CN103872945A - 微型多自由度超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型多自由度超声电机，包括顶盖，套筒，底座，转子，定子，挡圈和弹簧；所述套筒与所述顶盖和所述底座连接，所述转子与所述顶盖的上表面中心通孔球面接触，通孔与所述转子耦合，通孔的直径小于所述转子的直径，进而实现所述转子和所述定子的垂直方向的预定位，所述定子的顶端与所述转子球面接触，所述弹簧安装在所述挡圈内，下端与所述底座接触，所述挡圈支撑所述定子。本发明微型多自由度超声电机具有体积小、结构简单、低速大扭矩、能实现直接驱动机械手、不受磁场影响等优点，适合应用在医疗、机器人、精密仪器、复杂机械生产等领域。

Description

微型多自由度超声电机

技术领域

本发明涉及超声电机技术领域，特别是一种机械手关节驱动用微型多自由度超声电机。

背景技术

随着科学技术的发展，机电系统也日益复杂化，对驱动电机也提出了更高的要求，如机器人关节、眼球、监视系统等都需要多自由度驱动。假如这些系统每一个自由度都由一台单自由度电机来驱动，这必然使整个机构复杂、体积庞大、质量重，而且传动机构的误差会影响整个系统的操作精度及稳定性。

相对于传统的单自由度电机而言，多自由度超声波电机具备：1、不受磁场影响；2、微型化、功率密度大；3、无噪音污染；4、动态响应快；5、位移分辨率高等优点，十分适合应用在医疗、机器人等领域。在医疗上，如：大脑、口腔、心血管等方面，要求机器人体积小，机械手精度高、灵敏性高，这就对多自由度超声波电机提出了体积小、精度高的要求。因此，微型超声电机成为研究热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种微型多自由度超声电机，实现电机结构简单化、体积小型化、运动控制精确化、单电机能实现多个自由运动。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微型多自由度超声电机，包括顶盖，套筒，底座，转子，定子，挡圈和弹簧；所述套筒与所述顶盖和所述底座连接，所述转子与所述顶盖的上表面中心通孔球面接触，通孔与所述转子耦合，通孔的直径小于所述转子的直径，进而实现所述转子和所述定子的垂直方向的预定位，所述定子的顶端与所述转子球面接触，所述弹簧安装在所述挡圈内，下端与所述底座接触，所述挡圈支撑所述定子。

所述定子包括驱动足，第一定子脚、第二定子脚、第三定子脚、第四定子脚和压电陶瓷，所述驱动足位于定子的顶端，所述四个定子脚成对称布置，与所述挡圈的底部平台接触，所述压电陶瓷粘贴在所述四个定子脚上；分别在每个定子脚和压电陶瓷上接激励电线，根据所述压电陶瓷的逆压电效应及其与四个定子脚刚性的差异，实现所述第一定子脚、第二定子脚、第三定子脚、第四定子脚的弯曲，所述四个定子脚在电信号的作用下，分别沿x轴和y轴方向弯曲，进而带动所述驱动足的偏转，在摩擦力的作用下，通过四个定子脚的配合弯曲，实现所述转子多自由度的转动。

将所述定子设计为对称型结构，以保证所述定子在x/y方向的固有频率一致，满足电机的力学性能要求；由于需要保证所述定子的力传递性能，使得所述驱动足能够有更大的振幅；因此，在对底部进行约束时，把所述定子脚底端向内弯曲，既能增加底部面积以便进行约束，又能充分利用所述定子内部空间，减少电机尺寸。为了避免应力集中，将所述定子脚与所述驱动足连接处设计为平弧形；为使所述定子与所述转子之间能够具有更好的摩擦接触特性，将所述定子的驱动足设计为薄壁圆柱状。

所述顶盖下端外圆设有外螺纹，与所述套筒采用螺纹连接，所述套筒的下端内圆设有内螺纹，与所述底座螺纹连接，所述套筒的内圆中间部位设有十字型结构，对所述定子约束，为了避免干涉，所述定子与十字型结构中间留有间隙。

所述挡圈底部开有盲孔，所述弹簧嵌入盲孔内，另一端与所述底座接触，由于所述转子的转动和所述定子的偏移，带动所述挡圈垂直方向的移动，通过调节弹簧的压缩量来调节电机预压力的大小。

通过分别对定子上的四个信号输入端提供不同的驱动信号，激励出定子工作模态二和工作模态三，这两个振动模态响应的叠加将使驱动足端面质点进行椭圆运动，并推动转子进行绕x轴旋转运动；同理，激励出定子工作模态一和工作模态三，推动转子进行绕y轴旋转运动；激励出定子工作模态一和工作模态二，推动转子进行绕z轴旋转运动。如此，微型多自由度超声电机有三个自由度，分别为绕x、y、z轴方向旋转。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的优点：

本发明微型多自由度超声电机利用压电陶瓷片的逆压电效应工作，体积小、零部件少、结构简单、设计紧凑、整体尺寸小、低速大扭矩、能实现直接驱动机械手，不产生磁场亦不受磁场干扰，单电机能实现多自由度驱动，适合应用在医疗、机器人、精密仪器、复杂机械生产等领域。

附图说明

图1所示为本发明微型多自由度超声电机的立体半剖视图。

图2所示为本发明微型多自由度超声电机的定子结构示意图。

图3所示为本发明微型多自由度超声电机的定子工作振动模态示意图。其中图3（a）是电机定子第一个工作模态的振型图，图3（b）是电机定子第二个工作模态的振型图，图3（c）是电机定子第三个工作模态的振型图。细实心箭头是定子脚振动方向，粗空心箭头是驱动足运动方向。

图4所示为本发明微型多自由度超声电机的压电陶瓷片布置方式及定子驱动信号加载示意图。

图5所示为本发明微型多自由度超声电机驱动足驱动质点的运动轨迹和转子运动示意图。其中图5（a）为质点驱动转子绕x轴运动的示意图，图5（b）为质点驱动转子绕y轴运动的示意图，图5（c）为质点驱动转子绕z轴运动的示意图。其中λ是驱动足的运动方向，β是转子运动方向，δ是驱动足驱动质点的运动轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例予以详细说明。

如图1所示，一种微型多自由度超声电机，包括顶盖10，套筒11，底座12，转子13，定子14，挡圈15和弹簧16；所述套筒11与所述顶盖10和所述底座12连接，所述转子13与所述顶盖10的上表面中心通孔球面接触，通孔与所述转子13耦合，通孔的直径小于所述转子13的直径，进而实现所述转子13和所述定子14的垂直方向的预定位，所述定子14的顶端与所述转子13球面接触，所述弹簧16安装在所述挡圈15内，下端与所述底座12接触，所述挡圈15支撑所述定子14。

如图2所示，所述定子14包括驱动足140，第一定子脚141a、第二定子脚141b、第三定子脚141c、第四定子脚141d和压电陶瓷142，所述驱动足140位于定子14的顶端，所述四个定子脚成对称布置，与所述挡圈15的底部平台接触，所述压电陶瓷142粘贴在所述四个定子脚上；分别在每个定子脚和压电陶瓷142上接激励电线，根据所述压电陶瓷142的逆压电效应及其与四个定子脚刚性的差异，实现所述第一定子脚141a、第二定子脚141b、第三定子脚141c、第四定子脚141d的弯曲，所述四个定子脚在电信号的作用下，分别沿x轴和y轴方向弯曲，进而带动所述驱动足140的偏转，在摩擦力的作用下，通过四个定子脚的配合弯曲，实现所述转子13多自由度的转动。

所述顶盖10下端外圆设有外螺纹，与所述套筒11采用螺纹连接，所述套筒11的下端内圆设有内螺纹，与所述底座12螺纹连接，所述套筒11的内圆中间部位设有十字型结构，对所述定子14约束，为了避免干涉，所述定子14与十字型结构中间留有间隙。

所述挡圈15底部开有盲孔，所述弹簧16嵌入盲孔内，另一端与所述底座12接触，由于所述转子13的转动和所述定子14的偏移，带动所述挡圈15垂直方向的移动，通过调节弹簧16的压缩量来调节电机预压力的大小。

本实施例微型多自由度超声电机的运作方式为：

本多自由度超声电机定子14的三个工作模态如图3所示。图3（a）工作模态一：第一定子脚141a与第三定子脚141c做弯曲振动，并在定子14上端的驱动足140合成沿x轴的前后振动。其中第一定子脚141a收缩、第三定子脚141c伸长时，对应的驱动足140沿x轴反方向运动；第一定子脚141a伸长、第三定子脚141c收缩时，对应的驱动足140沿x轴正方向运动。图3（b）工作模态二：第二定子脚141b与第四定子脚141d做弯曲振动，并在定子14上端的驱动足140合成沿y轴的左右振动。其中第二定子脚141b收缩、第四定子脚141d伸长时，对应的驱动足140沿y轴反方向运动；第二定子脚141b伸长、第四定子脚141d收缩时，对应的驱动足140沿y轴正方向运动。图3（c）工作模态三：第一定子脚141a、第二定子脚141b、第三定子脚141c、第四定子脚141d同时做弯曲振动，并在定子14上端的驱动足140合成沿z轴的上下振动。其中四个定子脚同时伸长时，对应的驱动足140沿z轴正方向运动；四个定子脚同时收缩时，对应的驱动足140沿z轴反方向运动。

电机定子压电陶瓷片的一个具体布置方式及定子驱动信号加载方式如图4所示。定子共使用四片压电陶瓷片142，图4中箭头方向为压电陶瓷片142的极化方向。信号输入端Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ用于接入激励信号，信号输入端Ⅴ用于接地。

图5（a）为定子质点驱动转子13绕x轴运动的示意图，其中λ是驱动足的运动方向，β是转子13运动方向，δ是驱动足140驱动质点的运动轨迹。当给信号输入端Ⅱ、输入端Ⅳ分别提供驱动信号E=Vsin(ωt)、E=-Vsin(ωt)，同时给信号输入端Ⅰ和输入端Ⅲ提供驱动信号E=Vcos(ωt)，信号输入端Ⅴ接地。将激励出工作模态二和工作模态三，这两个振动模态响应的叠加将使驱动足端面质点进行椭圆运动，并推动转子进行绕x轴旋转运动。假如给信号输入端Ⅱ、输入端Ⅳ分别提供驱动信号E=Vcos(ωt)、E=-Vcos(ωt)，同时给信号输入端Ⅰ和输入端Ⅲ提供驱动信号E=Vsin(ωt)，信号输入端Ⅴ接地，定子将驱动转子绕x轴反向旋转运动。

图5（b）为定子质点驱动转子13绕y轴运动的示意图，其中λ是驱动足的运动方向，β是转子13运动方向，δ是驱动足140驱动质点的运动轨迹。当给信号输入端Ⅰ、输入端Ⅲ分别提供驱动信号E=Vsin(ωt)、E=-Vsin(ωt)，同时给信号输入端Ⅱ和输入端Ⅳ提供驱动信号E=Vcos(ωt)，信号输入端Ⅴ接地。将激励出工作模态一和工作模态三，这两个振动模态响应的叠加将使驱动足端面质点进行椭圆运动，并推动转子进行绕y轴旋转运动。假如给信号输入端Ⅰ、输入端Ⅲ分别提供驱动信号E=Vcos(ωt)、E=-Vcos(ωt)，同时给信号输入端Ⅱ和输入端Ⅳ提供驱动信号E=Vsin(ωt)，信号输入端Ⅴ接地,，定子将驱动转子绕y轴反向旋转运动。

图5（c）为定子质点驱动转子13绕z轴运动的示意图，其中λ是驱动足的运动方向，β是转子13运动方向，δ是驱动足140驱动质点的运动轨迹。当给信号输入端Ⅰ、输入端Ⅲ分别提供驱动信号E=Vsin(ωt)、E=-Vsin(ωt)，同时给信号输入端Ⅱ、输入端Ⅳ分别提供驱动信号E=Vcos(ωt)、E=-Vcos(ωt)，信号输入端Ⅴ接地。将激励出工作模态一和工作模态二，这两个振动模态响应的叠加将使驱动足端面质点进行椭圆运动，并推动转子进行绕z轴旋转运动。假如给信号输入端Ⅰ、输入端Ⅲ分别提供驱动信号E=Vcos(ωt)、E=-Vcos(ωt)，同时给信号输入端Ⅱ、输入端Ⅳ分别提供驱动信号E=Vsin(ωt)、E=-Vsin(ωt)，信号输入端Ⅴ接地，定子将驱动转子绕z轴反向旋转运动。 

Claims (4)

1.一种微型多自由度超声电机，其特征在于，包括顶盖（10），套筒（11），底座（12），转子（13），定子（14），挡圈（15）和弹簧（16）；所述套筒（11）与所述顶盖（10）和所述底座（12）连接，所述转子（13）与所述顶盖（10）的上表面中心通孔球面接触，通孔与所述转子（13）耦合，通孔的直径小于所述转子（13）的直径，进而实现所述转子（13）和所述定子（14）的垂直方向的预定位，所述定子（14）的顶端与所述转子（13）球面接触，所述弹簧（16）安装在所述挡圈（15）内，下端与所述底座（12）接触，所述挡圈（15）支撑所述定子（14）。

2.根据权利要求1所述的微型多自由度超声电机，其特征在于，所述定子（14）包括驱动足（140），第一定子脚（141a）、第二定子脚（141b）、第三定子脚（141c）、第四定子脚（141d）和压电陶瓷（142），所述驱动足（140）位于定子（14）的顶端，所述四个定子脚成对称布置，与所述挡圈（15）的底部平台接触，所述压电陶瓷（142）粘贴在所述四个定子脚上；分别在每个定子脚和压电陶瓷（142）上接激励电线，根据所述压电陶瓷（142）的逆压电效应及其与四个定子脚刚性的差异，实现所述第一定子脚（141a）、第二定子脚（141b）、第三定子脚（141c）、第四定子脚（141d）的弯曲，所述四个定子脚在电信号的作用下，分别沿x轴和y轴方向弯曲，进而带动所述驱动足（140）的偏转，在摩擦力的作用下，通过四个定子脚的配合弯曲，实现所述转子（13）多自由度的转动。

3.根据权利要求1所述的微型多自由度超声电机，其特征在于，所述顶盖（10）下端外圆设有外螺纹，与所述套筒（11）采用螺纹连接，所述套筒（11）的下端内圆设有内螺纹，与所述底座（12）螺纹连接，所述套筒（11）的内圆中间部位设有十字型结构，对所述定子（14）约束，为了避免干涉，所述定子（14）与十字型结构中间留有间隙。

4.根据权利要求1所述的微型多自由度超声电机，其特征在于，所述挡圈（15）底部开有盲孔，所述弹簧（16）嵌入盲孔内，另一端与所述底座（12）接触，由于所述转子（13）的转动和所述定子（14）的偏移，带动所述挡圈（15）垂直方向的移动，通过调节弹簧（16）的压缩量来调节电机预压力的大小。

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