CN101964600B

CN101964600B - 履带驱动装置、方法及履带式行走机构

Info

Publication number: CN101964600B
Application number: CN2010105142759A
Authority: CN
Inventors: 金家楣; 钱富; 张建辉; 杨颖�
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-10-21
Also published as: CN101964600A

Abstract

本发明公开了一种履带驱动装置及方法，属于超声电机技术领域，该履带驱动装置包括一个框架结构及固定在该框架结构上的压电单元；所述框架结构由四个圆环和四根杆固定连接而成，四个圆环的圆心分别位于四根杆组成的平行四边形的顶点处；所述框架结构具有两种同频的振动模态，分别由框架结构的两组对边杆的纵向振动模式激发，两个模态在四个圆环上呈现同阶且正交的面内弯振振型；当通过压电单元激发两种模态以

或

相位差振动时，四个圆环产生同向面内弯曲行波，通过摩擦驱动张紧在框架上的履带产生运动。本发明还公开了一种履带式行走机构。本发明具有结构简单、可靠性高、适应性强等优点，对探月工程或其它空间探测计划具有重要意义。

Description

履带驱动装置、方法及履带式行走机构

技术领域

本发明涉及一种履带驱动装置、方法及履带式行走机构，尤其涉及一种压电驱动的履带驱动装置、方法及履带式行走机构，属于超声电机技术领域。

背景技术

传统的履带行走系统的履带由电磁电机或内燃机等动力装置经齿轮和凸轮等传动机构驱动，结构复杂、不利于小型化；传动链长、效率低、可靠性差；运动间隙带来空程和传动机构的弹性变形导致运动滞后和随动性差。

超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微幅振动，并通过定、动子之间的摩擦将其转换成动子的回转或直线运动的新型电机，具有结构简单紧凑、无磁、响应快、断电自锁、低速大扭矩、环境适应能力强等优点。如果能够利用超声电机的原理来进行履带行走系统的驱动，则可以克服上述传统履带行走系统的缺点。但目前尚未发现类似应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单紧凑、可靠性和可控性好、环境适应性强的履带驱动装置。

本发明的思路是根据超声电机的基本原理，利用压电材料的逆压电效应激发框架结构产生振动，经摩擦作用直接驱动压在其外部的履带，实现履带的运动及方向控制。

本发明的履带驱动装置包括一个框架结构及固定在该框架结构上的压电单元；所述框架结构由四个圆环和四根杆固定连接而成，四个圆环的圆心分别位于四根杆组成的平行四边形的顶点处；所述框架结构具有两种同频的振动模态，一种振动模态在所述框架结构的一组对边杆上呈现同阶且为奇数的反对称纵振振型；另一种振动模态在所述框架结构的另外一组对边杆上呈现同阶且为奇数的反对称纵振振型，这两种振动模态在所述框架结构的四个圆环处呈现同阶的面内弯振振型；所述平行四边形的其中一个角的角度

满足：

，其中

为所述圆环的面内弯振振型阶数，K为在区间中取值的一个奇数；所述压电单元包括至少两片压电材料，分别用于激发所述框架结构的两种振动模态，框架结构的每组对边杆中至少有一根固定有至少一片所述压电材料。

通过向所述压电单元施加与所述框架结构两种振动模态同频的交流电压，使所述框架结构的两种振动模态得到激发，并使两种振动在时间上具有

相位差。此时，两种振动模态分别在圆环上呈现同阶的面内弯振型，这两个面内弯振型可以叠加出一个沿圆环行进的同向面内弯曲行波，由于面内弯曲行波的存在，使得圆环外壁的每一个质点产生微幅椭圆运动。四个圆环的外壁部分与履带发生局部接触并伴有摩擦作用，处于接触区域的质点由于沿着微幅椭圆轨迹运动，在摩擦作用下即可推动履带运动。当需反向行驶时，仅需要调整交流电压，使两种振动的相位差变为

即可。

相比现有技术，本发明具有以下优点：

一、结构简单紧凑，易于微、小型化；

二、无轴承，无润滑剂，有利在真空环境中使用；

三、整个装置中的多个热源（压电单元和摩擦界面）间的距离较为分散，这对于热平衡，缓减热应力都有好处，对空间探测等散热条件较差的情况有一定意义；

四、框架结构简单，可采用普通线切割方法一次加工完成，没有其他苛刻的制造精度要求，便于制造加工。

附图说明

图1为本发明的履带驱动装置的结构示意图；

图2为本发明的履带驱动装置中框架结构的结构示意图；

图3为本发明的履带驱动装置的四个圆环的面内弯振振型位置图,其中，（a）图为A环的面内弯振振型位置图，（b）图为B环的面内弯振振型位置图，（c）图为C环的面内弯振振型位置图，（d）图为D环的面内弯振振型位置图；

图4为本发明具体实施方式中所述履带驱动装置工作状态下两种振动模态示意图，其中（a）图为水平杆的3阶反对称纵振振型，（b）图为斜杆的1阶反对称纵振振型；

图5为本发明具体实施方式中所述履带驱动装置中压电单元安装结构示意图；

图6为本发明具体实施方式中所述履带式行走机构的结构示意图；

图7为本发明具体实施方式中所述履带式行走机构的结构爆炸图；

图8为本发明的履带驱动装置驱动履带的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的履带驱动装置，如附图1所示，包括一个框架结构1及固定在该框架结构上的压电单元2；所述框架结构1由四个圆环和四根杆固定连接而成，四个圆环的圆心分别位于四根杆组成的平行四边形的顶点处。

本发明技术方案中，将框架结构中的圆环作为履带的直接驱动源，圆环的两种面内弯振模态可以理解为一种由框架结构的其中一组对边杆的纵振激励，另一种面内弯振模态由框架结构的另外一组对边杆的纵振激励。为使四个圆环上叠加形成的面内弯行波同向，两组对边杆的纵振振型的设计也有一定的要求：其中一组对边杆选择彼此同阶且为奇数的反对称纵振振型，另外一组对边杆也选择彼此同阶且为奇数的反对称纵振振型，两组对边杆之间振型的阶数可以相同也可以不同，这两种振动模态在所述框架结构的四个圆环处呈现同阶的面内弯振振型。

此外，对于确定的N阶圆环面内弯振振型，其面内弯振振型是一条沿圆周分布的正弦曲线，并呈现N个波峰和波谷，一个波长具有

度的圆周角。对圆环而言，能叠加出面内弯行波的一个前提是两种面内弯振振型在空间上正交，即相差的相位，亦即圆环的两种面内弯振振型在空间上应相差度的相位。因此，平行四边形的夹角需满足一定的关系，下面对其进行简要分析：

本发明的履带驱动装置中的框架结构存在四个夹角，如图2所示，分别记为

、、

、

。首先分析用水平杆纵振激励的情况：对于结构中的A环，由于采用水平杆纵振激励，水平杆与圆环的连接处必处在波峰或波谷的位置，现假设：（1）连接处处在波峰的位置；（2）与A环连接的两根杆之间的夹角。如图3（a）所示，水平杆处在0度角的位置，由于要与另一种振型差

相位，另一种面内弯振振型用斜杆的纵振激励，振型的波峰或波谷出现在圆环与斜杆的连接处，因此，与其连接的斜杆必处在与波峰差

相位的角度上，及

（N为圆环面内弯振振型的阶数，

为自然数），为保证与波峰差

相位，

还必须为奇数。

由于水平杆采用奇数阶的纵振振型，则此时，B环与水平杆的连接处也处在波峰处，其振型位置如图3（b）所示，同理，B环相对应的夹角

应满足:

，其中

为奇数。由于上下两根水平杆的振型是反对称的，因此，C环与水平杆的连接处处在波谷的位置，如图3（c）所示，D环也是如此，如图3（d）所示。同理，相应的夹角

、

应满足：

，

，其中

、

为奇数。

根据平行四边形的性质有：

其通解为：

由假设可知：

，并为奇数

由上式结果可知：平行四边形的其中一个角的角度

需要满足：

，其中

为所述圆环的面内弯振振型阶数，K为在区间

中取值的一个奇数。由此可见，对于具有N阶面内弯振振型的确定的圆环，水平杆与斜杆之间的夹角关系并不是唯一确定的。

对于另一种用斜对边杆的纵振来激励的结构振型：只需将A、B环的振型按逆时针旋转

的相位，将C、D环的振型按顺时针旋转的相位，就可得到，并满足要求。

根据以上分析可知，本发明的履带驱动装置中的框架结构结构在振型设计上其实是一个组合，圆环的面内弯振振型阶数决定了平行四边形的夹角，且并不唯一；水平对边杆和斜对边杆的纵振振型分别满足奇数阶及反对称即可。因此，可根据实际需要设计出不同的履带驱动装置。

为方便说明，以下仅以圆环的3阶面内弯振、水平杆的3阶纵振和斜杆的1阶纵振的组合为例进一步阐述本发明的履带驱动装置的工作原理及具体实施方案。根据以上分析可知，此时K的取值为

中的奇数，有两个：3和5，对应的

可选取的角度分别为和。这里又仅以

的情况为例加以说明。此时，框架结构的一种振动模态如图4（a）所示，上下两根水平杆呈现反对称的3阶纵振振型，上边伸长的时候，下边则缩短，在两根水平杆上共有六个纵振节面，即图4中的E、F、G、H、I、J截面，此时，四个圆环呈现3阶面内弯振振型，其中C环的一个波峰与水平成

；图4（b）为框架结构的另一种振动模态，左、右斜杆呈现反对称的1阶纵振振型，此时，四个圆环也呈现3阶面内弯振振型，与前者不同的是，C环的一个波峰与水平成。四个圆环处的振型都差

，即在空间上满足

的相位差。

本实施例中四个圆环的两种振动模态的振型在空间上已相差

的相位，为达到在圆环上两种振动叠加形成同向面内弯曲行波的目的，还要求这两种振动在时间上满足

的相位差，此时，可向压电单元施加与所述框架结构两种振动模态同频的交流激励电压，使所述框架结构设定的这两种振动在时间上相差

的相位。

本实施例中，所述压电单元为分别粘贴在所述框架结构的四根杆上的矩形压电陶瓷片，该矩形压电陶瓷片具有横向振动效应，即其极化方向和振动方向垂直；为了减小对金属框架振动模态的影响，及使激励效果最大化，将压电陶瓷片以两片一组的方式对称地粘贴在各条边的纵振节面处两侧；为了便于施加激励电压，降低整个装置的复杂度，，每组中的两片矩形压电陶瓷片按照相反的极化方向粘贴（极化方向同时向里或向外，如附图5所示），此外，将每两条对边上的矩形压电陶瓷片按照相反的极化方向粘贴（一条边上的压电陶瓷片极化方向同时向里或向外，此时其对边上的压电陶瓷片极化方向同时向外或向里，如附图5所示），然后在一组对边的压电晶片上施加一路交流电压激励信号，其中，V为电压值，ω为交流电压的频率，它与框架结构两种振动模态的频率相同，t为时间；在另外一组对边的压电晶片上施加另一路交流激励电压

，其中，

为两路信号的相位差，取值为

；弹性金属框架接地。

当对压电陶瓷片施加上述交流电压时，压电陶瓷片由于逆压电效应发生微幅振动，将框架结构的两种设定的振动模态同时激励出来，此时，上下两根水平杆呈现反对称的3阶纵振振型，左、右斜杆呈现反对称的1阶纵振振型，并分别在每个圆环上呈现出一个3阶面内弯振振型，每个圆环上的两个3阶面内弯振振型在空间上满足正交的条件，在时间上相位相差，因而可以叠加形成同向面内弯曲行波；当面内弯曲行波在圆环上传播时，圆环外壁的每一个质点产生微幅椭圆运动。四个圆环的外壁部分与履带发生局部接触并伴有摩擦作用，处于接触区域的质点由于沿着微幅椭圆轨迹运动，在摩擦作用下即可推动履带运动。当两路电压信号的相位差由

改为

时，圆环处叠加出的面内弯曲行波将反向，从而驱动履带向反方向运动。

本发明的履带式行走机构，包括两个上述履带驱动装置、分别张紧在所述履带驱动装置上并与所述履带驱动装置四个圆环的外圈紧密接触的履带、以及位于两个履带驱动装置之间并与两个履带驱动装置通过销钉分别连接的车体。整个履带式行走机构的结构如附图6及附图7所示，其中1为框架结构，2为压电单元，3为履带，5为销钉，6为车体，7为与销钉配套使用的垫圈。

为了提高履带与框架结构之间的摩擦驱动效果，可以在履带内圈附着一层薄钢片4，薄钢片4的厚度在0.01-0.5mm范围内，从而在不影响履带柔性的条件下，提高履带内表面的硬度。

优选地，所述连接车体与履带驱动装置的销钉穿过履带驱动装置中框架结构的其中一组对边杆的纵振节面，从而降低对振动模态的影响。

当对压电单元施加激励电压时，框架结构中的每个圆环叠加形成同向面内弯曲行波；当面内弯曲行波在圆环上传播时，将使圆环发生弹性变形，使圆环外壁上的每一个质点都沿着各自的椭圆轨迹运动。当圆环上的一个波峰行进到接触区域时，即接触区域的某些质点运动到椭圆形轨迹的顶端时，如附图8所示（图中1为框架结构，2为压电单元，3为履带，4为薄钢片），此时K点附近的质点都具有一定的切向速度，同时点K处由于与履带接触必然伴有摩擦力，切向速度和摩擦力的存在就可推动履带运动。随着波峰在接触区域行进，接触区域的质点将呈现交替推动履带的工作方式。

本发明的履带驱动装置及履带式行走机构利用压电驱动的框架结构代替了传统的电机及多齿轮传动机构，在充分发挥超声电机优势的同时，进一步精简机构、缩短传动链，使可靠性、可控性、驱动效率得以进一步提高，且未使用轴承、导轨等运动部件，因而无空程现象，尤其无需润滑剂，避免了在真空或气体稀薄环境润滑剂挥发问题，适于苛刻环境下的使用，尤其对探月工程或其它空间探测计划具有重要意义。

Claims

1.一种履带驱动装置，其特征在于，包括一个框架结构及固定在该框架结构上的压电单元；所述框架结构由四个圆环和四根杆固定连接而成，四个圆环的圆心分别位于四根杆组成的平行四边形的顶点处；所述框架结构具有两种同频的振动模态，一种振动模态在所述框架结构的一组对边杆上呈现同阶且为奇数的反对称纵振振型；另一种振动模态在所述框架结构的另外一组对边杆上呈现同阶且为奇数的反对称纵振振型，这两种振动模态在所述框架结构的四个圆环处呈现同阶的面内弯振振型；所述平行四边形的其中一个角的角度

满足：

Figure 2010105142759100001DEST_PATH_IMAGE004

，其中

Figure 2010105142759100001DEST_PATH_IMAGE006

为所述圆环的面内弯振振型阶数，K为在区间中取值的一个奇数；所述压电单元包括至少四片压电材料，分别用于激发所述框架结构的两种振动模态，框架结构的每根杆上固定有至少一片所述压电材料。

2.如权利要求1所述的履带驱动装置，其特征在于，所述压电单元为分别粘贴在所述框架结构的四根杆上的矩形压电陶瓷片，该矩形压电陶瓷片具有横向振动效应。

3.如权利要求2所述的履带驱动装置，其特征在于，矩形压电陶瓷片以两片一组的方式对称地粘贴在各根杆的纵振节面处两侧。

4.如权利要求3所述的履带驱动装置，其特征在于，每组中的两片矩形压电陶瓷片按照相反的极化方向粘贴，每两根对边杆上的矩形压电陶瓷片按照相反的极化方向粘贴。

5.一种使用如权利要求1所述履带驱动装置的履带式行走机构，其特征在于，包括两个履带驱动装置、分别张紧在所述履带驱动装置上并与所述履带驱动装置四个圆环的外圈紧密接触的履带、以及位于两个履带驱动装置之间并与两个履带驱动装置通过销钉分别连接的车体。

6.如权利要求5所述的履带式行走机构，其特征在于，所述履带的内圈附着有一层厚度在0.01-0.5mm范围内的薄钢片。

7.如权利要求5所述的履带式行走机构，其特征在于，所述销钉穿过履带驱动装置中框架结构的其中一组对边杆的纵振节面。

8.一种使用如权利要求1所述履带驱动装置驱动履带的方法，其特征在于，向所述压电单元施加与所述框架结构两种振动模态同频的交流电压，使所述框架结构的两种振动模态得到激发，并使两种振动在时间上具有

Figure 2010105142759100001DEST_PATH_IMAGE010

相位差。