CN109967466B - 一种采用压电振子的内圆柱面机器人及其激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用压电振子的内圆柱面机器人及其激励方法，属于清洁维护器械和压电驱动技术领域。四个预压力调节弹簧分别呈圆周方向对称分布于振子支座内部；四个限位阶梯套筒分别放置于四个预压力调节弹簧的内部，振子驱动体与内圆柱面组件的内壁配合；同侧的连接组件将同侧的限位阶梯套筒、预压力调节弹簧、压电振子组与振子驱动体连接，第一压电振子组和第三压电振子组所在轴线和第二压电振子组和第四压电振子组所在轴线垂直。本发明能够实现高硬度、难擦拭圆柱表面的清洁工作，使得机器人在兼具内圆柱面上清洁功能的同时，又可以在内圆柱面上实现精密驱动和定位操作。

Description

一种采用压电振子的内圆柱面机器人及其激励方法

技术领域

本发明属于清洁维护器械和压电驱动技术领域，特别是涉及一种采用压电振子的内圆柱面机器人及其激励方法。

背景技术

在国防、航空航天及民用工业领域的一些特殊应用场合，需要一类圆柱面的管型工件，其内壁截面为圆形。该类工件的内壁表面在满足具有较高的粗糙度和面形精度要求的前提下，还要满足持续工作过程中内壁表面的清洁度，以达到在实际应用过程中的高精密性、稳定性和可靠性目标。因此，对内圆柱面内的异物不定期的清洁是非常必要的。

目前，具有内圆柱面特征的结构由于其工作空间的限制，使得现有的内圆柱面清洁装置存在功能单一、清洁目标受限等问题。多数清洁装置只能对内圆柱面内的部分杂质进行清扫，很难完成对高硬度、难擦洗表面的清洁工作。同时，已有清洁内圆柱面的装置存在工序复杂、耗时量多及成本较高等缺点。同时在某些特殊且极端的工业应用场合，也需要额外的驱动装置实现特定结构件在内圆柱面的精确定位，因此，提出一种可实现对高硬度、难擦拭表面进行清洁的并且兼具在内圆柱表面进行精确驱动和定位功能的机器人，显得尤为迫切和需要。

发明内容

为解决现有的内圆柱面清洁装置存在的高硬度、难擦洗、表面清洁困难的问题以及现有驱动装置存在的难以在内圆柱面工作空间的精确驱动与定位的技术问题，本发明公开了采用压电振子的内圆柱面机器人及其激励方法。

本发明通过以下技术方案实现：一种采用压电振子的内圆柱面机器人，所述机器人包括振子支座、第一限位阶梯套筒、第二限位阶梯套筒、第三限位阶梯套筒、第四限位阶梯套筒、第一预压力调节弹簧、第二预压力调节弹簧、第三预压力调节弹簧、第四预压力调节弹簧、振子驱动体、第一连接组件、第二连接组件、第三连接组件、第四连接组件、第一压电振子组、第二压电振子组、第三压电振子组、第四压电振子组和内圆柱面组件；

所述第一预压力调节弹簧、第二预压力调节弹簧、第三预压力调节弹簧和第四预压力调节弹簧分别呈圆周方向对称分布于所述振子支座的内部；所述第一限位阶梯套筒放置于所述第一预压力调节弹簧的内部，所述第二限位阶梯套筒放置于所述第二预压力调节弹簧的内部，所述第三限位阶梯套筒放置于所述第三预压力调节弹簧的内部，所述第四限位阶梯套筒放置于第四预压力调节弹簧内部，所述振子驱动体与所述内圆柱面组件的内壁配合；

所述第一连接组件将所述第一限位阶梯套筒、第一预压力调节弹簧、第一压电振子组与振子驱动体连接，所述第二连接组件将所述第二限位阶梯套筒、第二预压力调节弹簧、第二压电振子组与振子驱动体连接，所述第三连接组件将所述第三限位阶梯套筒、第三预压力调节弹簧、第三压电振子组与振子驱动体连接，所述第四连接组件将所述第四限位阶梯套筒、第四预压力调节弹簧、第四压电振子组与振子驱动体连接；

所述第一压电振子组和第三压电振子组同轴，所述第二压电振子组和第四压电振子组同轴；所述第一压电振子组和第三压电振子组所在轴线和所述第二压电振子组和第四压电振子组所在轴线垂直。

进一步的，所述振子支座设置有第一套筒限位圆面、第二套筒限位圆面、第三套筒限位圆面、第四套筒限位圆面、第一套筒限位平面、第二套筒限位平面、第三套筒限位平面、第四套筒限位平面、第一弹簧限位圆面、第二弹簧限位圆面、第三弹簧限位圆面、第四弹簧限位圆面、第一弹簧限位平面、第二弹簧限位平面、第三弹簧限位平面、第四弹簧限位平面、第一支座连接孔、第二支座连接孔、第三支座连接孔、第四支座连接孔和机器人操作安装孔；

所述第一套筒限位圆面、第一套筒限位平面、第一弹簧限位圆面、第一弹簧限位平面和第一支座连接孔同轴且由外至内依次设置，所述第二套筒限位圆面、第二套筒限位平面、第二弹簧限位圆面、第二弹簧限位平面和第二支座连接孔同轴且由外至内依次设置，所述第三套筒限位圆面、第三套筒限位平面、第三弹簧限位圆面、第三弹簧限位平面和第三支座连接孔同轴且由外至内依次设置，第四套筒限位圆面、第四套筒限位平面、第四弹簧限位圆面、第四弹簧限位平面和第四支座连接孔同轴且由外至内依次设置，所述第一套筒限位圆面、第一套筒限位平面、第一弹簧限位圆面、第一弹簧限位平面和第一支座连接孔与所述第三套筒限位圆面、第三套筒限位平面、第三弹簧限位圆面、第三弹簧限位平面和第三支座连接孔同轴设置，所述第二套筒限位圆面、第二套筒限位平面、第二弹簧限位圆面、第二弹簧限位平面和第二支座连接孔与所述第四套筒限位圆面、第四套筒限位平面、第四弹簧限位圆面、第四弹簧限位平面和第四支座连接孔同轴设置，且所述第一套筒限位圆面、第一套筒限位平面、第一弹簧限位圆面、第一弹簧限位平面、第一支座连接孔、第三套筒限位圆面、第三套筒限位平面、第三弹簧限位圆面、第三弹簧限位平面和第三支座连接孔的所在轴线与所述第二套筒限位圆面、第二套筒限位平面、第二弹簧限位圆面、第二弹簧限位平面、第二支座连接孔、所述第四套筒限位圆面、第四套筒限位平面、第四弹簧限位圆面、第四弹簧限位平面和第四支座连接孔的所在轴线相互垂直，所述机器人操作安装孔设置于所述第一支座连接孔、第二支座连接孔、第三支座连接孔和第四支座连接孔的轴线相交处；

所述第一所述支座连接孔、第二支座连接孔、第三支座连接孔、第四支座连接孔分别与所述第一连接组件、第二连接组件、第三连接组件、第四连接组件紧固连接，所述机器人操作安装孔用于与外围杆件结构相连接。

进一步的，所述振子驱动体设置有第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足、第四驱动足、第一柔性铰链组、第二柔性铰链组、第三柔性铰链组、第四柔性铰链组、第一弧形连接梁、第二弧形连接梁、第三弧形连接梁、第四弧形连接梁、第一驱动体通孔、第二驱动体通孔、第三驱动体通孔、第四驱动体通孔；

所述第一柔性铰链组对称布置于所述第一驱动足的两侧，所述第二柔性铰链组对称布置于所述第二驱动足的两侧，所述第三柔性铰链组对称布置于所述第三驱动足的两侧，所述第四柔性铰链组对称布置于所述第四驱动足的两侧；所述第一驱动足通过所述第一柔性铰链组、第一弧形连接梁和第二柔性铰链组与所述第二驱动足柔性连接，所述第二驱动足通过所述第二柔性铰链组、第二弧形连接梁和第三柔性铰链组与所述第三驱动足柔性连接，所述第三驱动足与所述第三柔性铰链组、第三弧形连接梁和第四柔性铰链组与所述第四驱动足固定，所述第四驱动足通过所述第四柔性铰链组、第三弧形连接梁和第一柔性铰链组与所述第一驱动足柔性连接，所述第一驱动体通孔、第二驱动体通孔、第三驱动体通孔和第四驱动体通孔分别设置于所述第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足上。

进一步的，所述第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足的末端质点的空间轨迹为闭合的多边形。

进一步的，所述第一压电振子组、第二压电振子组、第三压电振子组和第四压电振子组的结构尺寸均相同，每个压电振子组均包括纵向压电振子、弯曲压电振子和环形金属隔离体，所述纵向压电振子包括纵向压电陶瓷、纵向激励电极和纵向接地电极，所述弯曲压电振子包括弯曲压电陶瓷、弯曲激励电极和弯曲接地电极；

所述纵向压电振子一端与所述振子驱动体接触固定，所述纵向压电振子的另一端与所述环形金属隔离体接触固定；所述弯曲压电振子的一端与所述第一限位阶梯套筒、第二限位阶梯套筒、第三限位阶梯套筒和第四限位阶梯套筒接触固定，所述弯曲压电振子的另一端与环形金属隔离体接触固定。

进一步的，所述纵向压电陶瓷为环形件，包括单极化区和纵向陶瓷通孔，所述纵向陶瓷通孔设置于所述纵向压电陶瓷的中心，所述单极化区设置于所述压电陶瓷的环形区域；

所述弯曲压电陶瓷为环形件，包括第一极化区、第二极化区、第三极化区、第四极化区、未极化区和弯曲陶瓷通孔，所述弯曲陶瓷通孔设置于所述弯曲压电陶瓷的中心，所述第一极化区、第二极化区、第三极化区、第四极化区分别按四个方向设置于所述弯曲压电陶瓷的环形区域上，所述未极化区设置于相邻的极化区之间；

所述纵向压电陶瓷和弯曲压电陶瓷的截面形状为圆形或正4H边形，其中H为大于等于1的正整数；所述纵向陶瓷通孔和弯曲陶瓷通孔的截面形状为圆形或正4K边形，其中K为大于等于1的正整数。

一种采用压电振子的内圆柱面机器人的激励方法，

设X轴为纵深方向，Y轴为水平方向，Z轴为竖直方向，

实现内圆柱面机器人在进行清洁作业时沿X轴方向平动的激励方法，包括以下步骤：

S11初始时，在预压力的作用下，第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足分别与内圆柱面组件接触，并保持静止状态；

S12对纵向压电振子施加M路交流电压信号，致使第一压电振子组、第二压电振子组、第三压电振子组和第四压电振子组产生伸缩的变形，实现第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足与内圆柱面组件的接触和分离；

S13对弯曲压电振子中的第一极化区和第三极化区施加N路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组、第二压电振子组、第三压电振子组和第四压电振子组沿X轴弯曲，实现第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足在内圆柱面组件表面的运动；通过调节M路和N路交流电压信号的相位差，实现内圆柱面机器人沿X轴方向的运动；

实现内圆柱面机器人在清洁作业时绕X轴转动的激励方法，包括以下步骤：

S21初始时，在预压力的作用下，第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足分别与内圆柱面组件接触，并保持静止状态；

S22对纵向压电振子施加M路交流电压信号，致使第一压电振子组、第二压电振子组、第三压电振子组和第四压电振子组产生伸缩变形，实现第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足与内圆柱面组件的接触和分离；

S23对弯曲压电振子中的第二极化区、第四极化区施加N路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组、第二压电振子组、第三压电振子组和第四压电振子组沿Y轴弯曲，实现第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足在内圆柱表面的转动；通过调节M路和N路交流电压激励信号的相位差，实现内圆柱面机器人绕X轴方向的转动；

实现内圆柱面机器人在清洁作业时绕X轴方向螺旋线运动的激励方法，包括以下步骤：

S31初始时，在预压力的作用下，第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足分别与内圆柱面组件接触，并保持静止状态；

S32对弯曲压电振子中的第一极化区和第三极化区施加M路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组、第二压电振子组、第三压电振子组和第四压电振子组沿X轴弯曲；

S33对弯曲压电振子中的第二极化区、第四极化区施加N路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组、第二压电振子组、第三压电振子组和第四压电振子组沿Y轴弯曲；通过调节M路和N路交流电压激励信号的相位差，实现内圆柱面机器人绕X轴方向的螺旋线运动。

一种采用压电振子的内圆柱面机器人的激励方法，

设X轴为纵深方向，Y轴为水平方向，Z轴为竖直方向，

实现内圆柱面机器人在进行爬行作业时沿X轴正方向直线运动的激励方法，包括以下步骤：

S41初始状态时，在预紧力作用下，第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足均与内圆柱面组件接触；对第一压电振子组和第三压电振子组的纵向压电振子施加正的电压信号伸长，第一驱动足和第三驱动足沿Z轴方向压紧内圆柱面组件的表面；同时，对第二压电振子组和第四压电振子组的纵向压电振子施加负的电压信号缩短，第二驱动足和第四驱动足沿Y轴方向与内圆柱面组件的表面分离；

S42对第二压电振子组和第四压电振子组中弯曲压电振子的第一极化区和第三极化区施加正的电压信号，产生X轴正向弯曲；

S43对第二压电振子组和第四压电振子组中的纵向压电振子施加正的电压信号伸长，第二驱动足和第四驱动足沿Y轴方向与内圆柱面组件的表面压紧；

S44对第一压电振子组和第三压电振子组的纵向压电振子施加负的电压信号缩短，第一驱动足和第三驱动足沿Z轴方向与内圆柱面组件的表面分离；

S45对第二压电振子组和第四压电振子组中弯曲压电振子的第一极化区和第三极化区施加的电压信号由正值变为负值，沿X轴负向运动，返回到初始位置，由于第二驱动足和第四驱动足与内圆柱面组件表面的静摩擦力作用，内圆柱面机器人沿X轴正向移动一步；

S46对第一压电振子组和第三压电振子组的纵向压电振子施加正的电压信号伸长，第一驱动足和第三驱动足沿Z轴方向与内圆柱面组件的表面压紧；

S47判断所述机器人是否沿X轴移动了指定位移，是，则执行步骤S48；否则，返回步骤S41；

S48所述机器人停止移动，

实现内圆柱面机器人在进行爬行作业时沿X轴负方向直线运动的激励方法，包括以下步骤：

S51初始状态时，在预紧力作用下，第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足均与内圆柱面组件接触；对第一压电振子组和第三压电振子组的纵向压电振子施加正的电压信号伸长，第一驱动足和第三驱动足沿Z轴方向压紧内圆柱面组件的表面；同时，对第二压电振子组和第四压电振子组的纵向压电振子施加负的电压信号缩短，第二驱动足和第四驱动足沿Y轴方向与内圆柱面组件的表面分离；

S52对第二压电振子组和第四压电振子组中弯曲压电振子的第一极化区和第三极化区施加负的电压信号，产生X轴负向弯曲；

S53对第二压电振子组和第四压电振子组中的纵向压电振子施加正的电压信号伸长，第二驱动足和第四驱动足沿Y轴方向与内圆柱面组件的表面压紧；

S54对第一压电振子组和第三压电振子组的纵向压电振子施加负的电压信号缩短，第一驱动足和第三驱动足沿Z轴方向与内圆柱面组件的表面分离；

S55对第二压电振子组和第四压电振子组中弯曲压电振子的第一极化区和第三极化区施加的电压信号由负值变为正值，沿X轴正向运动，返回到初始位置，由于第二驱动足和第四驱动足与内圆柱面组件表面的静摩擦力作用，内圆柱面机器人沿X轴负向移动一步；

S56对第一压电振子组和第三压电振子组的纵向压电振子施加正的电压信号伸长，第一驱动足和第三驱动足沿Z轴方向与内圆柱面组件的表面压紧；

S57判断所述机器人是否沿X轴移动了指定位移，是，则执行步骤S58；否则，返回步骤S51；

S58所述机器人停止移动。

本发明的有益效果在于：本发明提供了采用压电振子的内圆柱面机器人及其激励方法，采用的压电振子具有输出力大、响应速度快及无电磁干扰等优点，能够实现高硬度、难擦拭圆柱表面的清洁工作。通过采用不同电压信号进行激励，使得机器人在兼具具有清洁功能的同时，又可以实现精密驱动和定位操作，解决现有装置在内圆柱面工作空间内存在的功能单一、操作困难的问题，具有“一机多能”的技术优势。

附图说明

图1为一种采用压电振子的内圆柱面机器人的结构示意图；

图2为一种采用压电振子的内圆柱面机器人的振子支座结构示意图；

图3为一种采用压电振子的内圆柱面机器人的驱动基体结构示意图；

图4为一种采用压电振子的内圆柱面机器人的驱动基体俯视结构示意图；

图5为一种采用压电振子的内圆柱面机器人的驱动基体主视结构示意图；

图6为一种采用压电振子的内圆柱面机器人的压电振子组结构示意图；

图7为一种采用压电振子的内圆柱面机器人的纵向压电陶瓷结构示意图；

图8为一种采用压电振子的内圆柱面机器人的弯曲压电陶瓷结构示意图；

图9为一种采用压电振子的内圆柱面机器人的电压激励信号示意图；其中，+V为正向电压幅值最大值，-V为负向电压幅值的最大值，T为周期；

图10为一种采用压电振子的内圆柱面机器人的单个压电振子组的驱动足沿着与X轴垂直方向的纵向振动模态振型示意图；

图11为一种采用压电振子的内圆柱面机器人的单个压电振子组的驱动足沿着与X轴平行方向的弯曲振动模态振型示意图；

图12为一种采用压电振子的内圆柱面机器人的单个压电振子组的驱动足沿着与X轴垂直方向的弯曲振动模态振型示意图；

图13为一种采用压电振子的内圆柱面机器人的电压激励信号示意图；其中，+U为正向电压幅值最大值，-U为负向电压幅值的最大值，T为周期；

图14为一种采用压电振子的内圆柱面机器人的沿X轴方向的驱动足运动轨迹示意图。

其中，1为振子支座，1-1为第一套筒限位圆面，1-2为第一套筒限位平面，1-3为第一弹簧限位圆面，1-4为第一弹簧限位平面，1-5为第二套筒限位圆面，1-6为第二套筒限位平面，1-7为第二弹簧限位圆面，1-8为第二弹簧限位平面，1-9为第三套筒限位圆面，1-10为第三套筒限位平面，1-11为第三弹簧限位圆面，1-12为第三弹簧限位平面，1-13为第四套筒限位圆面，1-14为第四套筒限位平面，1-15为第四弹簧限位圆面，1-16为第四弹簧限位平面，1-17为第一支座连接孔，1-18为第二支座连接孔，1-19为第三支座连接孔，1-20为第四支座连接孔，1-21为机器人操作安装孔，2为第一限位阶梯套筒，3为第二限位阶梯套筒，4为第三限位阶梯套筒，5为第四限位阶梯套筒，6为第一预压力调节弹簧，7为第二预压力调节弹簧，8为第三预压力调节弹簧，9为第四预压力调节弹簧，10为振子驱动体，10-1为第一驱动足，10-2为第二驱动足，10-3为第三驱动足，10-4为第四驱动足，10-5为第一柔性铰链组，10-6为第二柔性铰链组，10-7为第三柔性铰链组，10-8为第四柔性铰链组，10-9为第一弧形连接梁，10-10为第二弧形连接梁，10-11为第三弧形连接梁，10-12为第四弧形连接梁，10-13为第一驱动体通孔，10-14为第二驱动体通孔，10-15为第三驱动体通孔，10-16为第四驱动体通孔，11为第一连接组件，12为第二连接组件，13为第三连接组件，14为第四连接组件，15为第一压电振子组，16为第二压电振子组，17为第三压电振子组，18为第四压电振子组，19为内圆柱面组件，200为纵向压电振子，100为纵向压电陶瓷，100-1单极化区，100-2纵向陶瓷通孔，101为纵向激励电极，102为纵向接地电极，300为所述弯曲压电振子，103为弯曲压电陶瓷，103-1为第一极化区，103-2为第二极化区，103-3为第三极化区，103-4为第四极化区，103-5为未极化区，103-6为弯曲陶瓷通孔，104为弯曲激励电极，105为弯曲接地电极，106为环形金属隔离体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照附图1所示，本发明提供了一种采用压电振子的内圆柱面机器人，机器人包括振子支座1、第一限位阶梯套筒2、第二限位阶梯套筒3、第三限位阶梯套筒4、第四限位阶梯套筒5、第一预压力调节弹簧6、第二预压力调节弹簧7、第三预压力调节弹簧8、第四预压力调节弹簧9、振子驱动体10、第一连接组件11、第二连接组件12、第三连接组件13、第四连接组件14、第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17、第四压电振子组18和内圆柱面组件19；

第一预压力调节弹簧6、第二预压力调节弹簧7、第三预压力调节弹簧8和第四预压力调节弹簧9分别呈圆周方向对称分布于振子支座1的内部；第一限位阶梯套筒2放置于第一预压力调节弹簧6的内部，第二限位阶梯套筒3放置于第二预压力调节弹簧7的内部，第三限位阶梯套筒4放置于第三预压力调节弹簧8的内部，第四限位阶梯套筒5放置于第四预压力调节弹簧9内部，振子驱动体10与内圆柱面组件19的内壁配合；

第一连接组件11将第一限位阶梯套筒2、第一预压力调节弹簧6、第一压电振子组15与振子驱动体10连接，第二连接组件12将第二限位阶梯套筒3、第二预压力调节弹簧7、第二压电振子组16与振子驱动体10连接，第三连接组件13将第三限位阶梯套筒4、第三预压力调节弹簧8、第三压电振子组17与振子驱动体10连接，第四连接组件14将第四限位阶梯套筒5、第四预压力调节弹簧9、第四压电振子组18与振子驱动体10连接；

第一压电振子组15和第三压电振子组17同轴，第二压电振子组16和第四压电振子组18同轴；第一压电振子组15和第三压电振子组17所在轴线和第二压电振子组16和第四压电振子组18所在轴线垂直。

具体的，第一限位阶梯套筒2、第二限位阶梯套筒3、第三限位阶梯套筒4和第四限位阶梯套筒5的结构尺寸相同；第一预压力调节弹簧6、第二预压力调节弹簧7、第三预压力调节弹簧8和第四预压力调节弹簧9的结构尺寸相同；第一连接组件11、第二连接组件12、第三连接组件13和第四连接组件14的结构尺寸相同；第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18结构尺寸相同。通过对第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18分别施加不同的交流电压信号，致使振子驱动体10产生不同的动作时序，进而实现内圆柱面机器人不同的运动输出。振子驱动体10的外缘面即是清洁机构，通过内圆柱面机器人不同的动作输出，实现对内圆柱面全方位的清洁。

参照图2所示，在本部分优选实施例中，振子支座1设置有第一套筒限位圆面1-1、第一套筒限位平面1-2、第一弹簧限位圆面1-3、第一弹簧限位平面1-4、第二套筒限位圆面1-5、第二套筒限位平面1-6、第二弹簧限位圆面1-7、第二弹簧限位平面1-8、第三套筒限位圆面1-9、第三套筒限位平面1-10、第三弹簧限位圆面1-11、第三弹簧限位平面1-12、第四套筒限位圆面1-13、第四套筒限位平面1-14、第四弹簧限位圆面1-15、第四弹簧限位平面1-16、第一支座连接孔1-17、第二支座连接孔1-18、第三支座连接孔1-19、第四支座连接孔1-20和机器人操作安装孔1-21；

第一套筒限位圆面1-1、第一套筒限位平面1-2、第一弹簧限位圆面1-3、第一弹簧限位平面1-4和第一支座连接孔1-17同轴且由外至内依次设置，第二套筒限位圆面1-5、第二套筒限位平面1-6、第二弹簧限位圆面1-7、第二弹簧限位平面1-8和第二支座连接孔1-18同轴且由外至内依次设置，第三套筒限位圆面1-9、第三套筒限位平面1-10、第三弹簧限位圆面1-11、第三弹簧限位平面1-12和第三支座连接孔1-19同轴且由外至内依次设置，第四套筒限位圆面1-13、第四套筒限位平面1-14、第四弹簧限位圆面1-15、第四弹簧限位平面1-16和第四支座连接孔1-20同轴且由外至内依次设置，第一套筒限位圆面1-1、第一套筒限位平面1-2、第一弹簧限位圆面1-3、第一弹簧限位平面1-4和第一支座连接孔1-17与第三套筒限位圆面1-9、第三套筒限位平面1-10、第三弹簧限位圆面1-11、第三弹簧限位平面1-12和第三支座连接孔1-19同轴设置，第二套筒限位圆面1-5、第二套筒限位平面1-6、第二弹簧限位圆面1-7、第二弹簧限位平面1-8和第二支座连接孔1-18与第四套筒限位圆面1-13、第四套筒限位平面1-14、第四弹簧限位圆面1-15、第四弹簧限位平面1-16和第四支座连接孔1-20同轴设置，且第一套筒限位圆面1-1、第一套筒限位平面1-2、第一弹簧限位圆面1-3、第一弹簧限位平面1-4、第一支座连接孔1-17、第三套筒限位圆面1-9、第三套筒限位平面1-10、第三弹簧限位圆面1-11、第三弹簧限位平面1-12和第三支座连接孔1-19的所在轴线与第二套筒限位圆面1-5、第二套筒限位平面1-6、第二弹簧限位圆面1-7、第二弹簧限位平面1-8、第二支座连接孔1-18、第四套筒限位圆面1-13、第四套筒限位平面1-14、第四弹簧限位圆面1-15、第四弹簧限位平面1-16和第四支座连接孔1-20的所在轴线相互垂直，机器人操作安装孔1-21设置于第一支座连接孔1-17、第二支座连接孔1-18、第三支座连接孔1-19和第四支座连接孔1-20的轴线相交处；

第一支座连接孔1-17、第二支座连接孔1-18、第三支座连接孔1-19、第四支座连接孔1-20分别与第一连接组件11、第二连接组件12、第三连接组件13、第四连接组件14紧固连接，机器人操作安装孔1-21用于与外围杆件结构相连接。

具体的，第一套筒限位圆面1-1、第二套筒限位圆面1-5、第三套筒限位圆面1-9第四套筒限位圆面1-13尺寸相同，第一套筒限位平面1-2、第二套筒限位平面1-6、第三套筒限位平面1-10和第四套筒限位平面1-14尺寸相同，第一弹簧限位圆面1-3、第二弹簧限位圆面1-7、第三弹簧限位圆面1-11和第四弹簧限位圆面1-15尺寸相同，第一弹簧限位平面1-4、第二弹簧限位平面1-8、第三弹簧限位平面1-12和第四弹簧限位平面1-16尺寸相同，第一支座连接孔1-17、第二支座连接孔1-18、第三支座连接孔1-19和第四支座连接孔1-20尺寸相同，

第一套筒限位圆面1-1、第二套筒限位圆面1-5、第三套筒限位圆面1-9和第四套筒限位圆面1-13分别控制限位第一阶梯套筒2、第二限位阶梯套筒3、第三限位阶梯套筒4和第四限位阶梯套筒5的径向偏转极限位置，防止安装过程中套筒组件发生过度的倾斜，为机器人的总体安装提供便利。第一套筒限位平面1-2、第二套筒限位平面1-6、第三套筒限位平面1-10和第四套筒限位平面1-14分别控制第一限位阶梯套筒2、第二限位阶梯套筒3、第三限位阶梯套筒4和第四限位阶梯套筒5一端面的轴向极限位置，

第一弹簧限位圆面1-3、第二弹簧限位圆面1-7、第三弹簧限位圆面1-11和第四弹簧限位圆面1-15分别约束第一预压力调节弹簧6、第二预压力调节弹簧7、第三预压力调节弹簧8和第四预压力调节弹簧9圆周面的径向自由度，第一弹簧限位平面1-4、第二弹簧限位平面1-8、第三弹簧限位平面1-12和第四弹簧限位平面1-16分别约束第一预压力调节弹簧6、第二预压力调节弹簧7、第三预压力调节弹簧8和第四预压力调节弹簧9一端面的轴向自由度。

第一支座连接孔1-17、第二支座连接孔1-18、第三支座连接孔1-19和第四支座连接孔1-20分别与第一连接组件11、第二连接组件12、第三连接组件13、第四连接组件14进行连接；机器人操作安装孔1-21与外围杆件结构相连接，便于将内圆柱面机器人放置于内圆柱面组件19的指定位置。

参照图3所示，在本部分优选实施例中，振子驱动体10设置有第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3、第四驱动足10-4、第一柔性铰链组10-5、第二柔性铰链组10-6、第三柔性铰链组10-7、第四柔性铰链组10-8、第一弧形连接梁10-9、第二弧形连接梁10-10、第三弧形连接梁10-11、第四弧形连接梁10-12、第一驱动体通孔10-13、第二驱动体通孔10-14、第三驱动体通孔10-15、第四驱动体通孔10-16；

第一柔性铰链组10-5对称布置于第一驱动足10-1的两侧，第二柔性铰链组10-6对称布置于第二驱动足10-2的两侧，第三柔性铰链组10-7对称布置于第三驱动足10-3的两侧，第四柔性铰链组10-8对称布置于第四驱动足10-4的两侧；第一驱动足10-1通过第一柔性铰链组10-5、第一弧形连接梁10-9和第二柔性铰链组10-6与第二驱动足10-2柔性连接，第二驱动足10-2通过第二柔性铰链组10-6、第二弧形连接梁10-10和第三柔性铰链组10-7与第三驱动足10-3柔性连接，第三驱动足10-3与第三柔性铰链组10-7、第三弧形连接梁10-11和第四柔性铰链组10-8与第四驱动足10-4固定，第四驱动足10-4通过第四柔性铰链组10-8、第三弧形连接梁10-12和第一柔性铰链组10-5与第一驱动足10-1柔性连接，第一驱动体通孔10-13、第二驱动体通孔10-14、第三驱动体通孔10-15和第四驱动体通孔10-16分别设置于第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4上。

具体的，上述四个驱动足的结构尺寸相同，四个柔性铰链组的结构尺寸亦相同，振子驱动体10设置四个柔性铰链组的目的是为了降低四个驱动足间的接触刚度，使其处于柔性接触状态。以第一柔性铰链组10-5为例，振子驱动体10的轴向厚度为A，第一柔性铰链组10-5的厚度为C，第一柔性铰链组10-5的半径为R1，第一柔性铰链组10-5的中心到驱动足10-1中心线的距离为D，第一驱动足10-1的轴向高度为H，振子驱动体10的径向厚度为B。其中，第一柔性铰链组10-5的厚度、第一柔性铰链组10-5的半径和振子驱动体10的轴向厚度之间满足的关系为A＝C+2R1；第一柔性铰链组10-5的半径和第一柔性铰链组10-5的中心到第一驱动足10-1中心线的距离满足的关系为D＝2R1；振子驱动体10的轴向厚度和振子驱动体10的轴向厚度满足的关系为A＝1.5B；第一驱动足10-1的轴向高度和第一柔性铰链组10-5的中心到第一驱动足10-1中心线的距离满足的关系为D＝H。

在本部分优选实施例中，第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4的末端质点的空间轨迹为闭合的多边形。

参照图1-图6所示，在本部分优选实施例中，第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18的结构尺寸均相同，每个压电振子组均包括纵向压电振子200、弯曲压电振子300和环形金属隔离体106，纵向压电振子200包括纵向压电陶瓷100、纵向激励电极101和纵向接地电极102，弯曲压电振子300包括弯曲压电陶瓷103、弯曲激励电极104和弯曲接地电极105；

纵向压电振子200一端与振子驱动体10接触固定，纵向压电振子200的另一端与环形金属隔离体106接触固定；弯曲压电振子300的一端与第一限位阶梯套筒2、第二限位阶梯套筒3、第三限位阶梯套筒4和第四限位阶梯套筒5接触固定，弯曲压电振子300的另一端与环形金属隔离体106接触固定。具体的，第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18的结构尺寸均相同，纵向压电振子200包括P片纵向压电陶瓷100、P/2片纵向激励电极101和P/2片纵向接地电极102，弯曲压电振子300包括Q片弯曲压电陶瓷103、Q/2片弯曲激励电极104和Q/2片弯曲接地电极105，其中，P、Q均为大于等于2的正整数。

参照图1-图8所示，在本部分优选实施例中，纵向压电陶瓷100为环形件，包括单极化区100-1和纵向陶瓷通孔100-2，纵向陶瓷通孔100-2设置于纵向压电陶瓷100的中心，单极化区100-1设置于压电陶瓷100的环形区域；

弯曲压电陶瓷103为环形件，包括第一极化区103-1、第二极化区103-2、第三极化区103-3、第四极化区103-4、未极化区103-5和弯曲陶瓷通孔103-6，弯曲陶瓷通孔103-6设置于弯曲压电陶瓷103的中心，第一极化区103-1、第二极化区103-2、第三极化区103-3、第四极化区103-4分别按四个方向设置于弯曲压电陶瓷103的环形区域上，未极化区103-5设置于相邻的极化区之间；

纵向压电陶瓷100和弯曲压电陶瓷103的截面形状为圆形或正4H边形，其中H为大于等于1的正整数；纵向陶瓷通孔100-2和弯曲陶瓷通孔103-6的截面形状为圆形或正4K边形，其中K为大于等于1的正整数。

具体的，纵向压电陶瓷100设置有单极化区100-1和纵向陶瓷通孔100-2，纵向压电陶瓷100的极化方向为沿厚度方向极化，且相邻两片纵向压电陶瓷100的极化方向相反，通过纵向激励电极101对纵向压电陶瓷100施加激励信号时，产生轴向伸缩变形；弯曲压电陶瓷103包括第一极化区103-1、第二极化区103-2、第三极化区103-3、第四极化区103-4、未极化区103-5和弯曲陶瓷通孔103-6；未极化区103-5用于将第一极化区103-1、第二极化区103-2、第三极化区103-3和第四极化区103-4分隔开；第一极化区103-1和第三极化区103-3对角布置，第二极化区103-2和第四极化区103-4对角布置，弯曲压电陶瓷103的极化方向为沿厚度方向极化，其中，第一极化区103-1和第三极化区103-3的极化方向相反，第二极化区103-2和第四极化区103-4的极化方向相反，第一极化区103-1和第二极化区103-2的极化方向相同，且相邻两片弯曲压电陶瓷103的极化方向相反；P片纵向压电陶瓷100中，从一端数第i片纵向压电陶瓷100的极化区和第i+1片纵向压电陶瓷100的极化区设置有纵向激励电极101，第i+1片纵向压电陶瓷100和第i+2片纵向压电陶瓷100之间设置有纵向接地电极102，Q片弯曲压电陶瓷103中，从一端数第j片弯曲压电陶瓷103的极化区和第j+1片弯曲压电陶瓷103的极化区设置有弯曲激励电极104，第j+1片弯曲压电陶瓷103和第j+2片弯曲压电陶瓷103之间设置有弯曲接地电极105，其中，i、j均为大于等于1的奇数。

纵向压电振子200被施加正的电压激励信号时，第一压电振子组15沿Z轴正向伸长，压电振子组17沿Z轴负向伸长，第二压电振子组16沿Y轴正向伸长，第四压电振子组18沿Y轴负向伸长；纵向压电振子200被施加负的电压激励信号时，第一压电振子组15沿Z轴负向收缩，第三压电振子组17沿Z轴正向收缩，第二压电振子组16沿Y轴负向收缩，第四压电振子组18沿Y轴正向收缩；

弯曲压电振子300的第一极化区103-1和第三极化区103-3被施加正的电压激励信号时，第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18均沿X轴负向弯曲，弯曲压电振子300的第一极化区103-1和第三极化区103-3被施加负的电压激励信号时，第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18均沿X轴正向弯曲；

弯曲压电振子300的第二极化区Ⅱ103-2、第四极化区103-4被施加正的电压激励信号时，第一压电振子组15沿Y轴正向弯曲，第三压电振子组17沿Y轴正向弯曲，第二压电振子组16沿Z轴负向弯曲，第四压电振子组18沿Z轴正向弯曲；弯曲压电振子300的第二极化区103-2、第四极化区103-4被施加负的电压激励信号时，第一压电振子组15沿Y轴负向弯曲，第三压电振子组17沿Y轴正向弯曲，第二压电振子组16沿Z轴正向弯曲，第四压电振子组18沿Z轴负向弯曲。

振子驱动体10设置有第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3、第四驱动足10-4，上述四个驱动足末端质点的空间轨迹为任意闭合的多边形。

纵向压电陶瓷100和弯曲压电陶瓷103的截面形状为圆形或正4H边形，其中H为大于等于1的正整数，在本具体实施方式中，纵向压电陶瓷100和弯曲压电陶瓷103的截面形状为圆形。纵向陶瓷通孔100-2和弯曲陶瓷通孔103-6的截面形状为圆形或正4K边形，其中K为大于等于1的正整数，在本具体实施方式中，纵向陶瓷通孔100-2和弯曲陶瓷通孔103-6的截面形状为圆形。

参照图9-图14所示，一种采用压电振子的内圆柱面机器人的激励方法，

设X轴为纵深方向，Y轴为水平方向，Z轴为竖直方向，

实现内圆柱面机器人在进行清洁作业时沿X轴正方向平动的激励方法，包括以下步骤：

S11初始时，在预压力的作用下，第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4分别与内圆柱面组件19接触，并保持静止状态；

S12对纵向压电振子200施加M路交流电压信号，致使第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18产生伸缩的变形，实现第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4与内圆柱面组件19的接触和分离，进而实现接触面间预压力的综合调控；

S13对弯曲压电振子300中的第一极化区103-1和第三极化区103-3施加N路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18沿X轴弯曲，实现第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4在内圆柱面组件19表面的运动；通过调节M路和N路交流电压信号的相位差为90°时，实现内圆柱面机器人沿X轴正方向平动；

实现内圆柱面机器人在进行清洁作业时沿X轴负方向平动的激励方法，包括以下步骤：

S14初始时，在预压力的作用下，第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4分别与内圆柱面组件19接触，并保持静止状态；

S15对纵向压电振子200施加M路交流电压信号，致使第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18产生伸缩的变形，实现第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4与内圆柱面组件19的接触和分离，进而实现接触面间预压力的综合调控；

S16对弯曲压电振子300中的第一极化区103-1和第三极化区103-3施加N路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18沿X轴弯曲，实现第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4在内圆柱面组件19表面的运动；通过调节M路和N路交流电压信号的相位差为270°时，可以实现内圆柱面机器人沿X轴负向平动。

实现内圆柱面机器人在清洁作业时绕X轴顺时针转动的激励方法，包括以下步骤：

S21初始时，在预压力的作用下，第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4分别与内圆柱面组件19接触，并保持静止状态；

S22对纵向压电振子200施加M路交流电压信号，致使第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18产生伸缩变形，实现第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4与内圆柱面组件19的接触和分离；

S23对弯曲压电振子300中的第二极化区103-2、第四极化区103-4施加N路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18沿Y轴弯曲，实现第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4在内圆柱表面的转动；通过调节两路交流电压激励信号的相位差为90°时，可以实现内圆柱面机器人绕X轴方向的顺时针转动。

实现内圆柱面机器人在清洁作业时绕X轴逆时针转动的激励方法，包括以下步骤：

S24初始时，在预压力的作用下，第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4分别与内圆柱面组件19接触，并保持静止状态；

S25对纵向压电振子200施加M路交流电压信号，致使第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18产生伸缩变形，第一实现驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4与内圆柱面组件19的接触和分离；

S26对弯曲压电振子300中的第二极化区103-2、第四极化区103-4施加N路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18沿Y轴弯曲；通过调节两路交流电压激励信号的相位差为270°时，可以实现内圆柱面机器人绕X轴方向的逆时针转动。

实现内圆柱面机器人在清洁作业时绕X轴顺时针方向螺旋线运动的激励方法，包括以下步骤：

S31初始时，在预压力的作用下，第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4分别与内圆柱面组件19接触，并保持静止状态；

S32对弯曲压电振子300中的第一极化区103-1和第三极化区103-3施加M路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18沿X轴弯曲；

S33对弯曲压电振子300中的第二极化区103-2、第四极化区103-4施加N路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18沿Y轴弯曲；通过调节两路交流电压激励信号的相位差为90°时，可以实现内圆柱面机器人绕X轴方向的顺时针螺旋线运动。

实现内圆柱面机器人在清洁作业时绕X轴逆时针方向螺旋线运动的激励方法，包括以下步骤：

S34初始时，在预压力的作用下，第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4分别与内圆柱面组件19接触，并保持静止状态；

S35对弯曲压电振子300中的第一极化区103-1和第三极化区103-3施加M路交流电压信号，致使第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18沿X轴弯曲；

S36对弯曲压电振子300中的第二极化区103-2、第四极化区103-4施加N路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组15、第二压电振子组16、第三压电振子组17和第四压电振子组18沿Y轴弯曲；通过调节两路交流电压激励信号的相位差为270°时，可以实现内圆柱面机器人绕X轴方向的逆时针螺旋线运动。

参照图9-图14所示，一种采用压电振子的内圆柱面机器人的激励方法，

设X轴为纵深方向，Y轴为水平方向，Z轴为竖直方向，

实现内圆柱面机器人在进行爬行作业时沿X轴正方向直线运动的激励方法，包括以下步骤：

S41初始状态时，在预紧力作用下，第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4均与内圆柱面组件19接触；对第一压电振子组15和第三压电振子组17的纵向压电振子200施加正的电压信号伸长，第一驱动足10-1和第三驱动足10-3沿Z轴方向压紧内圆柱面组件19的表面；同时，对第二压电振子组16和第四压电振子组18的纵向压电振子200施加负的电压信号缩短，第二驱动足10-2和第四驱动足10-4沿Y轴方向与内圆柱面组件19的表面分离；

S42对第二压电振子组16和第四压电振子组18中弯曲压电振子300的第一极化区103-1和第三极化区103-3施加正的电压信号，产生X轴正向弯曲；

S43对第二压电振子组16和第四压电振子组18中的纵向压电振子200施加正的电压信号伸长，第二驱动足10-2和第四驱动足10-4沿Y轴方向与内圆柱面组件19的表面压紧；

S44对第一压电振子组15和第三压电振子组17的纵向压电振子200施加负的电压信号缩短，第一驱动足10-1和第三驱动足10-3沿Z轴方向与内圆柱面组件19的表面分离；

S45对第二压电振子组16和第四压电振子组18中弯曲压电振子300的第一极化区103-1和第三极化区103-3施加的电压信号由正值变为负值，沿X轴负向运动，返回到初始位置，由于第二驱动足10-2和第四驱动足10-4与内圆柱面组件19表面的静摩擦力作用，内圆柱面机器人沿X轴正向移动一步；

S46对第一压电振子组15和第三压电振子组17的纵向压电振子200施加正的电压信号伸长，第一驱动足10-1和第三驱动足10-3沿Z轴方向与内圆柱面组件19的表面压紧；

S47判断机器人是否沿X轴移动了指定位移，是，则执行步骤S48；否则，返回步骤S41；

S48机器人停止移动，

实现内圆柱面机器人在进行爬行作业时沿X轴负方向直线运动的激励方法，包括以下步骤：

S51初始状态时，在预紧力作用下，第一驱动足10-1、第二驱动足10-2、第三驱动足10-3和第四驱动足10-4均与内圆柱面组件19接触；对第一压电振子组15和第三压电振子组17的纵向压电振子200施加正的电压信号伸长，第一驱动足10-1和第三驱动足10-3沿Z轴方向压紧内圆柱面组件19的表面；同时，对第二压电振子组16和第四压电振子组18的纵向压电振子200施加负的电压信号缩短，第二驱动足10-2和第四驱动足10-4沿Y轴方向与内圆柱面组件19的表面分离；

S52对第二压电振子组16和第四压电振子组18中弯曲压电振子300的第一极化区103-1和第三极化区103-3施加负的电压信号，产生X轴负向弯曲；

S53对第二压电振子组16和第四压电振子组18中的纵向压电振子200施加正的电压信号伸长，第二驱动足10-2和第四驱动足10-4沿Y轴方向与内圆柱面组件19的表面压紧；

S54对第一压电振子组15和第三压电振子组17的纵向压电振子200施加负的电压信号缩短，第一驱动足10-1和第三驱动足10-3沿Z轴方向与内圆柱面组件19的表面分离；

S55对第二压电振子组16和第四压电振子组18中弯曲压电振子300的第一极化区103-1和第三极化区103-3施加的电压信号由负值变为正值，沿X轴正向运动，返回到初始位置，由于第二驱动足10-2和第四驱动足10-4与内圆柱面组件19表面的静摩擦力作用，内圆柱面机器人沿X轴负向移动一步；

S56对第一压电振子组15和第三压电振子组17的纵向压电振子200施加正的电压信号伸长，第一驱动足10-1和第三驱动足10-3沿Z轴方向与内圆柱面组件19的表面压紧；

S57判断机器人是否沿X轴移动了指定位移，是，则执行步骤S58；否则，返回步骤S51；

S58机器人停止移动。

综上，本发明提供的采用压电振子的内圆柱面机器人及其激励方法，利用压电振子具有输出力大、响应速度快及无电磁干扰等优点，能够实现高硬度、难擦拭圆柱表面的清洁工作。通过采用不同电压信号进行激励，使得机器人在兼具具有清洁功能的同时，又可以实现精密驱动和定位操作，解决现有装置在内圆柱面工作空间内存在的功能单一、操作困难的问题，具有“一机多能”的技术优势，广泛应用于需要精密操作的场合。

Claims (8)

1.一种采用压电振子的内圆柱面机器人，其特征在于，所述机器人包括振子支座(1)、第一限位阶梯套筒(2)、第二限位阶梯套筒(3)、第三限位阶梯套筒(4)、第四限位阶梯套筒(5)、第一预压力调节弹簧(6)、第二预压力调节弹簧(7)、第三预压力调节弹簧(8)、第四预压力调节弹簧(9)、振子驱动体(10)、第一连接组件(11)、第二连接组件(12)、第三连接组件(13)、第四连接组件(14)、第一压电振子组(15)、第二压电振子组(16)、第三压电振子组(17)、第四压电振子组(18)和内圆柱面组件(19)；

所述第一预压力调节弹簧(6)、第二预压力调节弹簧(7)、第三预压力调节弹簧(8)和第四预压力调节弹簧(9)分别呈圆周方向对称分布于所述振子支座(1)的内部；所述第一限位阶梯套筒(2)放置于所述第一预压力调节弹簧(6)的内部，所述第二限位阶梯套筒(3)放置于所述第二预压力调节弹簧(7)的内部，所述第三限位阶梯套筒(4)放置于所述第三预压力调节弹簧(8)的内部，所述第四限位阶梯套筒(5)放置于第四预压力调节弹簧(9)内部，所述振子驱动体(10)与所述内圆柱面组件(19)的内壁配合；

所述第一连接组件(11)将所述第一限位阶梯套筒(2)、第一预压力调节弹簧(6)、第一压电振子组(15)与振子驱动体(10)连接，所述第二连接组件(12)将所述第二限位阶梯套筒(3)、第二预压力调节弹簧(7)、第二压电振子组(16)与振子驱动体(10)连接，所述第三连接组件(13)将所述第三限位阶梯套筒(4)、第三预压力调节弹簧(8)、第三压电振子组(17)与振子驱动体(10)连接，所述第四连接组件(14)将所述第四限位阶梯套筒(5)、第四预压力调节弹簧(9)、第四压电振子组(18)与振子驱动体(10)连接；

所述第一压电振子组(15)和第三压电振子组(17)同轴，所述第二压电振子组(16)和第四压电振子组(18)同轴；所述第一压电振子组(15)和第三压电振子组(17)所在轴线和所述第二压电振子组(16)和第四压电振子组(18)所在轴线垂直。

2.根据权利要求1所述的一种采用压电振子的内圆柱面机器人，其特征在于，所述振子支座(1)设置有第一套筒限位圆面(1-1)、第一套筒限位平面(1-2)、第一弹簧限位圆面(1-3)、第一弹簧限位平面(1-4)、第二套筒限位圆面(1-5)、第二套筒限位平面(1-6)、第二弹簧限位圆面(1-7)、第二弹簧限位平面(1-8)、第三套筒限位圆面(1-9)、第三套筒限位平面(1-10)、第三弹簧限位圆面(1-11)、第三弹簧限位平面(1-12)、第四套筒限位圆面(1-13)、第四套筒限位平面(1-14)、第四弹簧限位圆面(1-15)、第四弹簧限位平面(1-16)、第一支座连接孔(1-17)、第二支座连接孔(1-18)、第三支座连接孔(1-19)、第四支座连接孔(1-20)和机器人操作安装孔(1-21)；

所述第一套筒限位圆面(1-1)、第一套筒限位平面(1-2)、第一弹簧限位圆面(1-3)、第一弹簧限位平面(1-4)和第一支座连接孔(1-17)同轴且由外至内依次设置，所述第二套筒限位圆面(1-5)、第二套筒限位平面(1-6)、第二弹簧限位圆面(1-7)、第二弹簧限位平面(1-8)和第二支座连接孔(1-18)同轴且由外至内依次设置，所述第三套筒限位圆面(1-9)、第三套筒限位平面(1-10)、第三弹簧限位圆面(1-11)、第三弹簧限位平面(1-12)和第三支座连接孔(1-19)同轴且由外至内依次设置，第四套筒限位圆面(1-13)、第四套筒限位平面(1-14)、第四弹簧限位圆面(1-15)、第四弹簧限位平面(1-16)和第四支座连接孔(1-20)同轴且由外至内依次设置，所述第一套筒限位圆面(1-1)、第一套筒限位平面(1-2)、第一弹簧限位圆面(1-3)、第一弹簧限位平面(1-4)和第一支座连接孔(1-17)与所述第三套筒限位圆面(1-9)、第三套筒限位平面(1-10)、第三弹簧限位圆面(1-11)、第三弹簧限位平面(1-12)和第三支座连接孔(1-19)同轴设置，所述第二套筒限位圆面(1-5)、第二套筒限位平面(1-6)、第二弹簧限位圆面(1-7)、第二弹簧限位平面(1-8)和第二支座连接孔(1-18)与所述第四套筒限位圆面(1-13)、第四套筒限位平面(1-14)、第四弹簧限位圆面(1-15)、第四弹簧限位平面(1-16)和第四支座连接孔(1-20)同轴设置，且所述第一套筒限位圆面(1-1)、第一套筒限位平面(1-2)、第一弹簧限位圆面(1-3)、第一弹簧限位平面(1-4)、第一支座连接孔(1-17)、第三套筒限位圆面(1-9)、第三套筒限位平面(1-10)、第三弹簧限位圆面(1-11)、第三弹簧限位平面(1-12)和第三支座连接孔(1-19)的所在轴线与所述第二套筒限位圆面(1-5)、第二套筒限位平面(1-6)、第二弹簧限位圆面(1-7)、第二弹簧限位平面(1-8)、第二支座连接孔(1-18)、所述第四套筒限位圆面(1-13)、第四套筒限位平面(1-14)、第四弹簧限位圆面(1-15)、第四弹簧限位平面(1-16)和第四支座连接孔(1-20)的所在轴线相互垂直，所述机器人操作安装孔(1-21)设置于所述第一支座连接孔(1-17)、第二支座连接孔(1-18)、第三支座连接孔(1-19)和第四支座连接孔(1-20)的轴线相交处；

所述第一支座连接孔(1-17)、第二支座连接孔(1-18)、第三支座连接孔(1-19)、第四支座连接孔(1-20)分别与所述第一连接组件(11)、第二连接组件(12)、第三连接组件(13)、第四连接组件(14)紧固连接，所述机器人操作安装孔(1-21)用于与外围杆件结构相连接。

3.根据权利要求1所述的一种采用压电振子的内圆柱面机器人，其特征在于，所述振子驱动体(10)设置有第一驱动足(10-1)、第二驱动足(10-2)、第三驱动足(10-3)、第四驱动足(10-4)、第一柔性铰链组(10-5)、第二柔性铰链组(10-6)、第三柔性铰链组(10-7)、第四柔性铰链组(10-8)、第一弧形连接梁(10-9)、第二弧形连接梁(10-10)、第三弧形连接梁(10-11)、第四弧形连接梁(10-12)、第一驱动体通孔(10-13)、第二驱动体通孔(10-14)、第三驱动体通孔(10-15)、第四驱动体通孔(10-16)；

所述第一柔性铰链组(10-5)对称布置于所述第一驱动足(10-1)的两侧，所述第二柔性铰链组(10-6)对称布置于所述第二驱动足(10-2)的两侧，所述第三柔性铰链组(10-7)对称布置于所述第三驱动足(10-3)的两侧，所述第四柔性铰链组(10-8)对称布置于所述第四驱动足(10-4)的两侧；所述第一驱动足(10-1)通过所述第一柔性铰链组(10-5)、第一弧形连接梁(10-9)和第二柔性铰链组(10-6)与所述第二驱动足(10-2)柔性连接，所述第二驱动足(10-2)通过所述第二柔性铰链组(10-6)、第二弧形连接梁(10-10)和第三柔性铰链组(10-7)与所述第三驱动足(10-3)柔性连接，所述第三驱动足(10-3)与所述第三柔性铰链组(10-7)、第三弧形连接梁(10-11)和第四柔性铰链组(10-8)与所述第四驱动足(10-4)固定，所述第四驱动足(10-4)通过所述第四柔性铰链组(10-8)、第三弧形连接梁(10-12)和第一柔性铰链组(10-5)与所述第一驱动足(10-1)柔性连接，所述第一驱动体通孔(10-13)、第二驱动体通孔(10-14)、第三驱动体通孔(10-15)和第四驱动体通孔(10-16)分别设置于所述第一驱动足(10-1)、第二驱动足(10-2)、第三驱动足(10-3)和第四驱动足(10-4)上。

4.根据权利要求3所述的一种采用压电振子的内圆柱面机器人，其特征在于，所述第一驱动足(10-1)、第二驱动足(10-2)、第三驱动足(10-3)和第四驱动足(10-4)的末端质点的空间轨迹为闭合的多边形。

5.根据权利要求1所述的一种采用压电振子的内圆柱面机器人，其特征在于，所述第一压电振子组(15)、第二压电振子组(16)、第三压电振子组(17)和第四压电振子组(18)的结构尺寸均相同，每个压电振子组均包括纵向压电振子(200)、弯曲压电振子(300)和环形金属隔离体(106)，所述纵向压电振子(200)包括纵向压电陶瓷(100)、纵向激励电极(101)和纵向接地电极(102)，所述弯曲压电振子(300)包括弯曲压电陶瓷(103)、弯曲激励电极(104)和弯曲接地电极(105)。

6.根据权利要求5所述的一种采用压电振子的内圆柱面机器人，其特征在于，所述纵向压电振子(200)一端与所述振子驱动体(10)接触固定，所述纵向压电振子(200)的另一端与所述环形金属隔离体(106)接触固定；所述弯曲压电振子(300)的一端与所述第一限位阶梯套筒(2)、第二限位阶梯套筒(3)、第三限位阶梯套筒(4)和第四限位阶梯套筒(5)接触固定，所述弯曲压电振子(300)的另一端与环形金属隔离体(106)接触固定，

所述纵向压电陶瓷(100)为环形件，包括单极化区(100-1)和纵向陶瓷通孔(100-2)，所述纵向陶瓷通孔(100-2)设置于所述纵向压电陶瓷(100)的中心，所述单极化区(100-1)设置于所述压电陶瓷(100)的环形区域；

所述弯曲压电陶瓷(103)为环形件，包括第一极化区(103-1)、第二极化区(103-2)、第三极化区(103-3)、第四极化区(103-4)、未极化区(103-5)和弯曲陶瓷通孔(103-6)，所述弯曲陶瓷通孔(103-6)设置于所述弯曲压电陶瓷(103)的中心，所述第一极化区(103-1)、第二极化区(103-2)、第三极化区(103-3)、第四极化区(103-4)分别按四个方向设置于所述弯曲压电陶瓷(103)的环形区域上，所述未极化区(103-5)设置于相邻的极化区之间；

所述纵向压电陶瓷(100)和弯曲压电陶瓷(103)的截面形状为圆形或正4H边形，其中H为大于等于1的正整数；所述纵向陶瓷通孔(100-2)和弯曲陶瓷通孔(103-6)的截面形状为圆形或正4K边形，其中K为大于等于1的正整数。

7.一种采用压电振子的内圆柱面机器人的激励方法，应用于权利要求1-6中任一项所述的一种采用压电振子的内圆柱面机器人，其特征在于，

设X轴为纵深方向，Y轴为水平方向，Z轴为竖直方向，

实现内圆柱面机器人在进行清洁作业时沿X轴方向平动的激励方法，包括以下步骤：

S11初始时，在预压力的作用下，第一驱动足(10-1)、第二驱动足(10-2)、第三驱动足(10-3)和第四驱动足(10-4)分别与内圆柱面组件(19)接触，并保持静止状态；

S12对纵向压电振子(200)施加M路交流电压信号，致使第一压电振子组(15)、第二压电振子组(16)、第三压电振子组(17)和第四压电振子组(18)产生伸缩的变形，实现第一驱动足(10-1)、第二驱动足(10-2)、第三驱动足(10-3)和第四驱动足(10-4)与内圆柱面组件(19)的接触和分离；

S13对弯曲压电振子(300)中的第一极化区(103-1)和第三极化区(103-3)施加N路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组(15)、第二压电振子组(16)、第三压电振子组(17)和第四压电振子组(18)沿X轴弯曲，实现第一驱动足(10-1)、第二驱动足(10-2)、第三驱动足(10-3)和第四驱动足(10-4)在内圆柱面组件(19)表面的运动；通过调节M路和N路交流电压信号的相位差，实现内圆柱面机器人沿X轴方向的运动；

实现内圆柱面机器人在清洁作业时绕X轴转动的激励方法，包括以下步骤：

S21初始时，在预压力的作用下，第一驱动足(10-1)、第二驱动足(10-2)、第三驱动足(10-3)和第四驱动足(10-4)分别与内圆柱面组件(19)接触，并保持静止状态；

S22对纵向压电振子(200)施加M路交流电压信号，致使第一压电振子组(15)、第二压电振子组(16)、第三压电振子组(17)和第四压电振子组(18)产生伸缩变形，实现第一驱动足(10-1)、第二驱动足(10-2)、第三驱动足(10-3)和第四驱动足(10-4)与内圆柱面组件(19)的接触和分离；

S23对弯曲压电振子(300)中的第二极化区(103-2)、第四极化区(103-4)施加N路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组(15)、第二压电振子组(16)、第三压电振子组(17)和第四压电振子组(18)沿Y轴弯曲，实现第一驱动足(10-1)、第二驱动足(10-2)、第三驱动足(10-3)和第四驱动足(10-4)在内圆柱表面的转动；通过调节M路和N路交流电压激励信号的相位差，实现内圆柱面机器人绕X轴方向的转动；

实现内圆柱面机器人在清洁作业时绕X轴方向螺旋线运动的激励方法，包括以下步骤：

S31初始时，在预压力的作用下，第一驱动足(10-1)、第二驱动足(10-2)、第三驱动足(10-3)和第四驱动足(10-4)分别与内圆柱面组件(19)接触，并保持静止状态；

S32对弯曲压电振子(300)中的第一极化区(103-1)和第三极化区(103-3)施加M路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组(15)、第二压电振子组(16)、第三压电振子组(17)和第四压电振子组(18)沿X轴弯曲；

S33对弯曲压电振子(300)中的第二极化区(103-2)、第四极化区(103-4)施加N路具有相位差的交流电压信号，致使第一压电振子组(15)、第二压电振子组(16)、第三压电振子组(17)和第四压电振子组(18)沿Y轴弯曲；通过调节M路和N路交流电压激励信号的相位差，实现内圆柱面机器人绕X轴方向的螺旋线运动。

8.一种采用压电振子的内圆柱面机器人的激励方法，应用于权利要求1-6中任一项所述的一种采用压电振子的内圆柱面机器人，其特征在于，

设X轴为纵深方向，Y轴为水平方向，Z轴为竖直方向，

实现内圆柱面机器人在进行爬行作业时沿X轴正方向直线运动的激励方法，包括以下步骤：

S41初始状态时，在预紧力作用下，第一驱动足(10-1)、第二驱动足(10-2)、第三驱动足(10-3)和第四驱动足(10-4)均与内圆柱面组件(19)接触；对第一压电振子组(15)和第三压电振子组(17)的纵向压电振子(200)施加正的电压信号伸长，第一驱动足(10-1) 和第三驱动足(10-3)沿Z轴方向压紧内圆柱面组件(19)的表面；同时，对第二压电振子组(16)和第四压电振子组(18)的纵向压电振子(200)施加负的电压信号缩短，第二驱动足(10-2)和第四驱动足(10-4)沿Y轴方向与内圆柱面组件(19)的表面分离；

S42对第二压电振子组(16)和第四压电振子组(18)中弯曲压电振子(300)的第一极化区(103-1)和第三极化区(103-3)施加正的电压信号，产生X轴正向弯曲；

S43对第二压电振子组(16)和第四压电振子组(18)中的纵向压电振子(200)施加正的电压信号伸长，第二驱动足(10-2)和第四驱动足(10-4)沿Y轴方向与内圆柱面组件(19)的表面压紧；

S44对第一压电振子组(15)和第三压电振子组(17)的纵向压电振子(200)施加负的电压信号缩短，第一驱动足(10-1)和第三驱动足(10-3)沿Z轴方向与内圆柱面组件(19)的表面分离；

S45对第二压电振子组(16)和第四压电振子组(18)中弯曲压电振子(300)的第一极化区(103-1)和第三极化区(103-3)施加的电压信号由正值变为负值，沿X轴负向运动，返回到初始位置，由于第二驱动足(10-2)和第四驱动足(10-4)与内圆柱面组件(19)表面的静摩擦力作用，内圆柱面机器人沿X轴正向移动一步；

S46对第一压电振子组(15)和第三压电振子组(17)的纵向压电振子(200)施加正的电压信号伸长，第一驱动足(10-1)和第三驱动足(10-3)沿Z轴方向与内圆柱面组件(19)的表面压紧；

S47判断所述机器人是否沿X轴移动了指定位移，是，则执行步骤S48；否则，返回步骤S41；

S48所述机器人停止移动，

实现内圆柱面机器人在进行爬行作业时沿X轴负方向直线运动的激励方法，包括以下步骤：

S51初始状态时，在预紧力作用下，第一驱动足(10-1)、第二驱动足(10-2)、第三驱动足(10-3)和第四驱动足(10-4)均与内圆柱面组件(19)接触；对第一压电振子组(15)和第三压电振子组(17)的纵向压电振子(200)施加正的电压信号伸长，第一驱动足(10-1)和第三驱动足(10-3)沿Z轴方向压紧内圆柱面组件(19)的表面；同时，对第二压电振子组(16)和第四压电振子组(18)的纵向压电振子(200)施加负的电压信号缩短，第二驱动足(10-2)和第四驱动足(10-4)沿Y轴方向与内圆柱面组件(19)的表面分离；

S52对第二压电振子组(16)和第四压电振子组(18)中弯曲压电振子(300)的第一极化区(103-1)和第三极化区(103-3)施加负的电压信号，产生X轴负向弯曲；

S53对第二压电振子组(16)和第四压电振子组(18)中的纵向压电振子(200)施加正的电压信号伸长，第二驱动足(10-2)和第四驱动足(10-4)沿Y轴方向与内圆柱面组件(19)的表面压紧；

S54对第一压电振子组(15)和第三压电振子组(17)的纵向压电振子(200)施加负的电压信号缩短，第一驱动足(10-1)和第三驱动足(10-3)沿Z轴方向与内圆柱面组件(19)的表面分离；

S55对第二压电振子组(16)和第四压电振子组(18)中弯曲压电振子(300)的第一极化区(103-1)和第三极化区(103-3)施加的电压信号由负值变为正值，沿X轴正向运动，返回到初始位置，由于第二驱动足(10-2)和第四驱动足(10-4)与内圆柱面组件(19)表面的静摩擦力作用，内圆柱面机器人沿X轴负向移动一步；

S56对第一压电振子组(15)和第三压电振子组(17)的纵向压电振子(200)施加正的电压信号伸长，第一驱动足(10-1)和第三驱动足(10-3)沿Z轴方向与内圆柱面组件(19)的表面压紧；

S57判断所述机器人是否沿X轴移动了指定位移，是，则执行步骤S58；否则，返回步骤S51；

S58所述机器人停止移动。

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