CN106956284A - 一种深海全开放式机械手指结构及其工作方式 - Google Patents

一种深海全开放式机械手指结构及其工作方式 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种深海全开放式机械手指结构及其工作方式，包括若干指节及关节。指节包括贴片式压电换能器、套筒和第一螺栓。套筒为圆环上设置有180°分布的两根梁的结构，圆环中间有180°分布的两个螺纹通孔，第一螺栓穿过螺纹通孔与贴片式压电换能器对应设置的限位孔接触，将其悬空固定在套筒内部。关节由两个C型摩擦轮正交嵌套而成，分别通过第二螺栓设置在相邻两个套筒的梁上，与相邻两个贴片式压电换能器的端部接触，起连接与传动作用。通过激励贴片式压电换能器，使其两端的质点做方向相反的椭圆运动，并通过摩擦作用使C型摩擦轮转动从而实现将两端的指节向相反方向转动，实现开合的动作。全开放式结构满足深海作业的抗高水压要求。

Description

一种深海全开放式机械手指结构及其工作方式
技术领域：
本发明涉及一种深海全开放式机械手指结构及其工作方式，属于超声作动及机器人领域。
背景技术：
现有液压式水下机器手结构庞大、功率要求高，难以适应AUV微小型化发展趋势；近年来发展的充油平衡深海水压、无刷直流电机驱动方式，还需在密封、压力补偿方面深化研究，进一步降低能量消耗和油液泄漏、海水入侵的风险。针对深海水压适应性这一瓶颈问题，考虑到摩擦驱动可以允许海水进入，提出利用压电转换和摩擦驱动基本原理构建全开放式机器手关节驱动方法，解除深海高水压对驱动系统的制约。关节的两个旋转自由度由构成机器臂的压电振子摩擦驱动，结构简单，同时发挥压电驱动的快响应、断电自锁、无电磁辐射等特点。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种深海全开放式机械手指结构及其工作方式。
本发明采用如下技术方案：一种深海全开放式机械手指结构，包括若干指节和关节；
所述指节由套筒、贴片式压电换能器和第一螺栓组成，所述套筒为圆环上设置有180°分布的两根梁的结构，圆环中间与梁角度相同的地方设置有供第一螺栓拧入的螺纹通孔，梁的两末端都设置有通孔；所述贴片式压电换能器由金属基体和压电陶瓷片组成，金属基体为矩形体两端分别设置有相同四棱台的结构，且矩形体一组对面的中心分别设置有与套筒的螺纹通孔对应的限位孔，压电陶瓷粘贴在没有限位孔的另一组对面上；所述第一螺栓穿过套筒的螺纹通孔，与贴片式压电换能器的限位孔接触，将贴片式压电换能器悬空固定在套筒内部；
所述关节由两个C型摩擦轮、弹性元件以及第二螺栓组成，C型摩擦轮为开有矩形槽的圆柱结构，且与矩形槽正交方向设置有两个螺纹盲孔，矩形槽宽度与圆柱厚度一致，弹性元件设置在两个矩形槽之间；所述第二螺栓穿过套筒梁上的通孔与关节中一个C型摩擦轮的螺纹盲孔连接，所述关节中的另一个C型摩擦轮与另一节指节连接。
进一步地，所述C型摩擦轮以第二螺栓为轴转动，每个关节都具有两个自由度，且由与两个自由度相邻的两个贴片式压电换能器分别驱动。
进一步地，所述压电陶瓷片外部由环氧树脂材料绝缘处理。
本发明还采用如下技术方案：一种深海全开放式机械手指结构的工作方式，包括：
激励两片压电陶瓷片，使贴片式压电换能器产生时间上具有90°相位差的一阶纵振和一阶弯振，从而使贴片式压电换能器的端部的质点产生微幅的椭圆运动，且两个端部的椭圆运动轨迹相反，通过摩擦作用带动关节绕第二螺栓旋转，实现将两端的指节向相反方向转动，实现开合的动作。
进一步地，相邻两个指节产生的转动方向是正交的。
本发明具有如下有益效果：本发明结构为全开放式，可以满足深海作业所要求的抗高水压要求。
附图说明：
图1为本发明深海全开放式机械手指结构的示意图。
图2为套筒的结构示意图。
图3为贴片式压电换能器的结构示意图。
图4为指节的结构示意图。
图5为关节结构分解示意图。
图6为关节与指节的连接示意图。
图7为压电陶瓷片极化及施加信号示意图。
图8为贴片式压电换能器端部质点产生椭圆运动轨迹的示意图。
图9是贴片式压电换能器驱动关节转动的原理图。
其中：
1-指节；2-关节；3-套筒；4-贴片式压电换能器；4-1-金属基体；4-2-压电陶瓷片；5-第一螺栓；6-C型摩擦轮；7-弹性元件；8-椭圆运动轨迹；9-转动方向；10-第二螺栓。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明公开一种深海全开放式机械手指结构，包括若干指节1和关节2，如图1所示。
指节1由套筒3、贴片式压电换能器4和两个第一螺栓5组成，套筒3为圆环上设置有180°分布的两根梁的结构，圆环中间与梁角度相同的地方设置有供第一螺栓5拧入的螺纹通孔，梁的两末端都设置有通孔，如图2所示。
贴片式压电换能器4由金属基体4-1和两片压电陶瓷片4-2组成，金属基体4-1为矩形体两端分别设置有两个相同四棱台的结构，且矩形体一组对面的中心分别设置有与套筒3的螺纹通孔对应的限位孔，两片压电陶瓷4-2分别粘贴在没有限位孔的另一组对面上，如图3所示。
第一螺栓5穿过套筒3的螺纹通孔，与贴片式压电换能器4的限位孔接触，将贴片式压电换能器4悬空固定在套筒3内部，如图4所示。
关节2由两个C型摩擦轮6和弹性元件7组成，C型摩擦轮6为开有矩形槽的圆柱结构，且与矩形槽正交方向设置有两个螺纹盲孔，矩形槽宽度与圆柱厚度一致，使两个C型摩擦轮6可以通过矩形槽嵌套在一起，弹性元件7设置在两个矩形槽之间，用于提供贴片式压电换能器4与C型摩擦轮6之间的预压力，其分解结构如图5所示。
第二螺栓10穿过套筒3梁上的通孔与关节2中一个C型摩擦轮6的螺纹盲孔连接，使这个C型摩擦轮6的矩形槽在套筒3的内侧，关节2中的另一个C型摩擦轮6与另一节指节1连接，每个固定在该指节上的C型摩擦轮都与相邻一个指节的贴片式压电换能器端部紧密接触，如图6所示。
C型摩擦轮6可以以第二螺栓10为轴转动，每个关节2都具有两个自由度，且由与两个自由度相邻的两个贴片式压电换能器4分别驱动。
贴片式压电换能器4的压电陶瓷片4-1外部由环氧树脂等材料绝缘处理。压电陶瓷片4-1为矩形，沿厚度方向极化，两片压电陶瓷片4-1的配合如图7所示。
本发明深海全开放式机械手指结构的工作方式，包括：
激励两片压电陶瓷片4-1，使贴片式压电换能器4产生时间上具有90°相位差的一阶纵振和一阶弯振，从而使贴片式压电换能器4的端部的质点产生微幅的椭圆运动，且两个端部的椭圆运动轨迹相反，通过摩擦作用带动关节绕第二螺栓旋转，从而实现将两端的指节向相反方向转动，实现开合的动作；
当给两个压电陶瓷片4-1施加如图7所示的激励信号时，贴片式压电换能器4的振动情况如图8所示，在0到2π的一个周期里，作动头端部的质点做微幅椭圆运动，且两个作动头端部的椭圆运动轨迹相反，如图9所示。
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)

1.一种深海全开放式机械手指结构，其特征在于：包括若干指节(1)和关节(2)；
所述指节(1)由套筒(3)、贴片式压电换能器(4)和第一螺栓(5)组成，所述套筒(3)为圆环上设置有180°分布的两根梁的结构，圆环中间与梁角度相同的地方设置有供第一螺栓(5)拧入的螺纹通孔，梁的两末端都设置有通孔；所述贴片式压电换能器(4)由金属基体(4-1)和压电陶瓷片(4-2)组成，金属基体(4-1)为矩形体两端分别设置有相同四棱台的结构，且矩形体一组对面的中心分别设置有与套筒(3)的螺纹通孔对应的限位孔，压电陶瓷(4-2)粘贴在没有限位孔的另一组对面上；所述第一螺栓(5)穿过套筒(3)的螺纹通孔，与贴片式压电换能器(4)的限位孔接触，将贴片式压电换能器(4)悬空固定在套筒(3)内部；
所述关节(2)由两个C型摩擦轮(6)、弹性元件(7)以及第二螺栓(10)组成，C型摩擦轮(6)为开有矩形槽的圆柱结构，且与矩形槽正交方向设置有两个螺纹盲孔，矩形槽宽度与圆柱厚度一致，弹性元件(7)设置在两个矩形槽之间；所述第二螺栓(10)穿过套筒(3)梁上的通孔与关节(2)中一个C型摩擦轮(6)的螺纹盲孔连接，所述关节(2)中的另一个C型摩擦轮(6)与另一节指节(1)连接。
2.如权利要求1所述的深海全开放式机械手指结构，其特征在于：所述C型摩擦轮(6)以第二螺栓(10)为轴转动，每个关节(2)都具有两个自由度，且由与两个自由度相邻的两个贴片式压电换能器(4)分别驱动。
3.如权利要求1所述的深海全开放式机械手指结构，其特征在于：所述压电陶瓷片(4-1)外部由环氧树脂材料绝缘处理。
4.一种深海全开放式机械手指结构的工作方式，其特征在于：包括
激励两片压电陶瓷片(4-1)，使贴片式压电换能器(4)产生时间上具有90°相位差的一阶纵振和一阶弯振，从而使贴片式压电换能器(4)的端部的质点产生微幅的椭圆运动，且两个端部的椭圆运动轨迹相反，通过摩擦作用带动关节绕第二螺栓旋转，实现将两端的指节向相反方向转动，实现开合的动作。
5.如权利要求4所述的深海全开放式机械手指结构的工作方式，其特征在于：相邻两个指节产生的转动方向是正交的。
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