CN109514594A - 一种基于球形关节的压电机械手及其控制方法 - Google Patents

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杨颖�
陈海乾
金家楣
王平
王一平
洪鑫
邱建敏
李秀秀
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Abstract

本发明公开了一种基于球形关节的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，每根手指由第一关节、第一指骨、第二关节和末端指骨组成；手掌平台上设置有与手指对应的固定孔；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；所述第一指骨为两端设置有球形结构的长杆，所述两端的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两个环形振子之中，与环形振子的内圈紧密接触。通过施加特定的激励信号，可使第一指骨绕第一关节沿两个自由度旋转，或者使第二关节带动第二指骨绕第一指骨的球形末端沿两个自由度旋转。本发明结构简单紧凑，无须额外传动机构，便于微型化。

Description

一种基于球形关节的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压电机械手及其工作方式，涉及机械手领域。
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压电机械手，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相同，由四梁环形金属块和八片压电陶瓷片组成，每个梁的上下面上各粘贴有一片压电陶瓷片，每个梁的最外端设置有圆形通孔；
所述支撑架为圆环型金属块，每端设置有四个对称的矩形凹槽与四梁环形金属块的梁一一对应，所述矩形凹槽内设置有圆形通孔，所述支撑架的两端另设有四个圆形通孔；
所述第一环形振子、第二环形振子安装在所述矩形槽内，四组螺栓分别穿过所述第一环形振子、支撑架、第二环形振子、弹簧，由螺母预紧；
所述第一指骨为两端设置有球形结构的金属长杆，球形结构与金属长杆通过螺纹配合连接一起，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；
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；
所述的一种基于球形关节的压电机械手的每个关节具有两个旋转自由度，所述第一关节可以驱动第一指骨的球形末端实现两个自由度的旋转，所述第二关节可以驱动自身实现两个自由度的旋转，使其绕第一指骨球形末端的两个特定轴线旋转。
一种基于球形关节的压电机械手的工作方式，其特征在于，当激励所述第一关节第一环形振子的一对相对的梁上的四片压电陶瓷片时，同时激励第二振子的八片压电陶瓷片，使两振子分别产生超声驻波振动，所述第一环形振子处于B11振动模式，所述第二环形振子处于B12振动模式，两振子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；若激励所述第一关节第一环形振子的另外一对相对的梁上的四片压电陶瓷片时，同时激励第二振子的八片压电陶瓷片，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。
附图说明
图1是本发明一种基于球形关节的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是本发明中的第一关节剖面示意图；
图4是本发明中的四梁环形金属块结构示意图；
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B11模式振型图；
图11是本发明中的第二环形振子B12模式振型图；
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-第二环形振子；8-支撑架；9-第一环形振子；10-第一螺栓；11-压电陶瓷片；12-第二螺栓；13-弹簧；14-螺母。
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通过第一螺栓10固定连接在一起。
如图3所示，所述第一关节3与第二关节5结构相同，由第一环形振子9、第二环形振子7、支撑架8以及若干弹簧13、螺栓12、螺母14组成。
如图4所示，所述第一环形振子9与第二环形振子结构7相同，由四梁环形金属块和八片压电陶瓷片11组成，每个梁的上下面上各粘贴有一片压电陶瓷片11，每个梁的最外端设置有圆形通孔。
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矩形凹槽与四梁环形金属块的梁一一对应，所述矩形凹槽内设置有圆形通孔，所述支撑架的两端另设有四个圆形通孔；所述第一环形振子、第二环形振子安装在所述矩形槽内，四组螺栓分别穿过所述第一环形振子、支撑架、第二环形振子、弹簧，由螺母预紧。
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，球形结构与金属长杆通过螺纹配合连接一起，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B11振动模式、第二环形振子B12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XOZ平面的梁上的四片压电陶瓷片时，同时激励第二振子的八片压电陶瓷片，使两振子分别产生超声驻波振动，所述第一环形振子处于B11振动模式，所述第二环形振子处于B12振动模式，两振子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，从而实现绕Y轴的旋转运动；若激励所述第一关节第一环形振子的YOZ平面的两个梁上的四片压电陶瓷片时，同时激励第二振子的八片压电陶瓷片，可实现绕X轴的旋转运动；
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，同理可绕X轴或Y轴转动。
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，所述环形振子由四梁环形金属块和压电陶瓷片组成，每个梁的上下面上各粘贴有一片压电陶瓷片，通过对所述压电陶瓷片在设定极化方式上加载电信号是环形振子形变以驱动指骨的动作变化；
所述第一关节与第二关节中的支撑架与第一指骨两端的连接端相连，所述连接端为球形，所述连接端嵌套关节内。
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，所述支撑架为圆环型金属块，每端设置有四个对称的矩形凹槽与四梁环形金属块的梁一一对应，所述矩形凹槽内设置有通孔，与所述环形振子的梁相对应，用于固定所述环形振子；
螺栓穿过所述第一环形振子、支撑架、第二环形振子、弹簧，由螺母预紧；
所述支撑架凹槽圆孔用于固定上下两个环形振子，支撑架端面圆孔用于固定末端指骨。
3.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，所述连接端为球形结构，所述球形结构与金属长杆通过螺纹配合连接一起，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；
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。
4.根据权利要求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，所述四梁环形金属块为环形结构，在环形结构的外圆周设有两两垂直的梁，所述梁向环形结构外部凸起，梁的上下两面均设有压电陶瓷片。
5.一种基于球形关节的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对相对的梁上的四片压电陶瓷片时，同时激励第二振子的八片压电陶瓷片，使两振子分别产生超声驻波振动，所述第一环形振子处于B11振动模式，所述第二环形振子处于B12振动模式，两振子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；
激励所述第一关节第一环形振子的另外一对相对的梁上的四片压电陶瓷片时，同时激励第二振子的八片压电陶瓷片，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。
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