CN110492786B - 一种基于多模态转换型超声电机的三自由度力交互装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于多模态转换型超声电机的三自由度力交互装置，包括基座和球转子，所述球转子安装在所述基座上，所述基座和所述球转子之间还设置转动固定组件和辅助支撑组件，所述转动固定组件用于安装球转子，其包括安装多个支架以及多个数量相同的固定牛眼轮和活动牛眼轮，所述辅助支撑组件包括预紧件、支撑板和振子部。通过在基座上设置转动固定组件和辅助支撑组件，将球转子进行固定，提高了整体装置的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域，特别是涉及一种基于多模态转换型超声电机的三自由度力交互装置。
背景技术
随着太空探索、远程手术、遥操作机器人的不断发展，人机交互得到越来越广泛的应用，而力触感交互技术可以增强操作者的临场感，日益受到重视，超声电机具有抗电磁干扰，结构设计灵活紧凑，功率密度大等优点，近年来得到了广泛应用，超声电机是摩擦驱动，使用寿命较短，因此亟待本领域技术人员解决此问题。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种基于多模态转换型超声电机的三自由度力交互装置，包括基座和球转子，所述球转子安装在所述基座上，其特征在于：所述基座和所述球转子之间还设置转动固定组件，所述转动固定组件用于安装球转子，所述转动固定组件固定在所述基座的上侧面，所述转动固定组件包括安装多个支架以及多个数量相同的固定牛眼轮和活动牛眼轮，所述球转子与多个数量相同的固定牛眼轮和活动牛眼轮活动接触，所述支架包括支架柱、倾斜安装部和倾斜固定部，所述支架柱的上端连接所述倾斜安装部，所述倾斜安装部的内部开设通孔，所述活动牛眼轮与所述通孔螺纹连接，所述支架柱的下端内侧连接所述倾斜固定部，所述倾斜固定部包括固定面，所述固定牛眼轮安装在所述固定面上，其中一个支架的两侧分别设置辅助支撑组件，所述辅助支撑组件包括预紧件、支撑板和振子部，所述预紧件将所述支撑板的一端固定在所述基座的上侧面，所述支撑板的另一端设置柔性板，所述振子部倾斜安装在所述柔性板上，所述振子部的本体上安装压电陶瓷和若干驱动足，所述振子部的驱动足与所述球转子的球面赤道处接触形成45°倾斜角，所述压电陶瓷贴合在所述振子部的本体上，并与所述球转子相切连接，所述驱动足安装在所述振子部的上下两侧面的边缘端。
作为本发明的一种改进，所述支撑板的下端与所述基座可拆卸连接。
作为本发明的一种改进，所述球转子的上端连接转动操作组件。
作为本发明的一种改进，所述转动操作组件包括操作杆和三维力传感器，所述操作杆插接在所述球转子的球体内，所述三维力传感器安装在所述操作杆上。
作为本发明的一种改进，所述柔性板的板体上安装应变片。
一种基于多模态转换型超声电机的三自由度力交互装置的使用方法，包括以下步骤： S1：给压电陶瓷外接电源；S1：给压电陶瓷外接电源；S2：控制通过所述压电陶瓷的频率和相位，进而控制所述振子部的状态，包括弯/弯组合振动模态或弯/振组合模态或纵/振模态。
本申请一种基于多模态转换型超声电机的三自由度力交互装置，该装置结构简单，通过在基座上设置转动固定组件和辅助支撑组件，将球转子进行固定，提高了整体装置的稳定性；在超声电机的振子部的驱动足抵在球转子水平截面直径最大处，振子部与柔性板固定连接，柔性板上贴有应变片，从而可以测得振子部上驱动足与球转子之间的压力；在振子部的上下两侧对称布置驱动足，当一个驱动足磨损耗尽，可以通过调整振子部的，切换另一个驱动足进行驱动，以此提高超声电机的使用寿命。
附图说明
图1本申请整体装置结构示意图；
图2本申请基座与转动固定组件以及辅助支撑组件的连接结构示意图；
图3为本申请的辅助支撑组件结构示意图；
图4为本申请的振子部的弯/弯组合振动模态运动周期图；
图5为本申请的振子部的弯振模态运动周期图；
图6为本申请的振子部的纵振模态运动周期图；
图7为本申请球转子绕Z轴运动图；
图8为本申请球转子绕X轴运动图；
附图说明：
1、基座；
2、转动固定组件；201、支架；202、固定牛眼轮；203、活动牛眼轮；2011、支架柱；2012、倾斜安装部；2013、倾斜固定部；2014、固定面；
3、球转子；
4、辅助支撑组件；401、预紧件；402、支撑板；403、振子部；404、柔性板；405、压电陶瓷；406驱动足；
5、枢接轴；6、枢接座；7、枢接孔；8、操作杆；9、三维力传感器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例：
参考图1—图8，现对本发明提供的一种基于多模态转换型超声电机的三自由度力交互装置进行说明，包括基座1和球转子3以及转动固定组件2以及辅助支撑组件4，所述转动固定组件2以及辅助支撑组件4安装在所述基座1的上侧面，所述球转子3安装在所述转动固定组件2上，并与所述辅助支撑组件4连接，将球转子3进行固定，提高了整体装置的稳定性。
本实施例中，所述转动固定组件2固定在所述基座1的上侧面，其包括安装多个支架201以及多个数量相同的固定牛眼轮202和活动牛眼轮203，所述支架201包括支架柱2011、倾斜安装部2012和倾斜固定部2013，所述支架柱2011的上端连接所述倾斜安装部2012，所述倾斜安装部2012的内部开设通孔，所述活动牛眼轮203与所述通孔螺纹连接，其中，所述活动牛眼轮203的本体上设置螺纹圈，所述通孔的内部设置与所述螺纹圈配合的螺纹孔道，实现所述活动牛眼轮203与所述通孔螺纹连接的效果，所述支架柱2011的下端内侧连接所述倾斜固定部2013，所述倾斜固定部2013包括固定面2014，所述固定牛眼轮202安装在所述固定面2014上，其中，所述固定牛眼轮202锁紧在所述固定面2014上，实现固定的效果，所述支架201的数量为3个。
本实施例中，所述辅助支撑组件4设置在一个支架201的两侧，其包括预紧件401、支撑板402和振子部403，所述预紧件401将所述支撑板402的一端固定在所述基座1的上侧面，所述支撑板402的另一端设置柔性板404，所述振子部403倾斜安装在所述柔性板404上，所述振子部403的本体上安装压电陶瓷405和若干驱动足406，所述压电陶瓷405贴合在所述振子部403的本体上，并与所述球转子3相切连接，所述驱动足406安装在所述振子部403的上下两侧面的边缘端，所述柔性板404的板体上安装应变片。具体地，所述预紧件为螺杆，所述支撑板为L型板件，所述螺杆将L型板件的一端锁紧在所述基座上，所述支撑板的下端与所述基座可拆卸连接，在超声电机的振子部的驱动足抵在球转子水平截面直径最大处，振子部与柔性板固定连接，柔性板上贴有应变片，从而可以测得振子部403上驱动足406与球转子3之间的压力。
其中，所述基座1与所述支撑板402的下端枢接，包括枢接轴5和枢接座6，所述枢接座6分别设置在所述基座1的上侧面和所述支撑板402的下侧面，所述枢接座6的座体上开设枢接孔7，所述枢接轴5套设在所述枢接孔7的内部，将两个所述枢接座6连接固定，实现将所述基座1与所述支撑板402拆卸连接的效果。
本实施例中，所述球转子3的上端连接转动操作组件。具体地，所述转动操作组件包括操作杆8和三维力传感器9，所述操作杆8插接在所述球转子3的球体内，所述三维力传感器9安装在所述操作杆8上。
本实施例中，所述压电陶瓷是贴合在所述振子部上的，所述压电陶瓷驱动所述振子部变形，其包括正压电性和逆压电性，压电陶瓷外接电源后，控制通过所述压电陶瓷的频率和相位，进而控制所述振子部的状态，包括弯/弯组合振动模态或弯/振组合模态或纵/振模态，所述压电陶瓷产生变形，进而产生所述振子部的不同状态，包括弯/弯组合振动模态或弯/振组合模态或纵/振模态。
本发明的工作原理：
参见图4，为实现振子部的弯/弯组合振动模态，通过两个相邻的弯振模态复合，相邻两个压电陶瓷分别通相差90°相位的sin和cos交变激励电压，即可实现驱动足的微观椭圆运动（也为摇头运动），实现了振子部的弯/弯组合振动模态；
参见图5，为实现振子部的弯/振组合模态，仅对振子部一侧面的压电陶瓷通交变激励电压即可激发该模态，实现驱动足的直线运动，由于驱动足与球面赤道处接触且有一45°安装倾角，因此该模态会造成球面接触部位的向下运动；
参见图6，为实现振子部的纵/振模态，通过对两个相对的压电陶瓷接通同相交变激励电压，即可激发该模态，由于驱动足与球面赤道处接触且有一45°安装倾角，因此该模态状态下，振子部与球转子的接触部位会向上运动。
本发明的工作过程：
转子绕其铅垂线的转动，由两个超声电机振子部的弯/弯组合振动模态同时工作驱动，对应电压频率完全相同，球转子绕驱动足与球转子球心连线的转动，通过另外一个超声电机的弯振模态和纵振模态驱动，弯振模态时，驱动足运动方向与铅垂线呈45°向下，纵振模态时，驱动足运动方向与铅垂线呈45°向上，弯振和纵振模态分别实现该方向的正反方向运动；球转子绕另外一个超声电机振子驱动足与球转子球心连线的转动同理，在此不进行赘述；通过三维力传感器的实时检测，从而控制球转子操纵杆对人手的不同方向作用力。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种基于多模态转换型超声电机的三自由度力交互装置，包括基座和球转子，所述球转子安装在所述基座上，其特征在于：所述基座和所述球转子之间还设置转动固定组件，所述转动固定组件用于安装球转子，所述转动固定组件固定在所述基座的上侧面，所述转动固定组件包括安装多个支架以及多个数量相同的固定牛眼轮和活动牛眼轮，所述球转子与多个数量相同的固定牛眼轮和活动牛眼轮活动接触，所述支架包括支架柱、倾斜安装部和倾斜固定部，所述支架柱的上端连接所述倾斜安装部，所述倾斜安装部的内部开设通孔，所述活动牛眼轮与所述通孔螺纹连接，所述支架柱的下端内侧连接所述倾斜固定部，所述倾斜固定部包括固定面，所述固定牛眼轮安装在所述固定面上，其中一个支架的两侧分别设置辅助支撑组件，所述辅助支撑组件包括预紧件、支撑板和振子部，所述预紧件将所述支撑板的一端固定在所述基座的上侧面，所述支撑板的另一端设置柔性板，所述振子部倾斜安装在所述柔性板上，所述振子部的本体上安装压电陶瓷和若干驱动足，所述振子部的驱动足与所述球转子的球面赤道处接触形成45°倾斜角，所述压电陶瓷贴合在所述振子部的本体上，并与所述球转子相切连接，所述驱动足安装在所述振子部的上下两侧面的边缘端。
2.根据权利要求1所述的一种基于多模态转换型超声电机的三自由度力交互装置，其特征在于： 所述支撑板的下端与基座可拆卸连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于多模态转换型超声电机的三自由度力交互装置，其特征在于：所述球转子的上端连接转动操作组件。
4.根据权利要求3所述的一种基于多模态转换型超声电机的三自由度力交互装置，其特征在于：所述转动操作组件包括操作杆和三维力传感器，所述操作杆插接在所述球转子的球体内，所述三维力传感器安装在所述操作杆上。
5.根据权利要求3所述的一种基于多模态转换型超声电机的三自由度力交互装置，其特征在于：所述柔性板的板体上安装应变片。
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