CN105490582B - 一种弯扭耦合型压电驱动履带行驶装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种弯扭耦合型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压电换能器；所述环形构件设置在所述变截面压电换能器的两端，所述变截面压电换能器包括多组压电陶瓷片、两个预紧楔块以及变截面梁，所述压电陶瓷片按照一定顺序排列并通过所述预紧楔块装置固定在变截面梁的槽内。本发明通过激励压电陶瓷片，在变截面梁上激发出弯振模态和扭振模态，从而在环形构件上耦合具有n(n≥2)个波峰和波谷一并呈现的沿周向旋转的行波，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，具体是一种弯扭耦合型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CN 101964600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，提供了一种弯扭耦合型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。
本发明提供的弯扭耦合型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压电换能器，金属履带的内表面与环形构件的外表面接触，其特征在于：两个环形构件之间通过变截面压电换能器连接，所述的变截面压电换能器上开有一对安装槽，安装槽内通过预紧楔块装置固定有电陶瓷片组；所述的电陶瓷片组包括胶合的扭振压电陶瓷片、弯振压电陶瓷片、输入电极片和接地电极片，其中扭振压电陶瓷片施加第一信号，弯振压电陶瓷片施加第二信号，第一信号和第二信号的相位差为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弯扭耦合型压电驱动履带行驶装置的工作方法，在扭振压电陶瓷片上施加第一电信号，变截面梁上激励出扭振模态，同时在两个圆环构件上激励出具有n个波峰和波谷一并呈现的弯振模态；在弯振压电陶瓷片上施加第二电信号，第一信号和第二信号的相位差为90°，将在变截面梁上激励出弯振模态，同时在两个圆环构件上激励出与第一电信号在圆环构件上激励出的弯振模态具有π/2空间相位差的另一个n个波峰和波谷一并呈现的弯振模态；上述两个存在n个波峰和波谷一并呈现的弯振模态在环形构件上耦合成n个波峰和波谷一并呈现的同向旋转的沿着圆周方向行进的弯曲行波，环形构件外表面的质点做微幅椭圆运动，并通过摩擦作用驱动与其接触的金属履带运动，上述的n≥2。
将第一、第二电信号之间的相位差由90°改变为-90°时，在环形构件上形成的具有n(n≥2)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：本发明提出的弯扭耦合型压电履带行驶系统避免了传统履带行驶系统重量大、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，同时解决了专利《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。本发明所提出的弯扭耦合型压电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（a）是弯扭耦合型压电驱动履带行驶装置主视图。
图1（b）是弯扭耦合型压电驱动履带行驶装置俯视图。
图2是金属履带结构示意图。
图3是第一扭振压电陶瓷片和第二扭振压电陶瓷片极化的结构示意图。
图4是第三扭振压电陶瓷片和第四扭振压电陶瓷片极化的结构示意图。
图5是第一弯振压电陶瓷片和第三弯振压电陶瓷片极化的结构示意图。
图6是第二弯振压电陶瓷片和第四弯振压电陶瓷片极化的结构示意图。
图7是安装槽内压电陶瓷元件的布局图。
图8是预紧楔块装置的结构示意图。
图9是电信号在压电陶瓷片上施加方式的示意图。
图10是环形构件和变截面梁的弯振模态示意图。
图11是环形构件和变截面梁的扭振模态示意图。
其中1：金属履带；2：环形构件；3：变截面压电换能器；3-1：变截面梁；3-2：预紧楔块装置；3-3：第一扭振压电陶瓷片；3-4：输入电极片；3-5：第二扭振压电陶瓷片；3-6：接地电极片；3-7：第一弯振压电陶瓷片；3-8：第二弯振压电陶瓷片；3-9：第三扭振压电陶瓷片；3-10：第四扭振压电陶瓷片；3-11：第三弯振压电陶瓷片；3-12：第四弯振压电陶瓷片；4：履带块；5：圆柱销。
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。
本发明提供的弯扭耦合型压电驱动履带行驶装置包括金属履带1、两个环形构件2和变截面压电换能器3。变截面压电换能器3包括变截面梁3-1、两个预紧楔块装置3-2、第一扭振压电陶瓷片3-3、输入电极片3-4、第二扭振压电陶瓷片3-5、接地电极片3-6、第一弯振压电陶瓷片3-7、第二弯振压电陶瓷片3-8、第三扭振压电陶瓷片3-9、第四扭振压电陶瓷片3-10、第三弯振压电陶瓷片3-11、第四弯振压电陶瓷片构成3-12，变截面梁两侧分别有两个用于放置压电陶瓷片、输入电极片3-4、接地电极片3-5和预紧楔块装置3-2的安装槽，其主视图如图1（a）所示，俯视图如图1（b）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2外表面接触，金属履带结构如图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。
第一扭振压电陶瓷片和第二扭振压电陶瓷片只有一个极化区，极化方向为从Y轴负向指向Y轴正向，如图3所示。第三扭振压电陶瓷片和第四扭振压电陶瓷片只有一个极化区，极化方向为从Y轴正向指向Y轴负向，如图4所示。第一弯振压电陶瓷片和第三弯振压电陶瓷片只有一个极化区，极化方向为从X轴负向指向X轴正向，如图5所示。第二弯振压电陶瓷片和第四弯振压电陶瓷片只有一个极化区，极化方向为从X轴正向指向X轴负向，如图6所示。槽内预紧楔块每一侧的四片压电陶瓷片、两片输入电极片和一片接地电极片使用环氧树脂胶胶合在一起，8组压电陶瓷片的胶合方式如图7所示。预紧楔块装置的结构如图8所示。当只在第一扭振压电陶瓷片、第二扭振压电陶瓷片、第三扭振压电陶瓷片、第四扭振压电陶瓷片输入第一电信号，将在在变截面梁上激励出扭振模态，同时两个环形构件上出现具有n(n≥2)个波峰和波谷一并呈现的弯振模态；当只在第一弯振压电陶瓷片、第二弯振压电陶瓷片、第三弯振压电陶瓷片和第四弯振压电陶瓷片输入与第一电信号有90 º相位差的第二电信号，将在变截面梁上激励出弯振模态，同时两个圆环构件上被激励出与输入第一电信号时的弯振模态具有π/2空间相位差的另一个具有n(n≥2)个波峰和波谷一并呈现的弯振模态。当同时施加两相电信号时,这两个同形弯振模态在环形构件上耦合成具有n(n≥2)个波峰和波谷一并呈现的同向旋转的沿着圆周方向行进的行波，环形构件外表面的质点做微幅椭圆运动，并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°，在环形构件上形成的具有n(n≥2)个波峰波谷一并呈现的行波将反向，因此金属履带的运动方向也将反向。
以n=6，第一电信号为余弦信号，第二电信号为正弦信号为例，电信号在压电陶瓷片上施加方式如图9所示。当只对弯振压电陶瓷片施加正弦信号时，将在变截面梁上激发出5阶弯振，两个环形构件被激励出6个波峰和波谷一并呈现的弯振振型，并且变截面压电换能器与两个环形构件的连接处都位于弯振振型的波峰或波谷处，如图10所示；当只对扭振压电陶瓷片施加余弦信号时，将在变截面梁上激发出4阶扭振，两个环形构件被激励出具有6个波峰和波谷一并呈现的弯振振型，并且变截面压电换能器与两个环形构件连接处都位于弯振振型的节点位置，且这两个连接位置处的节点振型在空间上具有π的相位差，如图11所示。两个环形构件上形成的两个同形弯振振型在空间上具有π/2的相位差，当同时施加两相电信号时，两个环形构件上耦合具有出了6个波峰和波谷一并呈现的同向旋转的沿着圆周方向行进的弯曲行波。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。
将第一、第二电信号之间的相位差改变为-90°，在环形构件上形成的具有n(n≥2)个波峰波谷一并呈现的行波将反向，因此金属履带的运动方向也将反向。
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 (5)
1.一种弯扭耦合型压电驱动履带行驶装置，包括金属履带（1）、两个环形构件（2）和变截面压电换能器（3），金属履带（1）的内表面与环形构件（2）的外表面接触，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）之间通过变截面压电换能器（3）连接，所述的变截面压电换能器（3）上开有一对安装槽，安装槽内通过预紧楔块装置（3-2）固定有压电陶瓷片组件；所述的压电陶瓷片组件包括胶合的扭振压电陶瓷片、弯振压电陶瓷片、输入电极片（3-4）和接地电极片（3-6），其中，扭振压电陶瓷片施加第一电信号，弯振压电陶瓷片施加第二电信号，第一电信号和第二电信号的相位差为90°；
所述安装槽为矩形凹槽，位于变截面梁的中间区域；第一扭振压电陶瓷片（3-3）、第一弯振压电陶瓷片（3-7）、预紧楔块装置（3-2）、第二弯振压电陶瓷片（3-8）、第二扭振压电陶瓷片（3-5）依次设置在其中一个安装槽内；第三扭振压电陶瓷片（3-9）、第三弯振压电陶瓷片（3-11）、预紧楔块装置（3-2）、第四弯振压电陶瓷片（3-12）、第四扭振压电陶瓷片（3-10）依次设置在另外一个安装槽内；
预紧楔块装置包括第一预紧楔块和第二预紧楔块，第一预紧楔块包括一斜面以及与所述第一弯振压电陶瓷片或第四弯振压电陶瓷片相接触的接触面，第二预紧楔块包括一斜面以及与所述第二弯振压电陶瓷片或第三弯振压电陶瓷片相接触的接触面，第一预紧楔块和第二预紧楔块通过各自的斜面相互接触，第一预紧楔块的斜面设置有槽，第二预紧楔块的斜面设置有螺纹孔，预紧螺栓穿过所述槽和螺纹孔将两块预紧楔块固定。
2.根据权利要求1所述的弯扭耦合型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，所述金属履带（1）与环形构件（2）接触的内表面的粗糙度接近光滑程度。
3.根据权利要求1所述的弯扭耦合型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。
4.一种如权利要求1所述的弯扭耦合型压电驱动履带行驶装置的工作方法，其特征在于：在扭振压电陶瓷片上施加第一电信号，将在变截面梁（3-1）上激励出扭振模态，同时在两个环形构件（2）上激励出具有n个波峰和波谷一并呈现的弯振模态；在弯振压电陶瓷片上施加第二电信号，第一电信号和第二电信号的相位差为±90°，将在变截面梁（3-1）上激励出弯振模态，同时在两个环形构件（2）上激励出与第一电信号在环形构件（2）上激励出的弯振模态具有π/2空间相位差的另一个具有n个波峰和波谷一并呈现的弯振模态；上述两个存在n个波峰和波谷一并呈现的弯振模态在环形构件上耦合成具有n个波峰和波谷一并呈现的同向旋转的沿着圆周方向行进的弯曲行波，环形构件（2）外表面的质点做微幅椭圆运动，并通过摩擦作用驱动与其接触的金属履带运动，上述的n≥2。
5.根据权利要求4所述的弯扭耦合型压电驱动履带行驶装置的工作方法，其特征在于：将第一、第二电信号之间的相位差由90°改变为-90°时，在环形构件（2）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。
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Granted publication date: 20171010 Termination date: 20211218 |