CN109514591B - 一种基于球形关节的夹心式压电机械手及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于球形关节的夹心式压电机械手及其控制方法，机械手包括手掌平台与至少两根手指；手指由包括依次连接的第一关节、第一指骨、第二关节和末端指骨组成；第一关节与第二关节结构相同，由包括两个对称安装的两个环形振子，两个环形振子同轴固定于支撑架的上下两侧；在第一关节的上环形振子与第一指骨相连，第二关节的上下环形振子分别与末端指骨、第一指骨相连；环形振子上设有弯振电陶瓷片，通过对弯振电陶瓷片在设定极化方式上加载电信号使环形振子形变以驱动指骨的动作变化。该机械手没有额外的传动链，结构简单紧凑，便于微型化；每个关节具有两个转动自由度，功能灵巧，响应快，精度高，不受电磁干扰影响。

Description

一种基于球形关节的夹心式压电机械手及其控制方法

技术领域

本发明提出的一种基于球形关节的夹心式压电机械手及其工作方式，涉及机械手技术领域。

背景技术

现有的机械手将驱动器置于手掌或者手臂内，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，因此必须在手掌或者手臂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。

此外，传统机械手的驱动器一般利用气动驱动器、液压驱动器或者直流电机作为驱动器，通常单个驱动器只能提供一个自由度的运动，若要设计多自由度的机械手则需要多个驱动器，这同样不利于结构的微型化。

针对现有机械手难以实现小型化设计的问题，本发明提出利用压电激励和摩擦驱动原理构建一种基于球形关节的夹心式压电机械手及其工作方式，关节自身的压电陶瓷片激励振动，依靠摩擦力驱动不需要内置驱动器，同时单个关节可提供两个方向的自由度运动，没有运动传输链，简化结构，结合压电材料质量体积小、功率密度高的优点，可实现小型化设计，而且具有压电驱动的快速响应、断电自锁等优点。

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涉及到的缺陷，提供一种基于球形关节的夹心式压电机械手及其工作方式，该机械手没有额外的传动链，结构简单紧凑，便于微型化；每个关节具有两个转动自由度，功能灵巧，响应快，精度高，不受电磁干扰影响。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于球形关节的夹心式压电机械手，其特征在于，包括手掌平台与至少两根手指；

所述每根手指由第一关节、第一指骨、第二关节和末端指骨组成；

所述第一关节与第二关节结构相同，由第一环形振子、第二环形振子、支撑架以及若干弹簧、螺栓组成；

所述第一环形振子与第二环形振子结构基本相同，由四梁环形金属块、四组弯振压电陶瓷片组、四个配重块以及四个紧固螺栓组成，所述四梁环形金属块的每个梁与配重块之间布置有一组弯振电陶瓷片组，每个紧固螺栓穿过配重块、一组弯振压电陶瓷片组以及四梁环形金属块，并将其紧固在一起组成夹心式结构，所述配重块两边设置有两定位孔结构；

所述支撑架为圆环型金属块，每端设置有四个对称的阶梯凹槽与夹心式环形振子的四梁一一对应，所述阶梯凹槽内设置有与环形振子配重块的定位孔对应的圆形通孔，所述支撑架的两端另设有四个圆形通孔，用于与其他部件连接固定；

所述第一环形振子、第二环形振子安装在所述阶梯槽内，螺栓穿过第一环形振子配重块定位孔、弹性垫圈、支撑架，由螺母预紧在一起，预压力可适当调节；螺栓穿过第二环形振子配重块定位孔、支撑，由螺母紧固；

所述第一指骨为两端设置有球形结构的金属长杆，所述球形结构以球铰的形式分别嵌套在第一关节和第二关节的第一环形振子和第二环形振子之间，第一环形振子、第二环形振子与球形结构之间的预压力可通过弹性垫圈调节；

所述手掌平台与每根手指第一关节的支撑架通过螺栓固定在一起；

所述末端指骨为类圆锥形结构，根部与第二关节的支撑架通过螺栓固定在一起；

所述弯振压电陶瓷片组由两片二分区陶瓷片组成，二分区压电陶瓷片沿厚度方向极化，每组弯振压电陶瓷片组的压电陶瓷片极化方向布置相反，所述第一环形振子的每支梁上的压电陶瓷片的布置方式相同，每对压电陶瓷片的极化方向布置相反；所述第二环形振子每一条线上两支梁上的弯振压电陶瓷片的布置方式相反。

当激励所述第一关节第一环形振子的一条线上一对梁上的弯振压电陶瓷片组时，使该对梁每支梁均产生局部同相的一阶弯振，诱发出第一环形振子整体的对称弯曲模态，同时激励第二振子的一条线上一对梁上的弯振压电陶瓷片组，使该对梁产生局部反相的一阶弯振，诱发出第二环形振子整体的反对称弯曲模态，两圆环振子内部的驻波波峰与所述第一指骨的球形末端相接触，在摩擦力的作用下对球形末端产生转动力矩，从而实现第一个自由度的旋转运动；第二个自由度旋转运动原理与之前相同，只需同时激励所述第一关节第一环形振子、第二环形振子的另外一条正交线上的一对梁的弯振压电陶瓷片组，可实现第二个与之前方向正交的旋转运动；

所述第二关节的两个自由度运动原理与第一关节相同，区别在于单独对所述第二关节的两个环形振子施加激励时，由于所述第一指骨的一端与第一关节摩擦自锁无法转动，第二关节会在驱动力的反作用力下自身绕第一指骨的另一球形末端旋转运动。

本发明采用以上技术方案与现有技术对比，具有以下技术效果：

1、没有额外的传动链，结构简单紧凑，便于微型化；

2、每个关节具有两个转动自由度，功能灵巧，响应快，精度高，不受电磁干扰影响。

3、环形振子采用夹心式结构，压电陶瓷片工作在厚度效应模式下，输出效应比贴片式更高。

附图说明

图1是本发明一种基于球形关节的夹心式压电机械手的结构示意图；

图2是本发明中的手指结构示意图；

图3是本发明中的关节结构爆炸示意图；

图4是本发明中的环形振子结构爆炸示意图；

图5是本发明中的支撑架结构示意图；

图6是本发明中的第一指骨结构示意图；

图7是本发明中的末端指骨结构示意图；

图8是本发明中的第一环形振子中的压电陶瓷片组的极化方式及信号施加方法；

图9是本发明中的第二环形振子中的压电陶瓷片组的极化方式及信号施加方式；

图10是本发明中的第一环形振子对称振动变形图；

图11是本发明中的第二环形振子反对称振动变形图；

其中，1-手掌平台，2-手指；3-第一关节；4-第一指骨；5-第二关节；6-末端指骨；7-螺栓；8-第一环形振子；9-弹性垫圈；10-支撑架；11-螺母；12-第二环形振子；13-配重块；14-弯振压电陶瓷片组；15-四梁环形金属块。

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：

如图1所示为，本发明公开了一种基于球形关节的夹心式压电机械手，包括手掌平台1与至少两根手指2。

如图2所示，每根手指由第一关节3、第一指骨4、第二关节5和末端指骨6组成；每根手指的第一关节3与手掌平台1通过螺栓固定连接在一起。

如图3所示，所述第一关节3、第二关节5均由第一环形振子8、第二环形振子12、支撑架10以及若干螺栓、弹性垫圈、螺母组成，所述第一环形振子、第二环形振子安装在所述阶梯槽内，螺栓穿过第一环形振子配重块定位孔、弹性垫圈、支撑架，由螺母预紧在一起，预压力可适当调节；螺栓穿过第二环形振子配重块定位孔、支撑，由螺母紧固。

如图4所示，所述第一环形振子8与第二环形振子结构12相同，由四梁环形金属块15、四组弯振压电陶瓷片组14、四个配重块13以及四个紧固螺栓组成，所述四梁环形金属块15的每个梁与配重块13之间布置有一组弯振电陶瓷片组14，每个紧固螺栓穿过配重块13、一组弯振压电陶瓷片组14以及四梁环形金属块15，并将其紧固在一起组成夹心式结构，所述配重块两边设置有两定位孔结构。

如图5所示，所述支撑架为圆环型金属块，每端设置有四个对称的阶梯凹槽与夹心式环形振子的四梁一一对应，所述阶梯凹槽内设置有与环形振子配重块的定位孔对应的圆形通孔，所述支撑架的两端另设有四个圆形通孔，用于与其他部件连接固定。

如图6所示，所述第一指骨为两端设置有球形结构的金属长杆，两球形结构与金属长杆通过螺纹配合紧固在一起，所述其末端球形结构以球铰的形式分别嵌套在第一关节和第二关节的第一环形振子和第二环形振子之间。

如图7所示，所述末端指骨为类圆锥形结构金属长杆，根部与第二关节的支撑架通过螺栓固定在一起。

如图8、9所示，第一环形振子和第二压电环形振子的压电陶瓷片极化方式及电信号可按图中方式施加，可分别激发出第一环形振子对称弯曲振动模式、第二环形振子反对称弯曲振动模式，如图10、11所示。

结合上述压电陶瓷片的施加方式，一种基于球形关节的夹心式压电机械手的工作方式，具体如下：

当激励所述第一关节第一环形振子的一条线上一对梁上的弯振压电陶瓷片组时，使该对梁每支梁均产生局部同相的一阶弯振，诱发出第一环形振子整体的对称弯曲模态，同时激励第二振子的一条线上一对梁上的弯振压电陶瓷片组，使该对梁产生局部反相的一阶弯振，诱发出第二环形振子整体的反对称弯曲模态，两圆环振子内部的驻波波峰与所述第一指骨的球形末端相接触，在摩擦力的作用下对球形末端产生转动力矩，从而实现第一个自由度的旋转运动；第二个自由度旋转运动原理与之前相同，只需同时激励所述第一关节第一环形振子、第二环形振子的另外一条正交线上的一对梁的弯振压电陶瓷片组，可实现第二个与之前方向正交的旋转运动；

所述第二关节的两个自由度运动原理与第一关节相同，区别在于单独对所述第二关节的两个环形振子施加激励时，由于所述第一指骨的一端与第一关节摩擦自锁无法转动，第二关节会在驱动力的反作用力下自身绕第一指骨的另一球形末端旋转运动。

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（包含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 (5)

1.一种基于球形关节的夹心式压电机械手，其特征在于，所述机械手包括手掌平台与至少两根手指；

所述手指包括依次连接的第一关节、第一指骨、第二关节和末端指骨；

所述第一关节与第二关节结构相同，包括两个对称安装的两个环形振子，两个环形振子同轴固定于支撑架的上下两侧；

在所述第一关节的上环形振子与第一指骨相连，所述第二关节的上下环形振子分别与末端指骨、第一指骨相连；

所述环形振子上设有弯振电陶瓷片，通过对所述弯振电陶瓷片在设定极化方式上加载电信号使环形振子形变以驱动指骨的动作变化；

所述手掌平台与每根手指第一关节的支撑架通过螺栓固定在一起；

所述末端指骨为类圆锥形结构，根部与第二关节的支撑架通过螺栓固定在一起；

所述环形振子由四梁环形金属块、弯振压电陶瓷片组、配重块以及紧固螺栓组成；所述四梁环形金属块的圆周上设有两对以环形中心点对称的梁，两对梁为正交结构，每个梁末端安装有配重块，在所述金属块与配重块之间布置有一组弯振电陶瓷片组，每个紧固螺栓穿过配重块、一组弯振压电陶瓷片组以及四梁环形金属块，并将其紧固在一起组成夹心式结构，所述配重块两边设置有两定位孔结构；

所述支撑架为圆环型金属块，上下端各设置有四个对称的阶梯凹槽分别与上下环形振子的四梁一一对应；所述阶梯凹槽内设置有与环形振子配重块的定位孔对应的圆形通孔，所述支撑架的两端另设有四个圆形通孔，用于与其他部件连接固定；

称上下环形振子分别为第一环形振子和第二环形振子，第一环形振子、第二环形振子安装在所述阶梯凹槽内，对应的，第一螺栓在垂直方向上依次穿过第一环形振子配重块定位孔、弹性垫圈、支撑架，由第一螺母预紧在一起，预压力可调节；第二螺栓在垂直方向上穿过第二环形振子配重块定位孔、支撑架，由第二螺母紧固。

2.根据权利要求1所述的一种基于球形关节的夹心式压电机械手，其特征在于，所述第一指骨为两端设置有球形结构的金属长杆，所述球形结构以球铰的形式分别嵌套在第一关节中的第一环形振子和第二关节中的第二环形振子之间，两个二环形振子与球形结构之间的预压力可通过弹性垫圈调节。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于球形关节的夹心式压电机械手，其特征在于，所述弯振压电陶瓷片组由两片二分区陶瓷片组成，二分区压电陶瓷片沿厚度方向极化，每组弯振压电陶瓷片组的压电陶瓷片极化方向布置相反；所述第一环形振子的每支梁上的压电陶瓷片的布置方式相同，每对压电陶瓷片的极化方向布置相反；所述第二环形振子每一条线上两支梁上的弯振压电陶瓷片的布置方式相反。

4.根据权利要求1所述的一种基于球形关节的夹心式压电机械手的控制方法，其特征在于，当激励所述第一关节第一环形振子的一条线上一对梁上的弯振压电陶瓷片组时，使该对梁每支梁均产生局部同相的一阶弯振，诱发出第一环形振子整体的对称弯曲模态，同时激励同一关节第二环形振子相对应的一条线上一对梁上的弯振压电陶瓷片组，使该对梁产生局部反相的一阶弯振，诱发出第二环形振子整体的反对称弯曲模态，两环形振子内部的驻波波峰与所述第一指骨的球形末端相接触，在摩擦力的作用下对球形末端产生转动力矩，从而实现第一个自由度的旋转运动；

第二个自由度旋转运动原理与之前相同，同时激励所述第一关节第一环形振子、第二环形振子的另外一条正交线上的一对梁的弯振压电陶瓷片组，实现第二个与之前方向正交的旋转运动；

所述第二关节的两个自由度运动控制方法与第一关节相同。

5.根据权利要求4所述的一种基于球形关节的夹心式压电机械手的控制方法，其特征在于，单独对所述第二关节的两个环形振子施加激励时，由于所述第一指骨的一端与第一关节摩擦自锁无法转动，第二关节在驱动力的反作用力下自身绕第一指骨的另一球形末端旋转运动。