CN105429508A - 一种夹心式压电驱动履带行驶装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种夹心式压电驱动履带行驶装置及其工作方法,该装置包括金属履带、两个环形构件和变截面夹心式压电换能器；所述环形构件设置在所述变截面夹心式压电换能器的两端，所述变截面夹心式压电换能器由四组压电陶瓷组件固定在两组变截面梁与一块金属连接块之间组成。本发明通过激励压电陶瓷片，在变截面梁上激发出纵振模态和弯振模态，在环形构件上分别呈现出两个在空间上具有π/2相位差的面内弯振模态，从而在环形构件上耦合成沿着圆周方向旋转的行波，环形构件外表面质点将做微幅椭圆运动，并通过摩擦作用驱动金属履带运动，具有结构紧凑、力（矩）重量比大、环境适应性强、结构形式灵活多变、速度快和机电耦合效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及压电作动技术领域，具体是一种夹心式压电驱动履带行驶装置及其工作方法。
背景技术
星际探测作为太空科学发展的重要组成部分，一直以来都受到了世界各国的高度重视和大力投入。作为行星探测任务的载体与执行机构，行星表面巡视探测器的发展对于探索以及进一步开发未知行星具有重要意义。履带式行驶系统在重力加速度小的环境下较强的越障能力以及对月面粗糙复杂形貌较强的适应能力对行星探测任务十分有利，但是因为履带式行驶系统具有重量大、轮系复杂、能耗大、容易被星球表面土壤磨损以及需要润滑等缺点而使用较少。为了解决传统履带系统存在的上述问题，公开号为CN101964600的中国专利履带驱动装置、方法及履带式行走机构结合压电作动器具有结构紧凑、力（矩）重量比大、环境适应性强和结构形式灵活多变等特点，提出了一种贴片式结构的履带驱动装置。虽然该系统舍弃了传统履带车所必须的链轮、惰轮和负重轮，具有结构简单、机械集成度高、环境适应能力强以及驱动效率高等优点，但是由于其所提出的压电换能器采用金属弹性体粘贴压电陶瓷片的方式进行激励，这种激励方式采用压电陶瓷的振动模式，能量转换的机电耦合效率低，同时因为受到粘贴胶层的强度和疲劳寿命的限制，使其具有运动速度慢、驱动力小、稳定性差以及压电陶瓷片易碎裂等缺点。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种夹心式压电驱动履带行驶装置及其工作方法，具有结构紧凑、力（矩）重量比大、环境适应性强、结构形式灵活多变、速度快和机电耦合效率高等优点。
本发明提供的夹心式压电驱动履带行驶装置包括金属履带、两个环形构件和变截面夹心式压电换能器，金属履带的内表面与环形构件的外表面接触，两个环形构件之间通过变截面夹心式压电换能器连接，所述的变截面夹心式压电换能器包括金属连接块，金属连接块两端分别通过变截面梁与环形构件相连，其中所述的金属连接块为四边形结构，四边形四个顶点处分别固定有压电陶瓷组件，对角线上的两组压电陶瓷组件施加相同的电信号，相邻的两组压电陶瓷组件施加的电信号相位差为90°
进一步改进，所述的金属履带由若干履带块通过圆柱销连接而成，金属履带内表面的粗糙度与金属履带的材质呈一定比例关系，具体内表面粗糙度的选取可以根据金属履带材料通过有限次实验确定。
进一步改进，所述的压电陶瓷组件包括通过环氧树脂胶依次胶合的第一压电陶瓷片、电极片和第二压电陶瓷片，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片极化方向相反。
进一步改进，所述的金属连接块两端分别设置有两个具有螺纹的盲孔，变截面梁与金属连接块连接处开有与盲孔对应的通孔，压电陶瓷组件中央也开有与盲孔对应的通孔，螺栓穿过盲孔和通孔将金属连接块、压电陶瓷组件和变截面梁固定。
进一步改进，所述的变截面梁与环形构件连接处截面积最小。
本发明还提供了一种夹心式压电驱动履带行驶装置的工作方法，包括以下步骤：对金属连接块上的两条对角线上的压电陶瓷组件分别施加两相具有90°相位差的电信号，激励变截面夹心式压电换能器产生纵向振动和弯曲振动，使变截面夹心式压电换能器与环形构件的接触位置同时产生平动和转动，从而使环形构件呈现两相绕圆周方向的同形n(n≥2)阶面内弯振模态，其中接触位置的平动位于环形构件上面内弯振模态的波峰或波谷位置，而接触位置的转动位于环形构件上面内弯振模态的节点位置，因此环形构件上的两相同形n(n≥2)阶面内弯振模态在空间上存在π/2的相位差；保证变截面夹心式压电换能器产生的纵向振动和弯曲振动的激励频率一致，两相在时间和空间上都具有π/2相位差的同形n阶面内弯振模态在环形构件上将耦合形成同向的沿圆周方向行进的n(n≥2)阶弯曲行波，环形构件外表面的质点做微幅椭圆运动，通过摩擦作用驱动与其接触的金属履带运动。
将属连接块上相邻的压电陶瓷组件之间的相位差由90°改变为-90°时，在环形构件上形成的具有n个波峰波谷一并呈现的行波将反向，金属履带向相反方向运动。
本发明有益效果在于：本发明避免了传统履带行驶系统存在的重量大、轮系复杂、能耗大、容易被星球表面土壤磨损以及需要润滑等缺点，同时避免了专利《履带驱动装置、方法及履带式行走机构》中贴片式履带行驶系统存在的缺点，例如能量转换机电耦合效率低，因为粘贴胶层的强度和疲劳寿命的限制导致运动速度慢，驱动力小以及压电陶瓷片易碎裂等缺点。本发明所提出的夹心式压电驱动履带行驶系统具有结构紧凑、力（矩）重量比大、环境适应性强、结构形式灵活多变、速度快和机电耦合效率高等优点。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是金属履带结构示意图。
图3（a）是变截面夹心式压电换能器结构主视图。
图3（b）是变截面夹心式压电换能器结构俯视图。
图4是第一压电陶瓷片极化的结构示意图。
图5是第二压电陶瓷片极化的结构示意图。
图6是压电陶瓷元件的布局图。
图7是变截面梁上纵振时环形构件上的振动模态示意图。
图8是变截面梁上弯振时环形构件上的振动模态示意图。
图9是压电陶瓷组件输入电信号的示意图。
图10是环形构件上两个同形4阶面内弯振耦合成行波的示意图。
其中1：金属履带；2：环形构件；3：变截面夹心式压电换能器；3-1：变截面梁；3-2：螺栓；3-3：弹性垫片；3-4：第一压电陶瓷片；3-5：电极片；3-6：第二压电陶瓷片；3-7：金属连接块；4：履带块；5：圆柱销；6：变截面梁上纵振时环形构件上对应的面内弯振模态；7：变截面梁上弯振时环形构件上对应的面内弯振模态。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明提供的夹心式压电驱动履带行驶装置包括金属履带1、两个环形构件2和变截面夹心式压电换能器3。变截面夹心式压电换能器3由两个变截面梁3-1、四个螺栓3-2、四个弹性垫片3-3、四片第一压电陶瓷片3-4、四片电极片3-5、四片第二压电陶瓷片3-6、金属连接块3-7构成，如图1所示。金属履带1由若干履带块4和圆柱销5组成，其内表面以自身张紧力与环形构件外表面接触，其结构如图2所示。金属履带内表面的粗糙度与金属履带的材质呈一定比例关系，具体内表面粗糙度的选取可以根据金属履带材料通过有限次实验确定。
变截面夹心式压电换能器3中间是一个金属连接块3-7，金属连接块3-7两端分别有两个具有螺纹的盲孔。第一压电陶瓷3-4片、第二压电陶瓷片3-6和电极片3-5有圆形通孔，三者通过环氧树脂胶粘贴在一起组成压电陶瓷组件。变截面梁3-1与金属连接块3-7连接处开有通孔，与压电陶瓷组件以及金属连接块通过螺栓连接，并将压电陶瓷组件夹紧，螺栓和通孔间置有弹性垫片3-3.四组压电陶瓷组件对称分布在金属连接块两侧，在四边形四个顶点处，变截面梁与环形构件连接处的截面积最小，用于放大两个环形构件部分的振幅，如图3所示。第一压电陶瓷片中心有圆形通孔，极化方向为X轴负向指向X轴正向，如图4所示。第二压电陶瓷片中心有圆形通孔，极化方向为X轴正向指向X轴负向，如图5所示。第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片和电极片胶合成一个压电陶瓷组件，电极片在两片陶瓷片中间，两片陶瓷片的胶合方式如图6所示。当只对任意一条对角线上的两组压电陶瓷组件施加第一电信号时，变截面梁将被激励出弯振模态，其与环形构件的接触位置上将产生转动，且转动位于环形构件面内弯曲振动的节点位置，环形构件上将呈现n(n≥2)阶面内弯振模态；当同时对四组压电陶瓷组件施加与第一电信号具有90°相位差的第二电信号时，变截面梁将被激励出纵振模态，其与环形构件的接触位置上将产生平动，且平动位于环形构件面内弯曲振动的波峰或波谷位置，环形构件上将呈现出与第一电信号激励出的面内弯振同形但是具有π/2的空间相位差的n(n≥2)阶面内弯振模态；当两条对角线上的四组压电陶瓷组件分别施加第一、第二电信号，上述变截面梁将同时被激励出弯振模态和纵振模态，并在两个环形构件上呈现出同向的沿着圆周方向旋转的n(n≥2)阶弯曲行波，环形构件外表面的质点做微幅椭圆运动，通过摩擦作用驱动与其接触的金属履带运动。将第一、第二电信号之间的相位差改变为-90°，两个环形构件上的行波将反向旋转，实现对金属履带的反向驱动。
以n=4，第一电信号为余弦信号，第二电信号为正弦信号为例。当同时对四组压电陶瓷组件施加正弦信号，变截面梁上呈现3阶纵振模态时，两个环形构件呈现4阶面内弯振模态，并且变截面梁与两个环形构件的连接位置都位于4阶面内弯振振型的波峰或波谷处，如图7所示；当只对任意一条对角线上的两组压电陶瓷组件施加余弦信号，变截面梁上呈现10阶弯振模态时，两个环形构件呈现4阶面内弯振模态，并且变截面梁与两个环形构件连接位置都位于4阶面内弯振振型的节点处，同时这两个连接位置处的环形构件面内弯振振型在空间上具有π的相位差，如图8所示。当电信号在压电陶瓷片上的施加方式如图9所示，在两条对角线上的压电陶瓷片分别施加正弦信号和余弦信号，即两相电信号之间的相位差为90°，以单个环形构件上的振动模态为例，在单个环形构件上形成的上述两个同形的4阶面内弯振模态在时间和空间上都具有π/2相位差，因此可以耦合成沿周向旋转的行波；此外，由于变截面梁上呈现10阶弯振模态时，左右两个环形构件上的4阶面内弯振振型在与变截面梁的连接位置处具有π的空间相位差，所以两个环形构件上形成的行波同向旋转，如图10所示；环形构件外表面的质点将做微幅的椭圆运动，并通过摩擦作用驱动设置在其表面的履带运动。当改变两条对角线上的电信号之间的相位差为-90°，两个环形构件上形成的行波将同时反向，因此履带也将反向运动。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种夹心式压电驱动履带行驶装置，包括金属履带（1）、两个环形构件（2）和变截面夹心式压电换能器（3），其特征在于：所述金属履带（1）的内表面与环形构件（2）的外表面接触，两个环形构件（2）之间通过变截面夹心式压电换能器（3）连接，所述的变截面夹心式压电换能器（3）包括金属连接块（3-7），金属连接块（3-7）两端分别通过变截面梁（3-1）与环形构件（2）相连，其中所述的金属连接块（3-7）为四边形结构，四边形四个顶点处分别固定有压电陶瓷组件，对角线上的两组压电陶瓷组件施加相同的电信号，相邻的两组压电陶瓷组件施加的电信号相位差为90°。
2.根据权利要求1所述的夹心式压电驱动履带行驶装置，其特征在于：所述的金属履带（1）由若干履带块（4）通过圆柱销（5）连接而成。
3.根据权利要求3所述的夹心式压电驱动履带行驶装置，其特征在于：所述的压电陶瓷组件包括通过环氧树脂胶依次胶合的第一压电陶瓷片（3-4）、电极片（3-5）和第二压电陶瓷片（3-6），第一压电陶瓷片（3-4）和第二压电陶瓷片（3-6）极化方向相反。
4.根据权利要求1所述的夹心式压电驱动履带行驶装置，其特征在于：所述的金属连接块（3-7）两端分别设置有两个具有螺纹的盲孔，变截面梁（3-1）截面积最大处开有与盲孔对应的通孔，压电陶瓷组件中央也开有与盲孔对应的通孔，螺栓穿过盲孔和通孔将金属连接块（3-7）、压电陶瓷组件和变截面梁（3-1）固定。
5.根据权利要求1所述的夹心式压电驱动履带行驶装置，其特征在于：所述的变截面梁（3-1）与环形构件（2）连接处截面积最小。
6.一种夹心式压电驱动履带行驶装置的工作方法，其特征在于包括以下步骤：对金属连接块上的两条对角线上的压电陶瓷组件分别施加两相具有90°相位差的电信号，激励变截面夹心式压电换能器产生纵向振动和弯曲振动，使变截面夹心式压电换能器与环形构件的接触位置同时产生平动和转动，从而使环形构件呈现两相绕圆周方向的同形n(n≥2)阶面内弯振模态，其中接触位置的平动位于环形构件上面内弯振模态的波峰或波谷位置，而接触位置的转动位于环形构件上面内弯振模态的节点位置，因此环形构件上的两相同形n(n≥2)阶面内弯振模态在空间上存在π/2的相位差；保证变截面夹心式压电换能器产生的纵向振动和弯曲振动的激励频率一致，两相在时间和空间上都具有π/2相位差的同形n阶面内弯振模态在环形构件上将耦合形成同向的沿圆周方向行进的n(n≥2)阶弯曲行波，环形构件外表面的质点做微幅椭圆运动，通过摩擦作用驱动与其接触的金属履带运动。
7.根据权利要求6所述的夹心式压电驱动履带行驶装置的工作方法，其特征在于：将分别施加在金属连接块上的两条对角线的压电陶瓷组件上的两相电信号的相位差由90°改变为-90°时，在环形构件上形成的n(n≥2)阶行波将反向，金属履带向相反方向运动。
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160323 |