CN106828644A - 一种贴片式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种贴片式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法，由车架组件、驱动螺栓和车轮组件组成；车架组件由两根竖梁、两根横梁、两根连接梁以及若干压电陶瓷片组成；压电陶瓷片设置在横梁和竖梁的上下表面；两根竖梁与两根横梁正交连接；两根连接梁平行设置在两根横梁之间；驱动螺栓安装在竖梁的端部；车轮组件安装在驱动螺栓上。激励出横梁的二阶纵向振动模态，竖梁上安装的驱动螺栓同时向前或者向后刚性平移；激励出竖梁的一阶弯振模态，竖梁上的驱动螺栓将同时向上或者向下运动；只要竖梁和横梁上的激励信号在时间上具有π/2相位差，驱动螺栓上的质点将做椭圆运动，经摩擦驱动车轮旋转，实现整个机器人系统向前或者向后运动以及转向。

Description

一种贴片式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法
技术领域：
本发明提出了一种贴片式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法，属于压电驱动技术和行星探测机器人技术领域。
背景技术：
传统的行星探测机器人均采用轮式移动系统，并且以四轮和六轮结构作为主流设计方案。由于可以借鉴地面轮式机构的设计经验，轮式行星探测机器人系统一直处于最前沿的研究与应用，例如美国的好奇号、勇气号等系列火星探测机器人以及中国的玉兔号探月车均是采用轮式结构。但是目前所提出和开发的行星探测机器人均是利用电磁电机通过减速机构等装置来驱动车轮运动实现移动，因此整个机器人移动系统体积大、结构复杂、控制系统冗余、能耗高，而且难以实现微小型化设计。基于逆压电效应的压电驱动方式在压电陶瓷材料的制备和加工技术得到进一步发展的情况下，可实现驱动结构的结构紧凑、简单、控制系统简单、直接驱动、无电磁干扰、易于小型化等特点，在微型移动机器人领域有着广泛的应用前景。本发明提出了一种贴片式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法，经摩擦直接驱动车轮实现前后运动和转向，无需减速机构，易于小型化，结构简单紧凑，控制系统简单，可在月面或者火星表面等极端环境下工作。
发明内容：
针对传统机器人移动系统需要复杂的传动和减速机构致使其难以实现小型化设计的问题，本发明提出了一种贴片式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法，利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能，依靠摩擦力直接驱动车轮旋转，不需要复杂的传动和减速机构，结构简单紧凑，易于实现小型化。
本发明采用如下技术方案：一种贴片式压电驱动四轮行星探测机器人，由车架组件、竖梁、横梁、驱动螺栓和车轮组件组成，所述竖梁包括第一竖梁和第二竖梁，横梁包括第一横梁和第二横梁，所述车架组件由第一竖梁、第二竖梁、第一横梁、第二横梁、若干纵振压电陶瓷片、若干弯振压电陶瓷片和连接梁组成，所述第一竖梁与第二竖梁平行，第一横梁与第二横梁平行，所述第一竖梁、第二竖梁与第一横梁、第二横梁相互正交，构成了矩形框架结构，所述第一横梁与第二横梁位于第一竖梁和第二竖梁的振动节点处，连接梁的两端分别与第一横梁与第二横梁正交，并且与第一竖梁和第二竖梁平行，所述连接梁设置在第一横梁与第二横梁的振动节点处，第一竖梁和第二竖梁的端部均设置有用于安装驱动螺栓的螺纹孔，所述驱动螺栓端部设置有用于安装与驱动车轮组件的斜面。
进一步地，所述驱动螺栓端部设置有两个斜面，所述车轮组件包括两片车轮、调节螺栓和弹簧，所述调节螺栓和弹簧将两片车轮相对设置在驱动螺栓的两个斜面上。
进一步地，所述第一竖梁、第二竖梁和第一横梁、第二横梁的两端均设置为变幅杆结构，用于放大端部振幅。
进一步地，两片沿着厚度方向极化的且极化方向相反的压电陶瓷片构成一组纵振压电陶瓷片，两片沿着厚度方向极化的且极化方向相同的压电陶瓷片构成一组弯振压电陶瓷片，第一横梁和第二横梁分别设置了两组沿着厚度方向极化且极化方向相反纵振压电陶瓷片，并且位于同一横梁同一表面的压电陶瓷片的极化方向相反以及两根横梁同一表面的压电陶瓷片的极化方向相同，两组纵振压电陶瓷片均位于第一横梁和第二横梁的纵向振动的节点位置；第一竖梁和第二竖梁分别设置一组沿着厚度方向极化且极化方向相同弯振压电陶瓷片，并且位于两根竖梁同一表面的压电陶瓷片的极化方向相同，弯振压电陶瓷片设置在第一竖梁和第二竖梁的弯振振动模态的最大振幅处。
本发明还采用如下技术方案：一种贴片式压电驱动四轮行星探测机器人的工作方法，包括如下步骤：
1)对4组纵振压电陶瓷片施加第一简谐电压信号可激励出所述第一横梁和第二横梁的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态，即第一横梁和第二横梁的一端伸长而另一端缩短，此时第一竖梁和第二竖梁将随着第一横梁和第二横梁的纵向伸长或者缩短而水平向前或者向后刚性平移，即端部的驱动螺栓沿着第三横梁和第二横梁的伸长或者缩短方向水平刚性平移；
2)当对所述第一竖梁和第二竖梁上的2组弯振压电陶瓷片同时施加第二简谐电压信号，可激励出所述的第一竖梁和第二竖梁的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态，振动方向垂直于水平面，即第一竖梁和第二竖梁上设置的驱动螺栓同时做垂直于水平方向的运动，因此第一横梁和第二横梁上的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态和第一竖梁和第二竖梁的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态同时被激励出来并在驱动螺栓上进行耦合，四个驱动螺栓同时具有两个空间上垂直的振动位移；
3)通过调整第一简谐电压信号和第二简谐电压信号在时间上具有π/2的相位差，使得驱动螺栓上的任意质点均做方向相同的椭圆运动，进而通过摩擦作用驱动与驱动螺栓上的两个斜面接触的车轮转动，实现贴片式压电驱动四轮行星探测机器人向前移动；
4)调整第一简谐电压信号和第二简谐电压信号的相位差为-π/2，实现贴片式压电驱动四轮行星探测机器人向后移动。
进一步地，1)对第一横梁上的2组纵振压电陶瓷片施加第一简谐电压信号，同时对第二横梁上的2组纵振压电陶瓷片施加与第一简谐电压信号具有π的相位差的第三简谐电压信号，激励出的第一横梁和第二横梁的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态，第一横梁的纵向振动模态与第二横梁的纵向振动模态在空间上具有π的相位差，即第一横梁的伸长端与第二横梁的缩短端对应，第一横梁的缩短端与第二横梁的缩伸长端对应，此时，第一竖梁和第二竖梁的左端向前水平刚性平移，而右端向后水平刚性平移，即第一竖梁和第二竖梁左边的驱动螺栓向前水平刚性平移，右边的驱动螺栓则向后水平刚性平移；
2)当对第一竖梁和第二竖梁上的2组弯振压电陶瓷片同时施加第二简谐电压信号，激励出第一竖梁和第二竖梁的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态，振动方向垂直于水平面，即第一竖梁和第二竖梁上设置的驱动螺栓同时做垂直于水平方向的运动；
3)若第一简谐电压信号、第二简谐电压信号和第三简谐电压信号同时激励出第一横梁和第二横梁的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态和第一竖梁和第二竖梁的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态，即实现同一根竖梁上的两个驱动螺栓上的表面质点的椭圆运动轨迹的方向相反，并且两根竖梁同一边的两个驱动螺栓的椭圆运动轨迹相同，通过摩擦作用驱动车轮旋转，从而驱动整个贴片式压电驱动四轮行星探测机器人进行转弯运动；
4)改变第一简谐电压信号和第二简谐电压信号的相位差，实现贴片式压电驱动四轮行星探测机器人进行双向转弯。
本发明具有如下有益效果：本发明贴片式压电驱动四轮行星探测机器人利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能，经摩擦力直接驱动车轮转动，不需要复杂的传动和减速机构，结构简单紧凑，易于控制，在微小型机器人移动系统领域具有巨大的应用前景。
附图说明：
图1是贴片式压电驱动四轮行星探测机器人的结构示意图。
图2是横梁和竖梁上设置的压电陶瓷片的粘贴方式和极化方向示意图。
图3是竖梁与驱动螺栓、以及驱动螺栓与车轮组件的安装方式示意图。
图4是横梁上的纵振模态以及激励信号示意图。
图5是竖梁上的弯振模态以及激励信号示意图。
图6是横梁上的转弯模态以及激励信号示意图。
其中：
1-第一竖梁，2-第二竖梁，3-第一横梁，4-第二横梁，5-连接梁，6-车轮组件，7-纵振压电陶瓷片，8-驱动螺栓，9-车轮，10-调节螺栓，11-弹簧，12-弯振压电陶瓷片。
具体实施方式：
本发明的一种贴片式压电驱动四轮行星探测机器人，如图1所示，由车架组件、竖梁、横梁、4个驱动螺栓8和车轮组件6组成，其中竖梁包括第一竖梁1和第二竖梁2，横梁包括第一横梁3和第二横梁4，车架组件6由第一竖梁1、第二竖梁2、第一横梁3、第二横梁4、若干纵振压电陶瓷片7、若干弯振压电陶瓷片12和两根连接梁5组成。
第一竖梁1与第二竖梁2平行，第一横梁3与第二横梁4平行，第一竖梁1、第二竖梁2与第一横梁3、第二横梁4相互正交，构成了矩形框架结构。第一横梁3与第二横梁4位于第一竖梁1和第二竖梁2的振动节点处。两根连接梁5的两端分别与第一横梁3与第二横梁4正交，并且与第一竖梁1和第二竖梁2平行，并且连接梁5均设置在第一横梁3与第二横梁4的振动节点处。第一竖梁1、第二竖梁2和第一横梁3、第二横梁4的两端均设置为变幅杆结构，用于放大端部振幅。
横梁和竖梁上压电陶瓷片的粘贴方式和极化方向如图2所示，两片沿着厚度方向极化的且极化方向相反的压电陶瓷片构成一组纵振压电陶瓷片7，两片沿着厚度方向极化的且极化方向相同的压电陶瓷片构成一组弯振压电陶瓷片12，第一横梁3和第二横梁4分别设置了两组沿着厚度方向极化且极化方向相反纵振压电陶瓷片7，并且位于同一横梁同一表面的压电陶瓷片的极化方向相反，同时两组纵振压电陶瓷片7均位于在第一横梁3和第二横梁4的纵向振动的节点位置；第一竖梁1和第二竖梁2分别设置一组沿着厚度方向极化且极化方向相同弯振压电陶瓷片12，并且位于两根竖梁同一表面的压电陶瓷片的极化方向相同，同时弯振压电陶瓷片12设置在第一竖梁1和第二竖梁2的弯振振动模态的最大振幅处。
竖梁与驱动螺栓8，以及驱动螺栓8与车轮组件6的装配示意图如图3所示，第一竖梁1和第二竖梁2的端部均设置了螺纹孔用于安装驱动螺栓8；驱动螺栓8端部均设置有2个具有一定倾角的斜面用于安装与驱动车轮组件6。
车轮组件6包括两片车轮9、调节螺栓10和弹簧11，调节螺栓10和弹簧11将两片车轮9固定在驱动螺栓8的两个斜面上，调节弹簧11的伸长长度即可同时调节两片车轮9与驱动螺栓8的斜面之间的预压力。
横梁上压电陶瓷片的电压信号以及激励的模态示意图如图4所示，以sin(ωt)作为驱动信号来说明车架组件的工作方式。对4组纵振压电陶瓷片7同时施加sin(ωt)的电压信号可激励出第一横梁3和第二横梁4的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态，以2阶纵振为例，在第一横梁3和第二横梁4上均有两个振动节点，且位于4组纵振压电陶瓷片和两根连接梁的安装位置，其工作振型即第一横梁3和第二横梁4的一端伸长而另一端缩短，此时第一竖梁1和第二竖梁2将随着第一横梁3和第二横梁4的纵向伸长或者缩短而水平向前或者向后刚性平移，即端部的4个驱动螺栓8沿着第一横梁3和第二横梁4的伸长或者缩短方向水平刚性平移。
竖梁上压电陶瓷片的电压信号以及激励的模态示意图如图5所示，以cos(ωt)作为驱动信号来说明车架组件的工作方式。当对第一竖梁1和第二竖梁2上的2组弯振压电陶瓷片12同时施加cos(ωt)电压信号，可激励出第一竖梁1和第二竖梁2的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态，振动方向垂直于水平面，以一阶弯振为例，在第一竖梁1和第二竖梁2上均有两个振动节点，且位于第一横梁3和第二横梁4的安装位置，其工作振型即第一竖梁1和第二竖梁2上设置的驱动螺栓8同时做垂直于水平方向的运动。若第一横梁3和第二横梁4上的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态和第一竖梁1和第二竖梁2的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态同时被激励出来并在驱动螺栓8上进行耦合，四个驱动螺栓8将同时具有两个空间上垂直的振动位移。由于两相驱动电压信号在时间上具有π/2的相位差，可使得四个驱动螺栓8上的任意质点均做方向相同椭圆运动，进而通过摩擦作用驱动与驱动螺栓上的两个斜面接触的车轮转动，实现所述的贴片式压电驱动四轮行星探测机器人向前移动。若施加在纵振陶瓷片上的驱动信号为cos(ωt)，而施加在弯振陶瓷片上的驱动信号为sin(ωt)，即可实现所述的贴片式压电驱动四轮行星探测机器人向后移动。因此通过调节两相驱动信号之间的相位差可实现贴片式压电驱动四轮行星探测机器人的双向运动。
为了实现贴片式压电驱动四轮行星探测机器人的转弯功能，对第一横梁3和第二横梁4上的驱动信号进行了改变，如图6所示，即对第一横梁3施加sin(ωt)的信号，而对第二横梁4施加-sin(ωt)的信号，将激励出第一横梁3与第二横梁4具有π的空间相位差的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态，即第一横梁3的伸长端与第二横梁4的缩短端对应，第一横梁3的缩短端与第二横梁4的缩伸长端对应，此时，第一竖梁1和第二竖梁2的左端向前水平刚性平移，而右端向后水平刚性平移，即第一竖梁1和第二竖梁2左边的驱动螺栓向前水平刚性平移，右边的驱动螺栓则向后水平刚性平移。而对第一竖梁1和第二竖梁2上的2组弯振压电陶瓷片仍然采用如图5所示的激励信号，即第一竖梁1和第二竖梁2上设置的驱动螺栓仍做垂直于水平方向的运动，即可实现同一根竖梁上的两个驱动螺栓上的表面质点的椭圆运动轨迹的方向相反，并且两根竖梁同一边的两个驱动螺栓的椭圆运动轨迹相同，即通过摩擦作用可驱动两根竖梁左边的两个车轮向前旋转，而右边的两个车轮向后旋转，从而驱动整个贴片式压电驱动四轮行星探测机器人沿着前进方向向左进行转弯运动；当第一横梁3和第二横梁4上的驱动信号互换，第一横梁3与第二横梁4的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态之间的空间相位差将变为-π，因此同一根竖梁上的椭圆运动轨迹方向互换，即经摩擦作用可驱动两根竖梁右边的两个车轮向前旋转，而左边的两个车轮向后旋转，从而驱动整个贴片式压电驱动四轮行星探测机器人沿着前进方向向右进行转弯运动；若改变竖梁和横梁上的驱动电压信号的相位差为-π/2，可实现贴片式压电驱动四轮行星探测机器人进行向后运动的双向转弯。
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 (6)

1.一种贴片式压电驱动四轮行星探测机器人，其特征在于：由车架组件、竖梁、横梁、驱动螺栓(8)和车轮组件(6)组成，所述竖梁包括第一竖梁(1)和第二竖梁(2)，横梁包括第一横梁(3)和第二横梁(4)，所述车架组件(6)由第一竖梁(1)、第二竖梁(2)、第一横梁(3)、第二横梁(4)、若干纵振压电陶瓷片(7)、若干弯振压电陶瓷片(12)和连接梁(5)组成，所述第一竖梁(1)与第二竖梁(2)平行，第一横梁(3)与第二横梁(4)平行，所述第一竖梁(1)、第二竖梁(2)与第一横梁(3)、第二横梁(4)相互正交，构成了矩形框架结构，所述第一横梁(3)与第二横梁(4)位于第一竖梁(1)和第二竖梁(2)的振动节点处，连接梁(5)的两端分别与第一横梁(3)与第二横梁(4)正交，并且与第一竖梁(1)和第二竖梁(2)平行，所述连接梁(5)设置在第一横梁(3)与第二横梁(4)的振动节点处，第一竖梁(1)和第二竖梁(2)的端部均设置有用于安装驱动螺栓(8)的螺纹孔，所述驱动螺栓(8)端部设置有用于安装与驱动车轮组件(6)的斜面。
2.如权利要求1所述的贴片式压电驱动四轮行星探测机器人，其特征在于：所述驱动螺栓(8)端部设置有两个斜面，所述车轮组件(6)包括两片车轮(9)、调节螺栓(10)和弹簧(11)，所述调节螺栓(10)和弹簧(11)将两片车轮(9)相对设置在驱动螺栓(8)的两个斜面上。
3.如权利要求2所述的贴片式压电驱动四轮行星探测机器人，其特征在于：所述第一竖梁(1)、第二竖梁(2)和第一横梁(3)、第二横梁(4)的两端均设置为变幅杆结构，用于放大端部振幅。
4.如权利要求3所述的贴片式压电驱动四轮行星探测机器人，其特征在于：两片沿着厚度方向极化的且极化方向相反的压电陶瓷片构成一组纵振压电陶瓷片(7)，两片沿着厚度方向极化的且极化方向相同的压电陶瓷片构成一组弯振压电陶瓷片(12)，第一横梁(3)和第二横梁(4)分别设置了两组沿着厚度方向极化且极化方向相反纵振压电陶瓷片(7)，并且位于同一横梁同一表面的压电陶瓷片的极化方向相反以及两根横梁同一表面的压电陶瓷片的极化方向相同，两组纵振压电陶瓷片(7)均位于第一横梁(3)和第二横梁(4)的纵向振动的节点位置；第一竖梁(1)和第二竖梁(2)分别设置一组沿着厚度方向极化且极化方向相同弯振压电陶瓷片(12)，并且位于两根竖梁同一表面的压电陶瓷片的极化方向相同，弯振压电陶瓷片(12)设置在第一竖梁(1)和第二竖梁(2)的弯振振动模态的最大振幅处。
5.一种贴片式压电驱动四轮行星探测机器人的工作方法，其特征在于：包括如下步骤
1)对4组纵振压电陶瓷片(7)施加第一简谐电压信号可激励出所述第一横梁(3)和第二横梁(4)的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态，即第一横梁(3)和第二横梁(4)的一端伸长而另一端缩短，此时第一竖梁(1)和第二竖梁(2)将随着第一横梁(3)和第二横梁(4)的纵向伸长或者缩短而水平向前或者向后刚性平移，即端部的驱动螺栓(8)沿着第一横梁(3)和第二横梁(4)的伸长或者缩短方向水平刚性平移；
2)当对所述第一竖梁(1)和第二竖梁(2)上的2组弯振压电陶瓷片(12)同时施加第二简谐电压信号，可激励出所述的第一竖梁(1)和第二竖梁(2)的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态，振动方向垂直于水平面，即第一竖梁(1)和第二竖梁(2)上设置的驱动螺栓(8)同时做垂直于水平方向的运动，因此第一横梁(3)和第二横梁(4)上的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态和第一竖梁(1)和第二竖梁(2)的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态同时被激励出来并在驱动螺栓(8)上进行耦合，四个驱动螺栓(8)同时具有两个空间上垂直的振动位移；
3)通过调整第一简谐电压信号和第二简谐电压信号在时间上具有π/2的相位差，使得驱动螺栓(8)上的任意质点均做方向相同的椭圆运动，进而通过摩擦作用驱动与驱动螺栓(8)上的两个斜面接触的车轮转动，实现贴片式压电驱动四轮行星探测机器人向前移动；
4)调整第一简谐电压信号和第二简谐电压信号的相位差为-π/2，实现贴片式压电驱动四轮行星探测机器人向后移动。
6.如权利要求5所述的贴片式压电驱动四轮行星探测机器人的工作方法，其特征在于：包括如下步骤
1)对第一横梁(3)上的2组纵振压电陶瓷片(7)施加第一简谐电压信号，同时对第二横梁(4)上的2组纵振压电陶瓷片(7)施加与第一简谐电压信号具有π的相位差的第三简谐电压信号，激励出的第一横梁(3)和第二横梁(4)的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态，第一横梁(3)的纵向振动模态与第二横梁(4)的纵向振动模态在空间上具有π的相位差，即第一横梁(3)的伸长端与第二横梁(4)的缩短端对应，第一横梁(3)的缩短端与第二横梁(4)的缩伸长端对应，此时，第一竖梁(1)和第二竖梁(2)的左端向前水平刚性平移，而右端向后水平刚性平移，即第一竖梁(1)和第二竖梁(2)左边的驱动螺栓(8)向前水平刚性平移，右边的驱动螺栓(8)则向后水平刚性平移；
2)当对第一竖梁(1)和第二竖梁(2)上的2组弯振压电陶瓷片(12)同时施加第二简谐电压信号，激励出第一竖梁(1)和第二竖梁(2)的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态，振动方向垂直于水平面，即第一竖梁(1)和第二竖梁(2)上设置的驱动螺栓(8)同时做垂直于水平方向的运动；
3)若第一简谐电压信号、第二简谐电压信号和第三简谐电压信号同时激励出第一横梁(3)和第二横梁(4)的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态和第一竖梁(1)和第二竖梁(2)的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态，即实现同一根竖梁上的两个驱动螺栓上的表面质点的椭圆运动轨迹的方向相反，并且两根竖梁同一边的两个驱动螺栓的椭圆运动轨迹相同，通过摩擦作用驱动车轮旋转，从而驱动整个贴片式压电驱动四轮行星探测机器人进行转弯运动；
4)改变第一简谐电压信号和第二简谐电压信号的相位差，实现贴片式压电驱动四轮行星探测机器人进行双向转弯。
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