CN106240816B - 一种微型扑翼关节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型扑翼关节，属于机电技术领域。所述的微型扑翼关节包括前结构杆、动子、预紧机构、压电定子和后结构杆五个部分,所述的前结构杆与动子之间粘接，动子与压电定子之间通过预紧机构预紧连接，压电定子粘接在后结构杆上；所述的前结构杆和后结构杆分别连接仿生扑翼飞行器的前翼和后翼。当扑翼关节通入驱动电流时，动子会产生旋转运动，进而完成关节的旋转功能。
Description
技术领域
本发明涉及机电技术领域。具体地说，是指一种应用于扑翼飞行器关节部位的新的微型关节驱动，交叉了压电驱动和机器人关节两个领域的技术。
背景技术
蝙蝠作为唯一能飞行的哺乳动物，其飞行机动性极强，对于扑翼飞行器的研制具有借鉴意义。蝙蝠的翅膀不同于鸟类和昆虫之处在于，蝙蝠翅膀具有极多数量的关节。在飞行过程中，蝙蝠可以通过控制关节运动来主动改变翼面形状，进而达到精确的飞行控制。
经过研究，蝙蝠翅膀单侧具有多达20个自由度。现在普遍使用的，成熟的机器人关节驱动多采用伺服电机作为驱动核心。这种关节驱动应用于扑翼关节上有三个方面的难点。首先，电磁电机主要部件是金属制的，金属丝电阻和体积成反比，因此微型化之后性能会变差；其次，电磁电机微型化之后转速并不能随之降低，因此减速机构会产生很多重量和体积；最后，电磁电机难以实现自锁，而扑翼飞行器飞行过程中很多时间需要保持某一固定攻角和姿态角，因此需要关节驱动具有一定的自锁能力。
压电驱动是近几年来的研究热点之一。压电驱动技术以压电陶瓷材料的逆压电效应，通过控制其机械变形产生旋转或直线运动。它具有结构简单，低速、大力矩的优点。在机器人驱动、精密仪器、工业驱动等领域具有良好的应用前景。
发明内容
结合上述压电驱动的优势以及扑翼关节的实际要求，本发明设计了一种以高频压电驱动为核心的微型扑翼关节。
本发明提供一种微型扑翼关节，包括前结构杆、动子、预紧机构、压电定子和后结构杆五个部分,所述的前结构杆与动子之间粘接，动子与压电定子之间通过预紧机构预紧连接，压电定子粘接在后结构杆上；所述的前结构杆和后结构杆分别连接仿生扑翼飞行器的前翼和后翼。
所述的动子由动子圆环、动子轴承两个部分组成，动子轴承设置于动子圆环的圆心处，动子轴承套在预紧机构中的转轴之上，动子整体可以绕转轴转动。
所述的预紧机构由预紧支架、转轴、固定支座和预紧螺钉组成；所述预紧支架上半部分设置有转轴，与动子中的动子轴承相配合，预紧支架下半部分固定在固定支座上；所述的预紧支架包括两个背对背的“L”型支架，所述的两个背对背的“L”型支架的底部均加工有通孔，所述固定支座的上表面钻有螺纹孔，所述预紧螺钉穿过通孔，旋入螺纹孔，将预紧支架紧固在固定支座上。
所述的压电定子包括驱动头、两组压电叠堆、电极和定子基座，其中两组压电叠堆的构造均相同，两组压电叠堆的位移方向相互垂直；压电叠堆的一端与定子基座固定在一起，另一端与驱动头固定在一起；两组压电叠堆和定子基座位于一个平面内，该平面通过固定支座的中心线，且相对于固定支座的中心线呈轴对称；所述的固定支座为圆柱状结构，所述的固定支座与所述的定子基座一体加工成型。
本发明的优点在于：
(1)本发明是微型化产品，相比较微型电磁电机，压电材料本身尺寸很小，且性能不随尺寸减小和减弱；
(2)本发明结构简单，没有微型电磁电机的减速机构，加工制造较为简单；
(3)本发明简单的结构能带来较高的工作可靠性；
(4)由于预紧机构的存在，在动子和定子之间会有一定的预紧力，进而能产生静摩擦力来使得机构在无能量输入的情况下实现自锁；
(5)由于本发明基本原理是将微米尺度下的微幅振动转化为转动，因此输出转动角度的分度值小，精度高。
附图说明
图1是本发明微型关节驱动的总体结构组成图。
图2是本发明微型关节驱动的定子和动子的结构图。
图3是本发明微型关节驱动的预紧机构组成图。
图4是本发明微型关节驱动应用于扑翼上的安装示意图。
图中：
1-前结构杆； 2-动子； 3-预紧机构； 4-压电定子；
5-后结构杆； 6-前翼； 7-后翼；
201-动子圆环； 202-动子轴承； 203-轴承支架； 204-圆环支架；
301-轴承垫片； 302-转轴； 303-预紧支架； 304-预紧螺钉；
305-橡胶垫片； 401-驱动头； 402-电极； 403-压电叠堆；
404-定子基座； 405-固定支座； 406-螺纹孔；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种用于仿生扑翼飞行器上的微型扑翼关节，如图1所示，所述微型扑翼关节包括前结构杆1、动子2、预紧机构3、压电定子4和后结构杆5五个部分。所述的前结构杆1与动子2之间粘接，动子2与压电定子4之间通过预紧机构3提供预紧力，压电定子4粘接在后结构杆5上。所述的前结构杆1和后结构杆5分别连接所述仿生扑翼飞行器的前翼6和后翼7，如图4所示。
所述的前结构杆1和后结构杆5的结构相同，均是圆柱状主体结构，并采用碳纤维复合材料构成。考虑到微型化和轻质化的需要，后结构杆5的一个端面与压电定子4上的固定支座405的下表面固接在一起，前结构杆1的一个端面和动子2连接，并且在连接的地方采用粘接进行连接。
所述的动子2由动子圆环201、动子轴承202两个部分组成，主要功能是输出转动。如图2，动子轴承202设置于动子圆环201的圆心处，可以通过一个或多个轴承支架203实现固定。所述动子圆环201可以直接粘接在前结构杆1的端面，也可以通过圆环支架204粘接在前结构杆1上，并且所述的圆环支架204与动子圆环201一体加工成型。同时，动子轴承202套在预紧机构3中的转轴302之上，动子2整体可以绕转轴302转动。因为本发明的微型扑翼关节要求输出的是转动，而压电定子4输出的是微幅振动，因此需要通过将微幅振动作用于动子圆环201上来形成转动输出。动子2的动子圆环201与前结构杆1固定在一起，当动子2绕转轴302转动时，前结构杆1也一同产生转动，实现关节驱动的主要功能。
如图3所示，所述的预紧机构3主要由预紧支架303、转轴302和预紧螺钉304组成。所述预紧支架303上半部分靠近边缘位置设置有转轴302，与动子2中的动子轴承202相配合，为动子2提供转动支撑。预紧支架303下半部分通过预紧螺钉304固定在固定支座405上。
所述的预紧支架303如图3所示，包括两个背对背的“L”型支架，所述的两个背对背的“L”型支架的底部均加工有通孔，所述固定支座405的上表面钻有螺纹孔406，所述预紧螺钉304穿过通孔，旋入螺纹孔406，将预紧支架303紧固在固定支座405上。为使预紧支架303和固定支座405之间的预紧力均匀作用在固定支座405上，在预紧支架303和固定支座405之间放置橡胶垫片305。橡胶垫片305在预紧螺钉304施加预紧力的作用下可以被压缩，因此可以通过调节预紧螺钉304旋入固定底支座406上螺纹孔406的深度，进而控制预紧支架303和固定支座405的间距，进而调整动子圆环201外表面和压电定子4顶部(驱动头401)的距离，从而能给动子2和压电定子4之间施加合适的预紧力。在无激励情况下，动子圆环201外表面和压电定子4的驱动头401之间有足够的预紧力，动子2和压电定子4之间会有一定的静摩擦力提供自锁能力，通过控制预紧力大小可以进而控制自锁能力的大小。
如图2所示，所述的压电定子4包括驱动头401、两组压电叠堆403、电极402、定子基座404和固定支座405。其中两组压电叠堆403的构造均相同，两组压电叠堆403的位移方向相互垂直。电极402的布置方向和压电叠堆403的位移向量组成的平面垂直。压电叠堆403的一端与定子基座404固定在一起，另一端与驱动头401固定在一起。两组压电叠堆403和定子基座404位于一个平面内，该平面通过固定支座405的中心线，且相对于固定支座405的中心线呈轴对称。所述的固定支座405为圆柱状结构，所述的固定支座405与所述的定子基座404一体加工成型。
当电极402接入电压时，压电叠堆403产生垂直于驱动头401和压电叠堆403的交界面方向的位移。采用压电叠堆403而不是单一压电片的目的是实现在低驱动电压作用下产生较大的位移。驱动工作时，在两个压电叠堆403上分别施加同频同幅的正弦信号，两路正弦信号的相位差为90°，此时两个压电叠堆403产生的位移在驱动头401的顶部叠加，使得驱动头401顶部产生椭圆运动，推动动子2转动。具体原理如下：驱动未工作时，在预紧力作用下，动子2和压电定子4的驱动头401顶部处于接触状态。当两个垂直放置的压电叠堆403在激励信号作用下微幅振动，驱动头401顶部产生椭圆运动，形成椭圆形运动轨迹。当驱动头401顶部处于椭圆轨迹上半部分时，驱动头401通过静摩擦力推动动子2绕转轴302旋转；驱动头401位于椭圆轨迹下半部分时，驱动头401顶部和动子2脱离，二者之间无作用力，由于驱动头401的椭圆运动的频率极高，一般为90kHz左右，所以这段无作用力的时间极短，外力作用的冲量可以忽略不计，动子2会保持既有的运动速度。这种作用模式经过高频循环往复，使得整个驱动朝一个方向转动。当压电定子4中的两个压电叠堆403的驱动电流相位差改变为-90°时，驱动可以实现向相反方向的转动。
实施例：
本发明提供一种微型扑翼关节，下面将结合图4对具体的实施方式做进一步说明。如图4所示，本发明提供的微型扑翼关节应用于微型仿生扑翼飞行器上时，所述的微型扑翼关节连接每个扑翼的前翼6和后翼7，具体连接如下：
前翼6和前结构杆1连接在一起，采用胶接还是螺纹连接或者其他紧固方式，由实际扑翼的尺寸决定。后翼7固定于后结构杆5上，紧固方式和前翼的情况一致。在微型仿生扑翼飞行器中，一方面，前翼6的拍动幅度会大于后翼7；另一方面，动子2的主体是空心的动子圆环201，相对于压电定子4以及和其固定在一起的预紧机构3来说，动子2的质量和转动惯量都较小，因此，将前翼6通过前结构杆1与动子2相连，后翼7通过后结构杆5与压电定子4相连，这样的设计能达到减小能量消耗的目的。
所述的压电定子4采用德国PI公司生产压电叠堆作为压电定子4的振动来源。其中，压电定子4整体的外形尺寸不超过一枚一分硬币的大小，动子圆环201的外径为10mm。
采用了碳纤维棒作为前结构杆1和后结构杆5的材料之后，前结构杆1和后结构杆5的总重量在15g以内，大大小于市面上存在的伺服驱动。经过仿真计算，在幅值5V，频率90kHz的电压信号驱动下，所述微型扑翼关节的动子空载旋转速度最达可到300度每秒，最大转矩为
2N*cm。所述微型扑翼关节的最小分度值可以达到0.003度，优于机器人关节常用的伺服电机驱动。
Claims (5)
1.一种微型扑翼关节，其特征在于：所述微型扑翼关节包括前结构杆、动子、预紧机构、压电定子和后结构杆五个部分,所述的前结构杆与动子之间粘接，动子与压电定子之间通过预紧机构预紧连接，压电定子粘接在后结构杆上；所述的前结构杆和后结构杆分别连接仿生扑翼飞行器的前翼和后翼；
所述的动子由动子圆环、动子轴承两个部分组成，动子轴承设置于动子圆环的圆心处，动子轴承套在预紧机构中的转轴之上，动子整体可以绕转轴转动；
所述的压电定子包括驱动头、两组压电叠堆、电极和定子基座，其中两组压电叠堆的构造均相同，两组压电叠堆的位移方向相互垂直；压电叠堆的一端与定子基座固定在一起，另一端与驱动头固定在一起；两组压电叠堆和定子基座位于一个平面内，该平面通过固定支座的中心线，且相对于固定支座的中心线呈轴对称；所述的固定支座为圆柱状结构，所述的固定支座与所述的定子基座一体加工成型。
2.根据权利要求1所述的一种微型扑翼关节，其特征在于：所述的前结构杆和后结构杆的结构相同，均是圆柱状主体结构，并采用碳纤维复合材料构成。
3.根据权利要求1所述的一种微型扑翼关节，其特征在于：所述的轴承通过一个或多个轴承支架实现固定；所述动子圆环直接粘接在前结构杆的端面，或通过圆环支架粘接在前结构杆上，并且所述的圆环支架与动子圆环一体加工成型。
4.根据权利要求1所述的一种微型扑翼关节，其特征在于：所述的预紧机构由预紧支架、转轴、固定支座和预紧螺钉组成；所述预紧支架上半部分设置有转轴，与动子中的动子轴承相配合，预紧支架下半部分固定在固定支座上；
所述的预紧支架包括两个背对背的“L”型支架，所述的两个背对背的“L”型支架的底部均加工有通孔，所述固定支座的上表面钻有螺纹孔，所述预紧螺钉穿过通孔，旋入螺纹孔，将预紧支架紧固在固定支座上。
5.根据权利要求4所述的一种微型扑翼关节，其特征在于：在预紧支架和固定支座之间放置橡胶垫片，通过调节预紧螺钉旋入固定底支座上螺纹孔的深度，进而控制预紧支架和固定支座的间距，进而调整动子圆环外表面和压电定子顶部的距离，从而能给动子和压电定子之间施加预紧力。
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Granted publication date: 20180608 |