CN111251284B - 一种压电驱动深海机械臂及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动深海机械臂及其驱动方法，机械臂包含若干个依次相连的单元臂节；单元臂节包含压电振子、定位组件和关节组件。定位组件限制转动关节运动，使其能够产生稳定的关节旋转运动；调节定位组件能够调节关节组件与压电振子间的预压力，进而调节单元臂节的输出力；对压电振子施加具有π/2相位差的驱动信号，激励出压电振子二阶非对称弯振模态和二阶对称弯振模态，使其自身与关节组件相接触的界面质点产生微辐椭圆运动，经过摩擦作用产生力驱动关节组件转动。压电摩擦驱动原理使得本发明可在深海环境下采用全开放结构，不需要电磁和液压驱动机械臂所需的庞大密封装置，结构简单紧凑，在深海探测领域具有重要的应用前景。

Description

一种压电驱动深海机械臂及其驱动方法

技术领域

本发明涉及压电驱动及机器人领域，尤其涉及一种压电驱动深海机械臂及其驱动方法。

背景技术

深海机械手是深海作业技术的重要装备，轻量化、精密化、智能化是其未来的发展趋势。现有深海机械手驱动多以采用液压杠杆结构，以内部液压平衡海水压力，结构庞大且伴有油液泄漏、海水入侵带来的海洋污染和装置失效的风险。利用无刷电机和充油补偿海水压力的驱动方式，可大幅减小结构尺寸和重量、提高灵活性，但要彻底消除油液泄漏、海水入侵导致电机失效风险还有很多工作要做。如何缓解、摆脱深海高水压的限制，构建一种能适应深海水压、功率密度大、结构简单的机械手驱动器，是深海机械手轻量化、精密化、智能化设计的基础工作。

压电作动器是一种利用压电智能材料和摩擦驱动原理的新型驱动器，以其高精度、质量轻、功率密度大、低速直驱等优势，成为高端装备在轻量化、智能化提升和换代的首选作动器，具有广阔的应用和发展前景。例如，嫦娥三号使用的TRUM-30A型压电作动器，仅为其它备选驱动电机重量的十分之一。对于深海探测领域，压电作动器的电-微振-摩擦-宏动的驱动机理链条各环节都具备深海环境相容性，即微观振动-宏观运动摩擦耦合过程不存在动态密封问题，可直浸式工作于深海环境，只需对电气接口部分进行简单可靠的静密封，不需耐压仓、动密封环、压力平衡装置和传动机构，可作为深海机械手轻量化设计的驱动器。

针对上述直流电机和液压驱动的机械臂的缺点，以及压电驱动原理对深海环境的相容性，本发明提出一种压电驱动深海机械臂，期望在功率重量比和深海环境适应能力方面比现有驱动形式有所提升。

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，提供一种压电驱动深海机械臂及其驱动方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种压电驱动深海机械臂，包含若干依次相连的单元臂节；

所述单元臂节包含一个压电振子、一套定位组件和一套关节组件；

所述压电振子包含一个金属基体、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；

所述金属基体呈倒M形，包含第一矩形梁、第二矩形梁和连接梁，其中，所述第一矩形梁、第二矩形梁均包含上端面、下端面、以及依次相连的第一至第四侧面，第一侧面平行于第四按侧面，第二侧面平行于第四侧面；所述第一矩形梁、第二矩形梁平行设置，第一矩形梁的第一侧面、第二矩形梁的第一侧面相互平行且位于第一矩形梁的第三侧面、第二矩形梁的第三侧面之间；所述连接梁呈倒V形，连接梁的两端分别和所述第一矩形梁第一侧面、第二矩形梁第一侧面的底端固连；所述连接梁中部顶点上设有凸起的驱动齿；所述第一矩形梁、第二矩形梁的下部均设有贯穿第二侧面和第四侧面的安装孔，用于和相邻单元臂节相连；

所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均沿厚度方向极化，对称胶结在所述第一矩形梁、第二矩形梁的第三侧面上，极化方向由外向内；

所述定位组件包括腿式夹具、关节夹具、调节螺柱、调节螺母、预紧弹簧和垫片；

所述腿式夹具包含固定板和第一至第四连接腿；所述固定板呈矩形；所述第一至第四连接腿的一端分别和所述固定板的四角对应固连，另一端分别和所述第一矩形梁的第二侧面、第一矩形梁的第四侧面、第二矩形梁的第二侧面、第二矩形梁的第四侧面对应固连，将所述固定板固定在第一矩形梁、第二矩形梁的第一侧面之间；所述固定板中心设有和所述调节螺柱相匹配的螺纹孔，且固定板在其上螺纹孔两侧对称设有第一滑动通孔、第二滑动通孔；

所述关节夹具包含第一滑动板、第二滑动板、连接板、第一关节侧板、第二关节侧板、第一关节轴承和第二关节轴承；所述连接板呈矩形，其一端和所述第一关节侧板的上端垂直固连、另一端和所述第二关机侧板的上端垂直固连，形成倒U形对称结构；所述第一滑动板、第二滑动板的下端均和所述连接板的上端面垂直固连，且关于连接板的中心对称；所述第一滑动板、第二滑动板的上端分别穿过所述第一滑动通孔、第二滑动通孔，且第一滑动板、第二滑动板分别和所述第一滑动通孔、第二滑动通孔间隙配合，使得所述连接板能过相对固定板平行滑动；所述第一关节侧板、第二关节侧板的下部分别设有相互对称的第一安装通孔、第二安装通孔；所述第一关节轴承的外圈通过第一安装通孔和所述第一关节侧板固连，第二关节轴承的外圈通过第二安装通孔和所述第二关节侧板固连；

所述调节螺柱下端和所述固定板中心的螺纹孔螺纹相连；所述垫片中心设有通孔、套在所述调节螺柱上、和所述调节螺柱间隙配合，且垫片的下端面分别和所述第一滑动板、第二滑动板的上端相抵；所述调节螺母和所述调节螺柱的上端螺纹相连；所述调节弹簧套在所述调节螺柱上，一端和所述调节螺母相抵，另一端和所述垫片相抵；

所述关节组件包括转动关节、输出轴、第一输出夹具和第二输出夹具；

所述转动关节为圆柱体，其轴线上设有供所述输出轴穿过的通孔；

所述第一输出夹具、第二输出夹具均呈U形，均包含第一输出夹板、第二输出夹板和短板，其中，第一输出夹板、第二输出夹板平行设置，短板的两端分别和所述第一输出夹板、第二输出夹板的一端垂直固连，且第一输出夹板、第二输出夹板远离短板的一端均设有固定孔，第一输出夹板平行于第一矩形梁的第二侧面；

所述输出轴一端和所述第一输出夹具的短板在其中心处固连，另一端依次穿过第一关节轴承的内圈、转动关节上的通孔、第二关节轴承的内圈后和所述第二输出夹具的短板在其中心处固连，且输出轴分别和第一关节轴承的内圈、转动关节上的通孔、第二关节轴承的内圈固连；

所述转动关节和所述驱动齿相抵；

所述单元臂节和其相邻单元臂节相连时，采用螺栓依次穿过单元臂节第一输出夹具第一输出夹板上的固定孔、相邻单元臂节第一矩形梁上的安装孔、单元臂节第一输出夹具第二输出夹板上的固定孔，将单元臂节的第一输出夹具和相邻臂节的第一矩形梁固连，同时采用螺栓依次穿过单元臂节第二输出夹具第一输出夹板上的固定孔、相邻单元臂节第二矩形梁上的安装孔、单元臂节第二输出夹具第二输出夹板上的固定孔，将单元臂节的第二输出夹具和相邻臂节的第二矩形梁固连。

作为本发明一种压电驱动深海机械臂进一步的优化方案，所述转动关节的两个端面上对称设有和转动关节同轴的圆环形凹槽，以减轻单元臂节的重量。

本发明还公开了一种该压电驱动深海机械臂的单元臂节的驱动方法，通过对单元臂节的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片施加具有π/2相位差的驱动信号，激励出单元臂节压电振子一阶非对称弯振模态和一阶对称弯振模态，使其驱动足的质点产生微幅椭圆运动轨迹，经过摩擦作用产生力驱动转动关节转动。

由于单元臂节和相邻的单元臂节在空间上正交，同时对相邻单元臂节施加驱动信号，能够实现两单元臂节在正交平面内的二自由度运动。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明采用以上技术方案与传统电磁和液压机驱动械臂其结构简单，质量轻，无需齿轮减速等机构，易于密封，易于实现微化，运行噪声低，控制精度高，可作为深海机器人的末端执行装置，在深海探测领域具有重要的领域尤其是深海生物样品采样等对末端执行器控制精度较高的应用场合具有重要的应用前景。

附图说明

图1是本发明一种压电驱动深海机械臂的结构示意图；

图2是本发明中单元臂节的结构示意图；

图3是本发明中压电振子的结构示意图；

图4是本发明中定位组件的结构示意图；

图5是本发明中腿式夹具的结构示意图；

图6是本发明中关节夹具的结构示意图；

图7是本发明中定位组件的装配示意图；

图8是本发明中关节组件的结构示意图；

图9是本发明中压电振子的二阶对称弯振模态示意图；

图10是本发明中压电振子的二阶非对称弯振模态示意图。

图中，1-第一矩形梁，2-第二矩形梁，3-连接梁，4-驱动齿，5-第一压电陶瓷片，6-第二压电陶瓷片，7-第一矩形梁下部的安装孔，8-腿式夹具，9-关节夹具，10-调节螺柱，11-调节螺母，12-预紧弹簧，13-垫片，14-固定板，15-第一连接腿，16-固定板上的螺纹孔，17-第一滑动通孔，18-第二滑动通孔，19-第一滑动板，20-第二滑动板，21-连接板，22-第一关节侧板，23-第二关节侧板，24-第一关节轴承，25-第二关节轴承，26-转动关节，27-输出轴，28-第一输出夹具，29-第二输出夹具，30-第一输出夹具的第一输出夹板上的固定孔。

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：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种压电驱动深海机械臂，包含若干依次相连的单元臂节。

如图2所示，所述单元臂节包含一个压电振子、一套定位组件和一套关节组件。

如图3所示，所述压电振子包含一个金属基体、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；

所述金属基体呈倒M形，包含第一矩形梁、第二矩形梁和连接梁，其中，所述第一矩形梁、第二矩形梁均包含上端面、下端面、以及依次相连的第一至第四侧面，第一侧面平行于第四按侧面，第二侧面平行于第四侧面；所述第一矩形梁、第二矩形梁平行设置，第一矩形梁的第一侧面、第二矩形梁的第一侧面相互平行且位于第一矩形梁的第三侧面、第二矩形梁的第三侧面之间；所述连接梁呈倒V形，连接梁的两端分别和所述第一矩形梁第一侧面、第二矩形梁第一侧面的底端固连；所述连接梁中部顶点上设有凸起的驱动齿；所述第一矩形梁、第二矩形梁的下部均设有贯穿第二侧面和第四侧面的安装孔，用于和相邻单元臂节相连。

所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均沿厚度方向极化，对称胶结在所述第一矩形梁、第二矩形梁的第三侧面上，极化方向由外向内。

如图4所示，所述定位组件包括腿式夹具、关节夹具、调节螺柱、调节螺母、预紧弹簧和垫片。

如图5所示，所述腿式夹具包含固定板和第一至第四连接腿；所述固定板呈矩形；所述第一至第四连接腿的一端分别和所述固定板的四角对应固连，另一端分别和所述第一矩形梁的第二侧面、第一矩形梁的第四侧面、第二矩形梁的第二侧面、第二矩形梁的第四侧面对应固连，将所述固定板固定在第一矩形梁、第二矩形梁的第一侧面之间；所述固定板中心设有和所述调节螺柱相匹配的螺纹孔，且固定板在其上螺纹孔两侧对称设有第一滑动通孔、第二滑动通孔。

如图6所示，所述关节夹具包含第一滑动板、第二滑动板、连接板、第一关节侧板、第二关节侧板、第一关节轴承和第二关节轴承；所述连接板呈矩形，其一端和所述第一关节侧板的上端垂直固连、另一端和所述第二关机侧板的上端垂直固连，形成倒U形对称结构；所述第一滑动板、第二滑动板的下端均和所述连接板的上端面垂直固连，且关于连接板的中心对称；所述第一关节侧板、第二关节侧板的下部分别设有相互对称的第一安装通孔、第二安装通孔；所述第一关节轴承的外圈通过第一安装通孔和所述第一关节侧板固连，第二关节轴承的外圈通过第二安装通孔和所述第二关节侧板固连。

如图7所示，所述调节螺柱下端和所述固定板中心的螺纹孔螺纹相连；所述垫片中心设有通孔、套在所述调节螺柱上、和所述调节螺柱间隙配合，且垫片的下端面分别和所述第一滑动板、第二滑动板的上端相抵；所述调节螺母和所述调节螺柱的上端螺纹相连；所述调节弹簧套在所述调节螺柱上，一端和所述调节螺母相抵，另一端和所述垫片相抵；所述第一滑动板、第二滑动板的上端分别穿过所述第一滑动通孔、第二滑动通孔，且第一滑动板、第二滑动板分别和所述第一滑动通孔、第二滑动通孔间隙配合，使得所述连接板能过相对固定板平行滑动。

如图8所示，所述关节组件包括转动关节、输出轴、第一输出夹具和第二输出夹具；

所述转动关节为圆柱体，其轴线上设有供所述输出轴穿过的通孔；

所述第一输出夹具、第二输出夹具均呈U形，均包含第一输出夹板、第二输出夹板和短板，其中，第一输出夹板、第二输出夹板平行设置，短板的两端分别和所述第一输出夹板、第二输出夹板的一端垂直固连，且第一输出夹板、第二输出夹板远离短板的一端均设有固定孔，第一输出夹板平行于第一矩形梁的第二侧面；

所述输出轴一端和所述第一输出夹具的短板在其中心处固连，另一端依次穿过第一关节轴承的内圈、转动关节上的通孔、第二关节轴承的内圈后和所述第二输出夹具的短板在其中心处固连，且输出轴分别和第一关节轴承的内圈、转动关节上的通孔、第二关节轴承的内圈固连。

所述转动关节的两个端面上可以对称设置和转动关节同轴的圆环形凹槽，以减轻单元臂节的重量。

所述转动关节和所述驱动齿相抵。

所述单元臂节和其相邻单元臂节相连时，采用螺栓依次穿过单元臂节第一输出夹具第一输出夹板上的固定孔、相邻单元臂节第一矩形梁上的安装孔、单元臂节第一输出夹具第二输出夹板上的固定孔，将单元臂节的第一输出夹具和相邻臂节的第一矩形梁固连，同时采用螺栓依次穿过单元臂节第二输出夹具第一输出夹板上的固定孔、相邻单元臂节第二矩形梁上的安装孔、单元臂节第二输出夹具第二输出夹板上的固定孔，将单元臂节的第二输出夹具和相邻臂节的第二矩形梁固连，如图1所示，实现了相邻单元臂节在空间上相互正交。

如图7所示，所述第一滑动板、第二滑动板的上端分别穿过所述第一滑动通孔、第二滑动通孔，且第一滑动板、第二滑动板分别和所述第一滑动通孔、第二滑动通孔间隙配合，该配合限制了关节夹具绕着X和Y轴的旋转自由度以及沿着X平动的自由度，使其只能沿着Y方向上下运动，进而限制了转动关节的自由度，使其只有在XY平面内转动的一个自由度，该自由度使单元臂节能够产生稳定的转动。如图2和图7所示，通过调节螺母压缩调节弹簧，调节弹簧的压缩力通过垫片传递到夹具组件的第一滑动板、第二滑动板上，进而将转动关节紧压在压电振子的驱动足上；通过调节螺母能够调节转动关节和驱动足之间的预压力，由于预压力决定单元臂节的输出机械特性，所以调节螺母能够调节单元臂节的输出力。

本发明还公开了一种该压电驱动深海机械臂的单元臂节的驱动方法，通过对单元臂节的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片施加具有π/2相位差的驱动信号，激励出单元臂节压电振子一阶非对称弯振模态和一阶对称弯振模态，使其驱动足的质点产生微幅椭圆运动轨迹，经过摩擦作用产生力驱动转动关节转动。

如图9所示，通过对压电振子上的第一压电陶瓷片施加一定频率驱动信号能够激发出压电振子的二阶对称弯振模态，驱动足处质点将会产生沿着Y方向的上下振动位移；如图10所示通过对压电振子上的第二压电陶瓷片施加一定频率驱动信号能够激发出压电振子的二阶非对称弯振模态，驱动足处质点将会产生沿着X方向的左右振动位移；调节压电振子的几何尺寸能够调节两驱动信号的频率一致；在此基础上，对第一、第二压电陶瓷片施加同频率的具有π/2相位差的简谐信号，能够同时激励出压电振子的二阶非对称弯振模态和二阶对称纵振模态，两模态的耦合作用使驱动足表面质点微辐椭圆运动轨迹，经过摩擦作用产生力驱动转动关节转动。

由于单元臂节和与之相邻的单元臂节在空间上正交，同时对相邻单元臂节施加驱动信号，能够实现两单元臂节在正交平面内的二自由度运动。

本发明采用以上技术方案，由于利用摩擦力驱动，在深海环境下可采用全开放式结构，与传统电磁和液压机驱动深海机械臂相比，其结构简单，质量轻，无需齿轮减速等机构，易于密封，易于实现微化，运行噪声低，控制精度高，可作为深海机器人的末端执行装置，在深海探测领域具有重要的领域尤其是深海生物样品采样等对末端执行器控制精度较高的应用场合具有重要的应用前景。

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（包括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 (3)

1.一种压电驱动深海机械臂，其特征在于，包含若干依次相连的单元臂节；

所述单元臂节包含一个压电振子、一套定位组件和一套关节组件；

所述压电振子包含一个金属基体、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；

所述金属基体呈倒M形，包含第一矩形梁、第二矩形梁和连接梁，其中，所述第一矩形梁、第二矩形梁均包含上端面、下端面、以及依次相连的第一至第四侧面，第一侧面平行于第四按侧面，第二侧面平行于第四侧面；所述第一矩形梁、第二矩形梁平行设置，第一矩形梁的第一侧面、第二矩形梁的第一侧面相互平行且位于第一矩形梁的第三侧面、第二矩形梁的第三侧面之间；所述连接梁呈倒V形，连接梁的两端分别和所述第一矩形梁第一侧面、第二矩形梁第一侧面的底端固连；所述连接梁中部顶点上设有凸起的驱动齿；所述第一矩形梁、第二矩形梁的下部均设有贯穿第二侧面和第四侧面的安装孔，用于和相邻单元臂节相连；

所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均沿厚度方向极化，对称胶结在所述第一矩形梁、第二矩形梁的第三侧面上，极化方向由外向内；

所述定位组件包括腿式夹具、关节夹具、调节螺柱、调节螺母、预紧弹簧和垫片；

所述腿式夹具包含固定板和第一至第四连接腿；所述固定板呈矩形；所述第一至第四连接腿的一端分别和所述固定板的四角对应固连，另一端分别和所述第一矩形梁的第二侧面、第一矩形梁的第四侧面、第二矩形梁的第二侧面、第二矩形梁的第四侧面对应固连，将所述固定板固定在第一矩形梁、第二矩形梁的第一侧面之间；所述固定板中心设有和所述调节螺柱相匹配的螺纹孔，且固定板在其上螺纹孔两侧对称设有第一滑动通孔、第二滑动通孔；

所述关节夹具包含第一滑动板、第二滑动板、连接板、第一关节侧板、第二关节侧板、第一关节轴承和第二关节轴承；所述连接板呈矩形，其一端和所述第一关节侧板的上端垂直固连、另一端和所述第二关节侧板的上端垂直固连，形成倒U形对称结构；所述第一滑动板、第二滑动板的下端均和所述连接板的上端面垂直固连，且关于连接板的中心对称；所述第一滑动板、第二滑动板的上端分别穿过所述第一滑动通孔、第二滑动通孔，且第一滑动板、第二滑动板分别和所述第一滑动通孔、第二滑动通孔间隙配合，使得所述连接板能过相对固定板平行滑动；所述第一关节侧板、第二关节侧板的下部分别设有相互对称的第一安装通孔、第二安装通孔；所述第一关节轴承的外圈通过第一安装通孔和所述第一关节侧板固连，第二关节轴承的外圈通过第二安装通孔和所述第二关节侧板固连；

所述调节螺柱下端和所述固定板中心的螺纹孔螺纹相连；所述垫片中心设有通孔、套在所述调节螺柱上、和所述调节螺柱间隙配合，且垫片的下端面分别和所述第一滑动板、第二滑动板的上端相抵；所述调节螺母和所述调节螺柱的上端螺纹相连；所述预紧弹簧套在所述调节螺柱上，一端和所述调节螺母相抵，另一端和所述垫片相抵；

所述关节组件包括转动关节、输出轴、第一输出夹具和第二输出夹具；

所述转动关节为圆柱体，其轴线上设有供所述输出轴穿过的通孔；

所述第一输出夹具、第二输出夹具均呈U形，均包含第一输出夹板、第二输出夹板和短板，其中，第一输出夹板、第二输出夹板平行设置，短板的两端分别和所述第一输出夹板、第二输出夹板的一端垂直固连，且第一输出夹板、第二输出夹板远离短板的一端均设有固定孔，第一输出夹板平行于第一矩形梁的第二侧面；

所述输出轴一端和所述第一输出夹具的短板在其中心处固连，另一端依次穿过第一关节轴承的内圈、转动关节上的通孔、第二关节轴承的内圈后和所述第二输出夹具的短板在其中心处固连，且输出轴分别和第一关节轴承的内圈、转动关节上的通孔、第二关节轴承的内圈固连；

所述转动关节和所述驱动齿相抵；

所述单元臂节和其相邻单元臂节相连时，采用螺栓依次穿过单元臂节第一输出夹具第一输出夹板上的固定孔、相邻单元臂节第一矩形梁上的安装孔、单元臂节第一输出夹具第二输出夹板上的固定孔，将单元臂节的第一输出夹具和相邻臂节的第一矩形梁固连，同时采用螺栓依次穿过单元臂节第二输出夹具第一输出夹板上的固定孔、相邻单元臂节第二矩形梁上的安装孔、单元臂节第二输出夹具第二输出夹板上的固定孔，将单元臂节的第二输出夹具和相邻臂节的第二矩形梁固连。

2.根据权利要求1所述的压电驱动深海机械臂，其特征在于，所述转动关节的两个端面上对称设有和转动关节同轴的圆环形凹槽，以减轻单元臂节的重量。

3.基于权利要求1所述的压电驱动深海机械臂的单元臂节的驱动方法，其特征在于，通过对单元臂节的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片施加具有π/2相位差的驱动信号，激励出单元臂节压电振子一阶非对称弯振模态和一阶对称弯振模态，使其驱动足的质点产生微幅椭圆运动轨迹，经过摩擦作用产生力驱动转动关节转动。