CN108422441A - 一种基于压电螺杆泵的水下机械臂及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电螺杆泵的水下机械臂及其控制方法，机械臂包括若干关节；关节包含两个变形单元；变形单元包括压电螺杆泵、两个T形弯管和两个皱纹管；压电螺杆泵的两端分别和两个T形弯管的横管相联通，两个T形弯管竖管开口的一端分别和两个皱纹管的一端对应相联通，两个皱纹管的另一端均封闭。压电螺杆泵正向/反向泵输，输出液体的皱纹软管缩短、输入液体的皱纹软管伸长，使变形单元串联而成的弯曲模块形成弯曲变形。对各变形单元泵输量进行调整可实现两个弯曲模块形变控制，形成水下机械臂两个正交方向的运动和定位。对各变形单元泵输设置特定时序可使水下机械臂实现蜿蜒运动，获得推进力。

Description

一种基于压电螺杆泵的水下机械臂及其控制方法

技术领域

本发明涉及压电泵和机器人领域，尤其涉及一种基于压电螺杆泵的水下机械臂及其控制方法。

背景技术

海洋里有很多未知环境和资源需要探索和开发，海洋战略性资源的开发将对人类社会经济的发展起到重要作用。自主水下机器人（AUV）是开发海洋的重要装备。水下机械臂是水下机器人的重要组成部分，其性能决定了水下机器人的作业能力。遗憾的是，绝大部分AUV没有配备机械臂，这使AUV的作业能力大打折扣。

传统的水下机械臂按驱动方式分为液压机械臂和电动机械臂，水下液压机械臂发展比较成熟，但是其体积重量大，液压系统复杂，支持系统庞大，不能应用到自主水下机器人（AUV）上；电动机械臂尚无法满足深海高水压的工作环境，还需在密封、压力补偿方面做深化研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所述涉及到的缺陷，提供一种基于压电螺杆泵的水下机械臂及其控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于压电螺杆泵的水下机械臂，包括若干关节，所述关节包含第一变形单元和第二变形单元；

所述第一变形单元、第二变形单元均包括压电螺杆泵、第一至第二T形弯管、以及第一至第二皱纹管；

所述第一、第二T形弯管均包含竖管和横管，其中，横管垂直于竖管且和竖管的中点处相联通，竖管两端一端封闭、一端开口；

所述压电螺杆泵的两端分别和第一、第二T形弯管的横管相联通，所述第一、第二T形弯管竖管开口的一端分别和所述第一、第二皱纹管的一端对应相联通，所述第一、第二皱纹管的另一端均封闭；

所述第一、第二皱纹管由弹性材料制成，其内盛有液体，当其内液压发生变化时能够相应的伸长或缩短；

所述压电螺杆泵用于将第一皱纹管内的液体泵至第二皱纹管或将第二皱纹管内的液体泵至第一皱纹管；

所述第一变形单元中压电螺杆泵的中点处和所述第二变形单元中压电螺杆泵的中点处固连，使得第一变形单元中压电螺杆泵轴线与第二变形单元中压电螺杆泵轴线垂直；

所述关节第一变形单元中第一、第二T形弯管的封闭端和相邻关节第一变形单元中第一、第二皱纹管的开口端固连，所述关节第二变形单元中第一、第二T形弯管的封闭端和相邻关节第二变形单元中第一、第二皱纹管的开口端固连。

作为本发明一种基于压电螺杆泵的水下机械臂进一步的优化方案，所述压电螺杆泵包含橡胶衬套和压电螺杆；

所述橡胶衬套为中空圆柱，其内壁设有螺纹；

所述压电螺杆包括螺杆、第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片和螺栓；

所述螺杆外壁设有和所述橡胶衬套内壁螺纹相匹配的螺纹，螺杆和橡胶衬套螺纹连接且密封啮合；

所述螺杆沿其中轴线在两端分别开有盲孔和螺纹通孔；所述盲孔、螺纹通孔均和所述所述螺杆同轴，盲孔的半径大于螺纹通孔的半径，且盲孔和螺纹通孔相联通；

所述第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片均呈圆环状；

所述螺杆依次穿过第一垫片、第一压电陶瓷片、第一电极片、第二压电陶瓷片、第二电极片、第三压电陶瓷片、第三电极片、第二垫片后和所述螺纹通孔螺纹连接，将所述第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片固定在所述盲孔内；

所述第一至第四压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，均形成极化分界线为其直径、极化方向相反的两个分区；所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的极化分界线平行，同一侧分区的极化方向相反；所述第二压电陶瓷片和第三压电陶瓷片的极化分界线相互垂直；所述第三压电陶瓷片和第四压电陶瓷片的极化分界线平行，同一侧分区的极化方向相反；

所述第二电极片接地，第一电极片、第三电极片分别接外部激励信号。

作为本发明一种基于压电螺杆泵的水下机械臂进一步的优化方案，所述第一、第二皱纹管中盛有的液体为不可压缩液体。

本发明还公开了一种该基于压电螺杆泵的水下机械臂的控制方法，包含以下过程：

对于各个关节的第一、第二变形单元，通过在第一电极片、第三电极片上分别施加时间相位上相差π/2的正弦信号，使得螺杆产生时间和空间上都具有π/2相位差的两个同形弯振模态，两个模态的耦合使螺杆呈现旋转弯曲振动从而使其与橡胶衬套之间产生沿一个方向螺旋运动的腔体，实现腔体中液体的泵输；通过改变第一电极片、第三电极片上施加的正弦信号的时间相位差的先后顺序，改变液体的泵输方向，实现双向泵输；

各个关节的第一变形单元连接后组成了一个弯曲模块，第二变形单元连接后组成了另一个弯曲模块，对各个关节的第一、第二变形单元泵输量进行调整以实现两个弯曲模块形变控制，形成水下机械臂两个正交方向的运动和定位。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 结构简单，使用方便；

2. 体积重量小，能够自如的在深海高水压下工作。

附图说明

图1是本发明一种基于压电螺杆泵的水下机械臂的结构示意图；

图2是本发明中两个关节的第一变形单元相连后的结构示意图；

图3是本发明中第一变形单元的结构示意图；

图4是本发明中压电螺杆泵的剖面示意图；

图5是本发明中橡胶衬套的剖面示意图；

图6是本发明中压电螺杆的剖面示意图；

图7是本发明中螺杆的剖面示意图；

图8是本发明中第一至第四压电陶瓷片的极化状况和施加电信号示意图；

图9是本发明中T形弯管的剖面示意图；

图10是本发明中第一皱纹管的结构示意图；

图11是本发明中堵头的结构示意图；

图12、图13分别是压电螺杆泵正向、反向泵输时第一变形单元变形的结构示意图；

图14是各个关节中第一变形单元联通后的一种弯曲运动示意图；

图15是各个关节中第一变形单元联通后的另一种弯曲运动示意图；

图16是啮合间隙a~e在螺旋线上的相对位置关系示意图；

图17是液体在压电螺杆泵中被泵输一个螺距的工作原理示意图。

图中，1：关节；2：变形单元；3：压电螺杆泵；3-1：橡胶衬套；3-2：压电螺杆；3-1-1：螺纹；3-2-1：螺杆；3-2-2：圆环垫片；3-2-3：压电陶瓷组：3-2-4：螺栓；3-2-1-1：盲孔；3-2-1-2：螺纹通孔；4：T形弯管；4-1：横管；4-2：竖管；5：皱纹管；6：堵头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明公开了一种基于压电螺杆泵的水下机械臂，包括若干关节，如图1所示。关节包含第一变形单元和第二变形单元，如图1和图2所示。第一变形单元、第二变形单元均包括压电螺杆泵、第一至第二T形弯管、以及第一至第二皱纹管，如图3所示。

压电螺杆泵包含橡胶衬套和压电螺杆，如图4所示。橡胶衬套为中空圆柱，其内壁设有螺纹，如图5所示。压电螺杆包括螺杆、第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片和螺栓；螺杆外壁设有和橡胶衬套内壁螺纹相匹配的螺纹，螺杆和橡胶衬套螺纹连接且密封啮合，如图6所示。螺杆沿其中轴线在两端分别开有盲孔和螺纹通孔；盲孔、螺纹通孔均和螺杆同轴，盲孔的半径大于螺纹通孔的半径，且盲孔和螺纹通孔相联通，如图7所示。

第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片均呈圆环状；螺杆依次穿过第一垫片、第一压电陶瓷片、第一电极片、第二压电陶瓷片、第二电极片、第三压电陶瓷片、第三电极片、第二垫片后和螺纹通孔螺纹连接，将第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片固定在盲孔内，如图6所示。

第一至第四压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，均形成极化分界线为其直径、极化方向相反的两个分区；第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的极化分界线平行，同一侧分区的极化方向相反；第二压电陶瓷片和第三压电陶瓷片的极化分界线相互垂直；第三压电陶瓷片和第四压电陶瓷片的极化分界线平行，同一侧分区的极化方向相反；第二电极片接地，第一电极片、第三电极片分别接外部激励信号，如图8所示。

第一、第二T形弯管均包含竖管和横管，其中，横管垂直于竖管且和竖管的中点处相联通，竖管两端一端封闭、一端开口，如图9所示。

如图10所示，第一、第二皱纹管由弹性材料制成，其内盛有液体，当其内液压发生变化时能够相应的伸长或缩短，如图12、13所示。

压电螺杆泵的两端分别和第一、第二T形弯管的横管相联通，第一、第二T形弯管竖管开口的一端分别和第一、第二皱纹管的一端对应相联通，第一、第二皱纹管的另一端均封闭，如图3所示。

压电螺杆泵用于将第一皱纹管内的液体泵至第二皱纹管或将第二皱纹管内的液体泵至第一皱纹管。

第一变形单元中压电螺杆泵的中点处和第二变形单元中压电螺杆泵的中点处固连，使得第一变形单元中压电螺杆泵轴线与第二变形单元中压电螺杆泵轴线垂直。

关节第一变形单元中第一、第二T形弯管的封闭端和相邻关节第一变形单元中第一、第二皱纹管的开口端固连，关节第二变形单元中第一、第二T形弯管的封闭端和相邻关节第二变形单元中第一、第二皱纹管的开口端固连。

具体实现时，T形弯管横管与压电螺杆泵的橡胶衬套一端的配合可以设计为过盈配合、竖管的通孔与相应皱纹管配合也可以设计为过盈配合，关节中皱纹管的封闭端通过和相邻关节中竖管的封闭端过盈配合来进行封闭，最后一个关节的第一、第二变形单元的皱纹管的封闭端可以用堵头的形式来进行封闭，如图2和图11所示。

压电螺杆泵的控制方法如下：

通过在第一电极片、第三电极片上分别施加时间相位上相差π/2的正弦信号，使得螺杆产生时间和空间上都具有π/2相位差的两个同形弯振模态，两个模态的耦合使螺杆呈现旋转弯曲振动从而使其与橡胶衬套之间产生沿一个方向螺旋运动的腔体，实现腔体中液体的泵输；

通过改变第一电极片、第三电极片上施加的正弦信号的时间相位差的先后顺序，改变液体的泵输方向，实现双向泵输。

各个关节的第一变形单元连接后组成了一个弯曲模块，第二变形单元连接后组成了另一个弯曲模块，机械臂工作时，变形单元中的压电螺杆泵正向/反向泵输，输出液体的皱纹管缩短、输入液体的皱纹管伸长，使两个弯曲模块形成弯曲变形，如图14、15所示。对各变形单元泵输量进行调整可实现两个弯曲模块形变控制，形成水下机械臂两个正交方向的运动和定位。对各变形单元泵输设置特定时序可使水下机械臂实现蜿蜒运动，获得推进力。

通过激励第一至第四压电陶瓷片，压电螺杆产生时间和空间上都具有π/2相位差的两个同形弯振模态，两个模态的耦合使压电螺杆呈现旋转弯曲振动从而使其与橡胶衬套的密封啮合螺纹之间产生沿一个方向螺旋运动的腔体，实现腔体中液体的泵输。以第一至第四压电陶瓷片被激发出一阶弯曲共振模态为例，此时压电螺杆呈现一阶旋转弯曲振动，将压电螺杆无yoz面内弯曲振动、只有xoy面内的弯曲振动且向x轴的负方向弯曲的时刻记为0时刻即t=0,啮合间隙a的体积从零逐渐增至最大、压力降低，液体由进水口进入啮合间隙a中。当t=T/4时，压电螺杆无xoy面内的弯曲振动、只有yoz面内的弯曲振动且向z轴的负方向弯曲，啮合间隙a的体积逐渐减小至零、压力升高，啮合间隙b的体积从零逐渐增至最大、压力降低，啮合间隙a中的液体沿着螺旋槽进入到啮合间隙b中。当t=T/2时，压电螺杆无yoz面内弯曲振动、只有xoy面内的弯曲振动且向x轴的正方向弯曲，啮合间隙b的体积逐渐减小至零、压力升高，啮合间隙c的体积从零逐渐增至最大、压力降低，啮合间隙b中的液体沿着螺旋槽进入到啮合间隙c中。当t=3T/4时，压电螺杆无xoy面内的弯曲振动、只有yoz面内的弯曲振动且向z轴的正方向弯曲，啮合间隙c体积逐渐减小至零、压力升高，啮合间隙d的体积从零逐渐增至最大、压力降低，啮合间隙c中的液体会沿着螺旋槽进入到啮合间隙d中。当t=T时，压电螺杆无yoz面内的弯曲振动、只有xoy面内的弯曲振动且向x轴的负方向弯曲，啮合间隙d的体积逐渐减小至零、压力升高，啮合间隙e的体积从零逐渐增至最大、压力降低，啮合间隙d中的液体沿着螺旋槽进入到啮合间隙e中。这使液体在螺旋槽内移动了一个螺距，如图16和图17所示。随着时间的推移，进水口的液体会被泵输到排水口。

变形单元注入不可压缩液体且皱纹管可变形，机械臂可用于水下环境。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于压电螺杆泵的水下机械臂，包括若干关节，其特征在于，所述关节包含第一变形单元和第二变形单元；

所述第一变形单元、第二变形单元均包括压电螺杆泵、第一至第二T形弯管、以及第一至第二皱纹管；

所述第一、第二T形弯管均包含竖管和横管，其中，横管垂直于竖管且和竖管的中点处相联通，竖管两端一端封闭、一端开口；

所述压电螺杆泵的两端分别和第一、第二T形弯管的横管相联通，所述第一、第二T形弯管竖管开口的一端分别和所述第一、第二皱纹管的一端对应相联通，所述第一、第二皱纹管的另一端均封闭；

所述第一、第二皱纹管由弹性材料制成，其内盛有液体，当其内液压发生变化时能够相应的伸长或缩短；

所述压电螺杆泵用于将第一皱纹管内的液体泵至第二皱纹管或将第二皱纹管内的液体泵至第一皱纹管；

所述第一变形单元中压电螺杆泵的中点处和所述第二变形单元中压电螺杆泵的中点处固连，使得第一变形单元中压电螺杆泵轴线与第二变形单元中压电螺杆泵轴线垂直；

所述关节第一变形单元中第一、第二T形弯管的封闭端和相邻关节第一变形单元中第一、第二皱纹管的开口端固连，所述关节第二变形单元中第一、第二T形弯管的封闭端和相邻关节第二变形单元中第一、第二皱纹管的开口端固连。

2.根据权利要求1所述的基于压电螺杆泵的水下机械臂，其特征在于，所述压电螺杆泵包含橡胶衬套和压电螺杆；

所述橡胶衬套为中空圆柱，其内壁设有螺纹；

所述压电螺杆包括螺杆、第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片和螺栓；

所述螺杆外壁设有和所述橡胶衬套内壁螺纹相匹配的螺纹，螺杆和橡胶衬套螺纹连接且密封啮合；

所述螺杆沿其中轴线在两端分别开有盲孔和螺纹通孔；所述盲孔、螺纹通孔均和所述所述螺杆同轴，盲孔的半径大于螺纹通孔的半径，且盲孔和螺纹通孔相联通；

所述第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片均呈圆环状；

所述螺杆依次穿过第一垫片、第一压电陶瓷片、第一电极片、第二压电陶瓷片、第二电极片、第三压电陶瓷片、第三电极片、第二垫片后和所述螺纹通孔螺纹连接，将所述第一至第二垫片、第一至第四压电陶瓷片、第一至第三电极片固定在所述盲孔内；

所述第一至第四压电陶瓷片均沿其厚度方向极化，均形成极化分界线为其直径、极化方向相反的两个分区；所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的极化分界线平行，同一侧分区的极化方向相反；所述第二压电陶瓷片和第三压电陶瓷片的极化分界线相互垂直；所述第三压电陶瓷片和第四压电陶瓷片的极化分界线平行，同一侧分区的极化方向相反；

所述第二电极片接地，第一电极片、第三电极片分别接外部激励信号。

3.根据权利要求1所述的基于压电螺杆泵的水下机械臂，其特征在于，所述第一、第二皱纹管中盛有的液体为不可压缩液体。

4.基于权利要求2所述的基于压电螺杆泵的水下机械臂的控制方法，其特征在于，包含以下过程：

通过在第一电极片、第三电极片上分别施加时间相位上相差π/2的正弦信号，使得螺杆产生时间和空间上都具有π/2相位差的两个同形弯振模态，两个模态的耦合使螺杆呈现旋转弯曲振动从而使其与橡胶衬套之间产生沿一个方向螺旋运动的腔体，实现腔体中液体的泵输；

通过改变第一电极片、第三电极片上施加的正弦信号的时间相位差的先后顺序，改变液体的泵输方向，实现双向泵输；

对于各个关节的各个关节的第一变形单元连接后组成了一个弯曲模块，第二变形单元连接后组成了另一个弯曲模块，对各个关节的第一、第二变形单元泵输量进行调整以实现两个弯曲模块形变控制，形成水下机械臂两个正交方向的运动和定位。