CN110238873A - 一种正交式压电关节机构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正交式压电关节机构及其控制方法，单定子正交双环二自由度压电作动器包括压电振子、圆锥转子和连接组件，压电振子包括两个第一金属基体、一个第三金属基体、两个第二金属基体，第二金属基体与第三金属基体之间设有一个纵振压电陶瓷片，第一金属基体与第二金属基体之间设有一个弯振压电陶瓷片，相邻两个单定子正交双环二自由度压电作动器相接端的两个连接轴正交且通过正交连接组件连接。本发明采用单定子正交双环结构，可以使得单个压电作动器实现二自由度转动；依靠摩擦力直接驱动关节转动，结合压电材料体积小、功率密度高的优点，实现了整体结构的微型化设计，同时发挥了压电驱动的响应迅速、断电自锁等优点。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术，具体涉及机械臂。
背景技术
现有的机械臂多数采用传统的驱动技术，将电磁电机等驱动器置于关节处，利用运动传输元件如齿轮、带轮等将驱动器的运动传输到驱动关节。如若实现多自由度运动，则必须增加驱动器的数量。以上传统的驱动技术使得整个机械臂体积庞大，功率密度低，很难实现整体的小型化，制约了其在深空、深海探索、医疗等对质量体积等有严格要求领域的进一步应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种正交式压电关节机构，不仅结构紧凑可微型化，而且可以发挥压电驱动响应迅速、断电自锁的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种正交式压电关节机构，包括至少两个依次相连的单定子正交双环二自由度压电作动器，所述单定子正交双环二自由度压电作动器包括压电振子、圆锥转子和连接组件，所述压电振子包括位于压电振子两端的两个第一金属基体、位于压电振子中间的一个第三金属基体、位于第三金属基体两侧的两个第二金属基体，所述第二金属基体与第三金属基体之间设有一个纵振压电陶瓷片，所述第一金属基体与第二金属基体之间设有一个弯振压电陶瓷片，所述第一金属基体的头端设有圆环部，两个圆锥转子分别通过圆锥面夹持于圆环部的两侧，所述圆锥转子具有中心通孔，所述连接组件包括连接轴和正交连接器，所述连接轴的中部与两个圆锥转子的中心通孔固定连接，压电振子两端的两个第一金属基体的圆环部轴线正交，相邻两个单定子正交双环二自由度压电作动器相接端的两个连接轴正交且通过正交连接器连接，第一金属基体、第二金属基体和第三金属基体均接地，纵振压电陶瓷片和弯振压电陶瓷片分别接外部驱动信号。
可选的，所述正交连接器包括四个长连接件，所述长连接件包括相互垂直的头部和尾部且头部和尾部之间通过矩形拉伸体连接，四个长连接件的尾部呈十字型交叉分布并通过连接块固定在一起，相邻两个长连接件头部延伸方向相反，所述头部为圆环结构，圆环结构内孔用于穿过连接轴，连接轴的两端连接紧固件。
可选的，所述尾部为凸字型且设有平面通孔，四个长连接件的尾部拼合形成一个平面，所述连接块设有螺纹轴，螺纹轴穿过平面通孔并连接螺母。
可选的，圆锥转子呈空心圆台状，且直径较小端的中心开设圆台中心孔，圆台中心孔开有键槽，连接轴连接有与键槽配合的键。
可选的，所述圆锥转子在较大端端面中心设有沉孔，所述紧固件包括位于沉孔内的硅胶环、金属垫片以及卡环，连接轴端部穿过硅胶环、长连接件头部、金属垫片且卡环进行轴向限位，沉孔侧壁设有与连接件矩形拉伸体配合的限位槽。
可选的，所述第三金属基体包括中间的圆柱部和两端的螺纹轴部，所述纵振压电陶瓷片、第二金属基体、弯振压电陶瓷片为圆柱状且中心设有与螺纹轴部配合的螺纹孔。
可选的，所述第一金属基体还包括连接部和连接圆环部与连接部的渐变部，连接部为圆柱结构且端面攻有与螺纹轴部连接的螺纹孔，渐变部为变截面结构，截面为圆，渐变部横截面小的一端与圆环部外壁固连，横截面大的一端与连接部固连。
可选的，所述弯振压电陶瓷片采用二分区极化环形压电陶瓷片，所述纵振压电陶瓷片采用单区极化环形压电陶瓷片，且外壁均做绝缘处理。
可选的，所述压电振子两端弯振压电陶瓷片应采用按极化分区线正交布置，且弯振压电陶瓷片极化分区线应与金属基体圆环部的中性面垂直。
一种正交式压电关节机构控制方法，包括如下步骤：对于每个单定子正交双环二自由度压电作动器，通过对一侧弯振压电陶瓷片和纵振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二阶弯振模态，两个模态同型，且在时间上和空间上都具有π/2的相位差，通过两个模态的耦合形成旋转行波，使得压电振子的圆环结构内侧质点产生微幅椭圆运动，通过摩擦作用驱动圆锥转子和连接组件转动，进而驱动该正交式压电关节运动。
本发明采用上述技术方案，具有如下有益效果：
1、本发明采用的是单定子正交双环结构，可以使得单个压电作动器实现二自由度转动，从而解决了传统驱动中单电机单自由度的弊端；
2、本发明依靠摩擦力直接驱动关节转动，不需要任何运动传输链，简化结构，结合压电材料体积小、功率密度高的优点，实现了整体结构的微型化设计，同时发挥了压电驱动的响应迅速、断电自锁等优点。
3、本发明采用了新颖的压电驱动，摒弃了传统的电磁驱动，使得本发明可应用在深海、核磁共振等传统电磁驱动无法工作的场合。
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1是一种正交式压电关节结构示意图；
图2是单定子正交双环二自由度压电作动器结构示意图；
图3是压电振子分解结构示意图；
图4是圆锥转子和连接组件分解结构示意图；
图5是压电驱动器圆环部分装配示意图；
图6是连接轴结构示意图；
图7是圆锥形转子结构示意图；
图8是长连接件组装结构示意图；
图9是菱形连接块结构示意图；
图10是压电陶瓷片极化示意图；
图11是压电振子结构及信号施加示意图；
图12是压电振子振动模态及质点椭圆运动示意图；
图中：1、第一压电作动器；2、第一组长连接件；2-1、第一长连接件；2-2、第二长连接件；3、第二组长连接件；3-1、第三长连接件；3-2、第四长连接件；4、连接块；4-1、螺纹轴；5、第二压电作动器；6-1、第一金属基体；6-2、第二金属基体；6-3、第三金属基体；7-1、弯振压电陶瓷片；7-2、纵振压电陶瓷片；8、圆锥形转子；8-1、锥形面；8-2、圆台中心孔；8-3、键槽；8-4、沉孔；8-5、限位槽；9、连接轴；9-1、键；9-2、圆环槽；10、硅胶环；11、金属垫圈；12、E型卡环。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，一种正交式压电关节机构，包含若干个依次相连的单定子正交双环二自由度压电作动器；为了举例说明，以包含两个压电作动器的正交式压电关节机构为例，包含的两个压电作动器分别为第一压电作动器1、第二压电作动器5。
如图2所示，所述单定子正交双环二自由度压电作动器包含压电振子、圆锥形转子8和连接组件。
如图3所示，所述压电振子包含五个金属基体、四片压电陶瓷片。其中金体基体包括位于压电振子两端的两个第一金属基体6-1、位于压电振子中间的一个第三金属基体6-3、位于第三金属基体两侧的两个第二金属基体6-2，即两个第一金属基体6-1和两个第二金属基体6-2在第三金属基体6-3两侧呈对称布置。
其中,第一金属基体6-1包含圆环部、渐变部和连接部，圆环部两端具有倒角，用以增大与圆锥形转子8的接触面积；渐变部为变截面结构，截面为圆，渐变部分横截面小的一端与圆环部外壁固连，横截面较大的一端与连接部固连，连接部为圆柱结构，端面攻有螺纹孔。
第三金属基体6-3中部为一圆柱体，两端伸有螺纹轴部。第二金属基体6-2为圆柱体，中心开有螺纹轴部配合的螺纹孔。所述纵振压电陶瓷片、弯振压电陶瓷片为圆柱状且中心设有与螺纹轴部配合的螺纹孔。依次将纵振压电陶瓷片、第二金属基体、弯振压电陶瓷片穿入第三金属基体螺纹轴部，轴端部与第一金属基体的螺纹孔配合进行紧固。所述压电振子两侧的第一金属基体按其圆环部轴线成正交装配。
如图4至图7所示，所述压电驱动器的圆环装配部分为对称结构，此处以一侧结构进行详细介绍：
参考图4至图6所示，所述连接组件包括连接轴9、硅胶环10、正交连接器、金属垫圈11和E型卡环12。连接轴上有一体设置的键9-1，可采用3D打印，轴端开有圆环槽9-2。
如图7所示，圆锥形转子呈空心圆台状，具有锥形面8-1，小圆端面中心开有供所述连接轴穿过的圆台中心孔8-2，通孔上开有键槽8-3，大圆端面的中心设有用以放入硅胶环、长连接件、金属垫圈的沉孔8-4，且在大圆端面的一侧开有限位槽8-5。
参考图8所示，所述正交连接器包括四个长连接件，其中，第一长连接件2-1、第二长连接件2-2组成第一组长连接件2，第三长连接件3-1、第四长连接件3-2组成第二组长连接件3，第一组长连接件2和第二组长连接件3长度延伸方向相反且呈正交连接。
所述长连接件包括相互垂直的头部和尾部且头部和尾部之间通过矩形拉伸体连接，四个长连接件的尾部呈十字型交叉分布并通过连接块4固定在一起，相邻两个长连接件头部延伸方向相反，所述头部为圆环结构，圆环结构内孔用于穿过连接轴，连接轴的两端连接紧固件。
所述尾部为凸字型且设有平面通孔，四个长连接件的尾部拼合形成一个无缝隙的平面。参考图9所示，所述连接块呈菱形，且四角部位均设有螺纹轴4-1，四个螺纹轴穿过四个长连接件的平面通孔并连接螺母。
如图5所示，将圆锥形转子的锥面与第一金属基体圆环部内圆处的锥面紧密贴合，连接轴穿过圆锥形转子的圆台中心孔，连接轴上的键与圆锥形转子内圆上的键槽相配合。依次将左端的硅胶环、长连接件、金属垫圈穿入连接轴，硅胶环置于圆锥形转子的沉孔底部，长连接件的矩形拉伸部与圆锥形转子的限位槽紧密配合，使得圆锥形转子与长连接件同步转动。右端配置和装配方式均和左端完全相同。最后将E形卡环卡在连接轴的环形槽中，通过调节硅胶环的厚度和数量可以调节预压力，从而实现圆锥形转子锥面与金属基体圆环结构锥面的紧密贴合。
第一压电作动器1和第二压电作动器5之间通过第一组长连接件2、第二组长连接件3实现正交连接。将菱形连接块上的四根螺纹轴同时穿入相匹配的四个平面通孔，并用螺母进行紧固。
如图10所示，弯振压电陶瓷片和纵振压电陶瓷片均沿厚度方向极化。弯振陶瓷片用来激发压电振子的弯振模态；纵振陶瓷片用来激发压电振子的纵振模态。弯振压电陶瓷片采用二分区极化环形压电陶瓷片，纵振压电陶瓷片采用单区极化环形压电陶瓷片。所述压电陶瓷片的外壁均由环氧树脂等材料进行绝缘处理。所述压电振子两端弯振压电陶瓷片应采用按极化分区线正交布置，且端部弯振压电陶瓷片极化分区线应与第一金属基体圆环部的中性面垂直。
所述压电振子的金属基体均接地，三个压电陶瓷片分别接外部驱动信号。所述压电振子一端圆环部所在轴线与其相邻压电振子圆环部所在轴线正交。
实施例二
本发明还公开了一种正交式压电关节机构控制驱动方法，包含以下步骤：
对于每个单定子正交双环二自由度压电作动器，通过对一端弯振压电陶瓷片和纵振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二阶弯振模态，两个模态同型，且在时间上和空间上都具有π/2的相位差，通过两个模态的耦合形成旋转行波，使得压电振子的圆环结构内侧质点产生微幅椭圆运动，通过摩擦作用驱动转子和连接组件转动，进而驱动该正交式压电关节的运动。
当给一端弯振压电陶瓷片和纵振压电陶瓷片施加如图11所示的激励信号时，以压电振子金属基体产生时间上具有π/2相位差的一阶纵振和二阶弯振为例，经耦合使压电振子圆环结构产生B03模态，在压电振子圆环结构内侧产生旋转行波，在一个周期里，圆环内侧的质点做微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动，使圆锥形转子转动方向与圆环结构面内产生行波运动方向相同，压电振子振动模态如图12所示。
由于单个压电振子采用的是单定子正交双环结构，能实现单定子二自由度转动，当对压电振子的另一端弯振压电陶瓷片和纵振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，则实现了相应转子和连接组件的旋转运动，其圆环处旋转轴线与另一端圆环处旋转轴线正交，即实现了二自由度转动。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (10)
1.一种正交式压电关节机构，其特征在于：包括至少两个依次相连的单定子正交双环二自由度压电作动器，所述单定子正交双环二自由度压电作动器包括压电振子、圆锥转子和连接组件，所述压电振子包括位于压电振子两端的两个第一金属基体、位于压电振子中间的一个第三金属基体、位于第三金属基体两侧的两个第二金属基体，所述第二金属基体与第三金属基体之间设有一个纵振压电陶瓷片，所述第一金属基体与第二金属基体之间设有一个弯振压电陶瓷片，所述第一金属基体的头端设有圆环部，两个圆锥转子分别通过圆锥面夹持于圆环部的两侧，所述圆锥转子具有中心通孔，所述连接组件包括连接轴和正交连接器，所述连接轴的中部与两个圆锥转子的中心通孔固定连接，压电振子两端的两个第一金属基体的圆环部轴线正交，相邻两个单定子正交双环二自由度压电作动器相接端的两个连接轴正交且通过正交连接器连接，第一金属基体、第二金属基体和第三金属基体均接地，纵振压电陶瓷片和弯振压电陶瓷片分别接外部驱动信号。
2.根据权利要求1所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：所述正交连接器包括四个长连接件，所述长连接件包括相互垂直的头部和尾部且头部和尾部之间通过矩形拉伸体连接，四个长连接件的尾部呈十字型交叉分布并通过连接块固定在一起，相邻两个长连接件头部延伸方向相反，所述头部为圆环结构，圆环结构内孔用于穿过连接轴，连接轴的两端连接紧固件。
3.根据权利要求2所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：所述尾部为凸字型且设有平面通孔，四个长连接件的尾部拼合形成一个平面，所述连接块设有螺纹轴，螺纹轴穿过平面通孔并连接螺母。
4.根据权利要求3所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：圆锥转子呈空心圆台状，且直径较小端的中心开设圆台中心孔，圆台中心孔开有键槽，连接轴连接有与键槽配合的键。
5.根据权利要求4所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：所述圆锥转子在较大端端面中心设有沉孔，所述紧固件包括位于沉孔内的硅胶环、金属垫片以及卡环，连接轴端部穿过硅胶环、长连接件头部、金属垫片且卡环进行轴向限位，沉孔侧壁设有与连接件矩形拉伸体配合的限位槽。
6.根据权利要求1所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：所述第三金属基体包括中间的圆柱部和两端的螺纹轴部，所述纵振压电陶瓷片、第二金属基体、弯振压电陶瓷片为圆柱状且中心设有与螺纹轴部配合的螺纹孔。
7.根据权利要求6所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：所述第一金属基体还包括连接部和连接圆环部与连接部的渐变部，连接部为圆柱结构且端面攻有与螺纹轴部连接的螺纹孔，渐变部为变截面结构，截面为圆，渐变部横截面小的一端与圆环部外壁固连，横截面大的一端与连接部固连。
8.根据权利要求1所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：所述弯振压电陶瓷片采用二分区极化环形压电陶瓷片，所述纵振压电陶瓷片采用单区极化环形压电陶瓷片，且外壁均做绝缘处理。
9.根据权利要求1所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：所述压电振子两端弯振压电陶瓷片应采用按极化分区线正交布置，且弯振压电陶瓷片极化分区线应与金属基体圆环部的中性面垂直。
10.一种正交式压电关节机构控制方法，其特征在于包括如下步骤：对于每个单定子正交双环二自由度压电作动器，通过对一侧弯振压电陶瓷片和纵振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二阶弯振模态，两个模态同型，且在时间上和空间上都具有π/2的相位差，通过两个模态的耦合形成旋转行波，使得压电振子的圆环内侧质点产生微幅椭圆运动，通过摩擦作用驱动圆锥转子和连接组件转动，进而驱动该正交式压电关节运动。
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