金、磁致伸縮材料、離子聚合物、壓電陶瓷。析，推導(dǎo)出壓電雙晶片在電壓作用下懸臂梁自由端偏其中壓電陶瓷驅(qū)動器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、頻率響應(yīng)移量6和驅(qū)動力F的計算公式：好、驅(qū)動力大、位移分辨率高、控制驅(qū)動簡單、不發(fā)熱、=簣V(1)無噪聲等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于微型仿生機(jī)器魚領(lǐng)域。V(2)1尾鰭驅(qū)動裝置設(shè)計式中：A=Sp／s=E／E。=E／Ep；B=h／hp；D=8+魚類通過肌肉收縮產(chǎn)生運(yùn)動，通過周期性地收縮t2B+6B+AB；1、分別是壓電雙晶片的長度和寬身體一側(cè)用于游動的肌肉，同時放松相對另一側(cè)的肌度；V為壓電雙晶片的驅(qū)動電壓；d，為壓
3、電常數(shù)；h和肉，使得尾鰭產(chǎn)生來回擺動。當(dāng)尾鰭擺動的時候，它迫h分別為壓電層和彈性層的厚度；E和分別為壓使一部分水運(yùn)動，被排開的水的慣性會產(chǎn)生垂直魚體、電層和彈性層的彈性模量；s。和s分別為壓電層和彈與單位時間排水量成比例的反作用力，推動魚體向前性層柔度。運(yùn)動?。由于驅(qū)動器自由端變形較小，將自由端偏移量6a在魚類肌肉運(yùn)動的啟發(fā)下，簡化運(yùn)動系統(tǒng)，得到仿和驅(qū)動力F轉(zhuǎn)化為壓電雙晶片的旋轉(zhuǎn)角度0驅(qū)動生設(shè)計思路如下：壓電陶瓷驅(qū)動器在電壓作用下產(chǎn)生力矩r：微變形，模擬魚類肌肉收縮和放松運(yùn)動；柔性機(jī)構(gòu)將壓電陶瓷驅(qū)動器的微變形放大并轉(zhuǎn)化為擺動輸出；將仿==d，V(3)生尾鰭置于柔性機(jī)構(gòu)輸出桿上；驅(qū)動器、
4、柔性機(jī)構(gòu)和尾“：一d，V(4)snD、鰭組成的機(jī)械系統(tǒng)通過振動實現(xiàn)運(yùn)動。尾鰭驅(qū)動裝置如圖1所示。1．2尾鰭驅(qū)動裝置動力學(xué)模型壓電陶瓷驅(qū)動器主要有疊堆和雙晶片兩種結(jié)構(gòu)。魚類尾鰭在水中主要受3種類型的力：流體的反與疊堆結(jié)構(gòu)作用力、機(jī)構(gòu)的慣性力和驅(qū)動裝置輸出力。對轉(zhuǎn)動軸取相比，雙晶片矩，建立力矩平衡方程如下：單位電壓變．rh+r=r。4(5)形較大，且制1)流體阻尼力矩為簡化計算，初始設(shè)計時選作相對容易。用形狀簡單的尾鰭。為求得由于流體摩擦作用產(chǎn)生的因此選取壓阻尼力矩，建立尾鰭數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。電雙晶片作當(dāng)魚在流體層流狀態(tài)下運(yùn)動時，尾鰭運(yùn)動受到的為微型仿生流體阻力等于尾鰭靜止流體以同樣速
5、度流向尾鰭時尾機(jī)器魚驅(qū)動鰭受到的力。根據(jù)平板翼繞流理論，平板受到的流體阻收稿日期：2010年2月力為：機(jī)械制造48卷第552期2010／8式所積數(shù)、—●還2。點度產(chǎn)對整個尾鰭進(jìn)行積分，求得流體阻尼力矩：6ram、f4=1mm和初始角度0=40．8。。rr用兩片厚度為50m的壓電單片和厚度為50m『hwJ。xdFw=2pwJ。_廠()dx(8)的彈性層片制作成壓電雙晶片驅(qū)動器。其中，彈性層采式中：為尾鰭長度。用不銹鋼，彈性模量E=210GPa，密度P=7800kg／2)機(jī)構(gòu)慣性力矩。機(jī)構(gòu)的等價轉(zhuǎn)動慣量．，由兩m3。壓電層采用PZT一5H材料，彈性模量E=60．3部分組成：尾鰭的定軸轉(zhuǎn)動慣
6、量-，o和被加速的流體慣GPa，壓電常數(shù)d3=274X10”C／N。量I，。本設(shè)計采用彈性薄膜制作魚的柔性尾鰭，因此壓電雙晶片在150V電壓下，根據(jù)式(3)求得壓電J。7、后，壓電雙△表示。晶片輸出力矩與其寬度成正比。選擇適合寬度的壓電△04=A04?sin(21T+)(11)雙晶片，輸出足夠的轉(zhuǎn)動力矩使尾鰭在水中實現(xiàn)運(yùn)動。式中：△?為擺動最大幅度；-廠為擺動頻率；為初始假設(shè)仿生機(jī)器魚質(zhì)量為1g，機(jī)構(gòu)放大倍數(shù)N=相位角。15，尾鰭放大輸出角△04?=56．4。在有限元分析軟件7_=‘，△04=Jw4~r2fA04?sin(21T+盧)(12)ANSYS中求出帶尾鰭的驅(qū)動裝置一階固有頻率為3)驅(qū)動裝置輸出力矩壓電驅(qū)
