CN109245605B - 一种二自由度压电驱动机械臂及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二自由度压电驱动机械臂及其驱动方法，机械臂包含若干依次相连的单元臂节；单元臂节包含压电振子、两个转动盘和弹性带；压电振子包含金属基体、和两个压电陶瓷片；弹性带穿过金属基体、两端分别和两个转动盘的销钉固连；两个转动盘通过弹性带弹性变形预紧固定在金属基体两个端面的外侧。单元臂节和相邻单元臂节通过矩形槽相互咬合形成过盈配合、正交连接。工作时，对单元臂节施加具有π/2相位差的驱动信号即可；由于单元臂节和其相邻单元臂节在空间上正交，能够实现正交平面内的二自由度转动。本发明结构简单紧凑、易于实现微型化设计，在深空探测机器人等对体积、质量具有严格限制的领域，具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及压电驱动及机械人领域，尤其涉及一种二自由度压电驱动机械臂及其驱动方法。
背景技术
现有的机械臂将利用传统驱动技术的电磁电机等驱动器置于臂节内，利用运动传输元件如齿轮、带轮等将驱动器的运动传输至驱动关节。由于传统的驱动技术难以提供结构简单紧凑、功率密度高的驱动器，因此必须在臂节内部设置较大的空间用以安装驱动器，难以实现整体的小型化设计，制约了其在深空探测等对质量、体积等有严格要求等领域的进一步应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有机械臂难以实现小型化设计的问题，提出了一种二自由度压电驱动机械臂及其关节驱动方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种二自由度压电驱动机械臂，包含若干依次相连的单元臂节；
所述单元臂节包含压电振子、第一转动盘、第二转动盘和弹性带；
所述压电振子包含金属基体、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；
所述金属基体为空心长方体，包含两个端面以及第一至第四侧面；所述两个端面上均设有供所述弹性带穿过的通孔；第一侧面和第三侧面平行，第二侧面和第四侧面平行；
所述第一侧面、第三侧面的两端均朝外延伸设有驱动足；
所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片分别对应设置在所述第一侧面、第三侧面的外壁上，均沿厚度方向极化，方向指向金属基体内，用于接外部激励信号以激励出压电振子的一阶纵振和一阶弯振模态；
所述第一转动盘、第二转动盘均包含两个圆盘和销钉，所述两个圆盘相互平行、同轴设置；所述销钉的两端分别和两个圆盘的圆心固连；两个圆盘上设有相互平行指向圆心的矩形槽，且两个圆盘内侧的圆周边缘均设有倒角；
所述弹性带设置在金属基体内，其两端从金属基体两个侧面的通孔穿出后分别和第一转动盘的销钉、第二转动盘的销钉固连；
所述第一转动盘、第二转动盘通过所述弹性带弹性变形预紧固定在金属基体两个端面的外侧，第一转动盘、第二转动盘中两个圆盘上的倒角分别和第一侧面、第三侧面两端的驱动足相抵；
所述单元臂节通过其第一转动盘上的两个矩形槽和相邻单元臂节第二转动盘上的两个矩形槽相互咬合形成过盈配合，从而使得单元臂节和相邻单元臂节正交连接。
作为本发明一种二自由度压电驱动机械臂进一步的优化方案，所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均采用二分区矩形压电陶瓷片。
本发明还公开了一种基于该二自由度压电驱动机械臂的驱动方法，包含以下步骤：
通过对单元臂节上的第一、第二压电陶瓷片施加两组特定频率具有π/2相位差的简谐驱动信号，激励出压电振子的一阶纵振和一阶弯振模态，两个模态叠加使得金属单元各个驱动足处质点产生椭圆运动轨迹，通过摩擦作用驱动第一、第二转动盘转动；对单元臂节上的第一、第二压电陶瓷片施加两组特定频率具有-π/2相位差的简谐驱动信号时，则实现第一、第二转动盘反向转动；
由于单元臂节和其相邻单元臂节在空间上正交，通孔驱动单元臂节和其相邻单元臂节能够驱动压电驱动机械臂二自由度转动。
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：
本发明依靠摩擦力直接驱动关节转动，不需要运动传输链，简化结构，结合压电材料质量体积小、功率密度高的优点，实现了机械臂的小型化设计，同时具有压电驱动的快速响应、断电自锁等优点。
附图说明
图1是二自由度压电驱动机械臂的一个实施例的结构示意图；
图2是本发明中单元臂节的结构示意图；
图3是本发明中压电振子的结构示意图；
图4是本发明中转动盘的结构示意图；
图5是本发明中转动盘和弹性带相配合的示意图；
图6是本发明中压电陶瓷片的极化方向和安装示意图；
图7是本发明中施加在压电陶瓷片的电压信号示意图；
图8是本发明中压电振子一阶纵振工作模态示意图；
图9是本发明中压电振子一阶弯振工作模态示意图。
其中，1、第一单元臂节，2、第二单元臂节，3、第三单元臂节，4、压电振子，5、转动盘，6、弹性带，4-1、压电陶瓷片，4-2、金属基体，4-3、驱动足，4-4、通孔，5-1、转动盘，5-2、倒角，5-3、矩形槽，5-4、销钉。
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。
如图1所示，本发明公开了一种二自由度压电驱动机械臂，包含若干依次相连的单元臂节；为了举例说明，以包含三个单元臂节的二自由度压电驱动机械臂为例，包含的三个单元臂节分别为第一单元臂节、第二单元臂节、第三单元臂节。
如图2所示，单元臂节包含压电振子、第一转动盘、第二转动盘和弹性带。压电振子包含金属基体、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；如图3所示，金属基体为空心长方体，包含两个端面以及第一至第四侧面；两个端面上均设有供弹性带穿过的通孔；第一侧面和第三侧面平行，第二侧面和第四侧面平行；第一侧面、第三侧面的两端均朝外延伸设有驱动足；第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片分别对应设置在第一侧面、第三侧面的外壁上，如图6所示，第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均沿厚度方向极化，方向指向金属基体内，用于接外部激励信号以激励出压电振子的一阶纵振和一阶弯振模态。
如图4所示，第一转动盘、第二转动盘均包含两个圆盘和销钉，两个圆盘相互平行、同轴设置；销钉的两端分别和两个圆盘的圆心固连；两个圆盘上设有相互平行指向圆心的矩形槽，且两个圆盘内侧的圆周边缘均设有倒角。
如图5所示，弹性带设置在金属基体内，其两端从金属基体两个侧面的通孔穿出后分别和第一转动盘的销钉、第二转动盘的销钉固连；第一转动盘、第二转动盘通过弹性带弹性变形预紧固定在金属基体两个端面的外侧，第一转动盘、第二转动盘中两个圆盘上的倒角分别和第一侧面、第三侧面两端的驱动足相抵。
单元臂节通过其第一转动盘上的两个矩形槽和相邻单元臂节第二转动盘上的两个矩形槽相互咬合形成过盈配合，从而使得单元臂节和相邻单元臂节正交连接。
第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均采用二分区矩形压电陶瓷片。
通过对单元臂节上的第一、第二压电陶瓷片的不同分区施加具有π/2相位差的简谐驱动信号，如图7所示，将激励出的压电振子的一阶纵振和一阶弯振模态，如图8、图9所示，两个模态叠加可使得的驱动足处质点产生椭圆运动轨迹，通过摩擦作用驱动的转动盘转动；当两组信号的相位差为-π/2时，可实现反向转动。
由于单元臂节和其相邻单元臂节在空间上正交，通孔驱动单元臂节和其相邻单元臂节能够驱动压电驱动机械臂二自由度转动。
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 (2)
1.一种二自由度压电驱动机械臂的驱动方法，所述二自由度压电驱动机械臂包含若干依次相连的单元臂节；
所述单元臂节包含压电振子、第一转动盘、第二转动盘和弹性带；
所述压电振子包含金属基体、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；
所述金属基体为空心长方体，包含两个端面以及第一至第四侧面；所述两个端面上均设有供所述弹性带穿过的通孔；第一侧面和第三侧面平行，第二侧面和第四侧面平行；
所述第一侧面、第三侧面的两端均朝外延伸设有驱动足；
所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片分别对应设置在所述第一侧面、第三侧面的外壁上，均沿厚度方向极化，方向指向金属基体内，用于接外部激励信号以激励出压电振子的一阶纵振和一阶弯振模态；
所述第一转动盘、第二转动盘均包含两个圆盘和销钉，所述两个圆盘相互平行、同轴设置；所述销钉的两端分别和两个圆盘的圆心固连；两个圆盘上设有相互平行指向圆心的矩形槽，且两个圆盘内侧的圆周边缘均设有倒角；
所述弹性带设置在金属基体内，其两端从金属基体两个侧面的通孔穿出后分别和第一转动盘的销钉、第二转动盘的销钉固连；
所述第一转动盘、第二转动盘通过所述弹性带弹性变形预紧固定在金属基体两个端面的外侧，第一转动盘、第二转动盘中两个圆盘上的倒角分别和第一侧面、第三侧面两端的驱动足相抵；
所述单元臂节通过其第一转动盘上的两个矩形槽和相邻单元臂节第二转动盘上的两个矩形槽相互咬合形成过盈配合，从而使得单元臂节和相邻单元臂节正交连接；
其特征在于，所述二自由度压电驱动机械臂的驱动方法包含以下步骤：
通过对单元臂节上的第一、第二压电陶瓷片施加两组特定频率具有π/2相位差的简谐驱动信号，激励出压电振子的一阶纵振和一阶弯振模态，两个模态叠加使得金属单元各个驱动足处质点产生椭圆运动轨迹，通过摩擦作用驱动第一、第二转动盘转动；当对单元臂节上的第一、第二压电陶瓷片施加两组特定频率具有-π/2相位差的简谐驱动信号时，则实现第一、第二转动盘反向转动；
由于单元臂节和其相邻单元臂节在空间上正交，通孔驱动单元臂节和其相邻单元臂节能够驱动压电驱动机械臂二自由度转动。
2.基于权利要求1所述的二自由度压电驱动机械臂的驱动方法，其特征在于，所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均采用二分区矩形压电陶瓷片。
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