CN111313749A - 一种贴片式压电驱动二自由度水下机械臂及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贴片式压电驱动二自由度水下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和臂节之间的连接组件；工作时，对单元臂节上的压电振子施加具π/2相位差的驱动信号，使其与相邻压电振子接触的各点产生微幅椭圆运动，经过摩擦作用产生驱动力，可分别实现单元臂节绕与之相邻单元臂节压电振子的转动和单元臂节绕自身压电振子轴线的转动，且由于单元臂节和其相邻单元臂节在空间上正交，进而能够实现两臂节在两个正交平面内的二自由度转动。本发明易于密封以及实现微型化，不受电磁干扰，能断电自锁，无需进行不同相模态的模态耦合频率一致性调节，减少了对机械臂设计尺寸形状等的限制，对于水下尤其是深海微小型机器人作业机械臂具有重要的应用前景。

Description

一种贴片式压电驱动二自由度水下机械臂及其驱动方法

技术领域

本发明涉及压电驱动及机械人领域，尤其涉及一种贴片式压电驱动二自由度水下机械臂及其驱动方法。

背景技术

对海洋资源的开发利用一直是世界各国研究的热点，其中一个重要的现代化的工具就是水下机器人，对于有线缆水下机器人普遍配备传统的液压或电机为驱动源的工业级作业机械臂，然而受自身体积，能量以及一些特殊的工作环境的限制，微小型的无线缆自主水下机器人普遍没有配备合适的作业机械臂，一方面传统的液压或电机驱动的机械臂体积较大，耗能高，小型化和之后的防水处理困难，另一方面微小型的自主水下机器人对机械臂有一些特殊的要求，如高压、低温、不受电磁干扰、控制精度高等。

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，提供一种贴片式压电驱动二自由度水下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：

一种贴片式压电驱动二自由度水下机械臂，包含若干N+1个单元臂节和N个连接组件，N为大于等于1的自然数，所述N+1个单元臂节通过N个连接组件依次相连；

所述单元臂节包含第一至第二压电振子、第一至第二连接板、以及第一至第四压电陶瓷片；

所述第一、第二压电振子均包含金属基体以及第一至第四压电陶瓷片；

所述金属基体包含第一至第三阶梯圆柱，其中，第一阶梯圆柱、第三阶梯圆柱直径相等且大于第二阶梯圆柱的直径；所述第二阶梯圆柱的两个端面分别和第一阶梯圆柱的一个端面、第三阶梯圆柱的一个端面固连，且第一至第三阶梯圆柱同轴；所述第二阶梯圆柱柱壁中心周向均匀设有四个矩形贴片槽；

所述第一至第四压电陶瓷片分别对应粘贴在所述四个矩形贴片槽中，均沿厚度方向极化，第一、第三压电陶瓷片相互平行且极化方向相同，第二、第四压电陶瓷片相互平行且极化方向相同，第一、第二压电陶瓷片所在平面相互垂直；

所述第一至第四压电陶瓷用于输入外部驱动信号使得金属基体振动；

所述第一、第二连接板平行设置，且第一、第二连接板的两端均分别和所述第一、第二压电振子的第二阶梯圆柱的一阶弯振节点处垂直固连；

所述连接组件包含第一至第四滑动轴承环、以及第一至第四双钩弹簧；

所述第一至第四滑动轴承环均呈圆环状，其上设有连线经过圆心的第一连接孔、第二连接孔；所述第一至第四双钩弹簧两端弹簧钩的方向均相互垂直；

所述第一双钩弹簧、第二双钩弹簧的一端分别和第一滑动轴承环的第一连接孔、第二连接孔相连，另一端分别和第三滑动轴承环、第四滑动轴承环的第一连接孔相连；第三双钩弹簧、第四双钩弹簧的一端分别和第二滑动轴承环的第一连接孔、第二连接孔相连，另一端分别和第三滑动轴承环、第四滑动轴承环的第二连接孔相连；使得第一滑动轴承环、第二滑动轴承环所在平面相互平行，第三滑动轴承环、第四滑动轴承环所在平面相互平行，第一滑动轴承环、第三滑动轴承环所在平面相互垂直；

所述单元臂节和其相邻单元臂节通过连接组件相连时，连接组件的第一、第二滑动轴承环套在单元臂节第二压电振子金属基体的第二阶梯圆柱上间隙配合，连接组件的第三、第四滑动轴承环套在相邻单元臂节第一压电振子金属基体的第二阶梯圆柱上间隙配合，使得单元臂节第二压电振子金属基体的第一、第三阶梯圆柱和相邻单元臂节第一压电振子金属基体的第一、第三阶梯圆柱正交相抵。

作为本发明一种贴片式压电驱动二自由度全开放水下机械臂进一步的优化方案，所述第一至第四压电陶瓷片通过环氧树脂胶粘结粘贴在第二阶梯圆柱的四个矩形贴片槽中，且用防水胶作绝缘处理。

作为本发明一种贴片式压电驱动二自由度全开放水下机械臂进一步的优化方案，所述金属基体沿其轴线设有通孔，且第一阶梯圆柱远离第二阶梯圆柱的一端、第三阶梯圆柱远离第二阶梯圆柱的一端均设有和第二阶梯圆柱同轴的圆形凹槽。

作为本发明一种贴片式压电驱动二自由度全开放水下机械臂进一步的优化方案，所述第一、第二连接板均两端设有对称的安装圆孔，中部设有矩形孔；

所述第一、第二连接板的两端均分别通过其安装圆孔和所述第一、第二压电振子的第二阶梯圆柱过盈配合连接。

本发明还公开了一种该贴片式压电驱动二自由度全开放水下机械臂的单元臂节驱动方法，包含以下步骤：

对单元臂节的第一、第三压电陶瓷片施加第一简谐驱动信号，对单元臂节的第二、第四压电陶瓷片施加和所述第一简谐驱动信号相同频率且具有π/2时间相位差的第二简谐驱动信号，激励出第一、第二压电振子两个时间和空间相互正交的一阶弯振模态，使其金属基体两端各点产生微幅椭圆运动，相邻单元臂节的第一、第二压电振子对其提供支持产生摩擦力，经过摩擦作用产生驱动力，使得单元臂节相对其相邻单元臂节转动。

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：

1. 相对于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，易于实现低速大力矩，不受电磁干扰，能断电自锁；

2. 相对于其他的压电作动的机械臂，由于压电振子为轴对称结构，利用其两个正交方向的一阶弯振具有天然的两相模态频率一致性，无需进行不同相模态的模态耦合频率一致性调节，减少了对机械臂设计尺寸形状等的限制，更易于实现系列化，模块化的设计，且随工程应用场景的不同，机械臂的可调整尺寸多，工程应用性强，具有重要的应用前景。

附图说明

图1是一种贴片式压电驱动二自由度水下机械臂的结构示意图；

图2是单元臂节的结构示意图；

图3是金属基体的结构示意图；

图4是第一连接板的结构示意图；

图5是连接组件的结构示意图；

图6是第一至第四压电陶瓷片的施加电压信号示意图；

图7是第二压电振子沿着Z轴在ZOX平面的一阶弯曲振动振模态示意图；

图8是第二压电振子沿着Z轴在ZOY平面的一阶弯曲振动振模态示意图。

图中，1-第一单元臂节，2-连接组件，3-第一压电振子，4-第一连接板，5-第二压电振子，6-第二连接板，7-第一阶梯圆柱，8-第二阶梯圆柱，9-第三阶梯圆柱，10-矩形贴片槽，11-第一连接板上的安装圆孔，12-第一连接板上的矩形孔，13-第一滑动轴承环套，14-第二滑动轴承环套，15-第三滑动轴承环套，16-第四滑动轴承环套，17-第一双钩弹簧，18-第二双钩弹簧，19-第三双钩弹簧，20-第四双钩弹簧。

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的实施例。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，本发明公开了一种贴片式压电驱动二自由度水下机械臂，，包含若干N+1个单元臂节和N个连接组件，N为大于等于1的自然数，所述N+1个单元臂节通过N个连接组件依次相连。

如图2所示，所述单元臂节包含第一至第二压电振子、第一至第二连接板、以及第一至第四压电陶瓷片。

所述第一、第二压电振子均包含金属基体以及第一至第四压电陶瓷片；

如图3所示，所述金属基体包含第一至第三阶梯圆柱，其中，第一阶梯圆柱、第三阶梯圆柱直径相等且大于第二阶梯圆柱的直径；所述第二阶梯圆柱的两个端面分别和第一阶梯圆柱的一个端面、第三阶梯圆柱的一个端面固连，且第一至第三阶梯圆柱同轴；所述第二阶梯圆柱柱壁中心周向均匀设有四个矩形贴片槽。

所述金属基体沿其轴线设有通孔，且第一阶梯圆柱远离第二阶梯圆柱的一端、第三阶梯圆柱远离第二阶梯圆柱的一端均设有和第二阶梯圆柱同轴的圆形凹槽。

所述第一至第四压电陶瓷片分别对应粘贴在所述四个矩形贴片槽中，均沿厚度方向极化，第一、第三压电陶瓷片相互平行且极化方向相同，第二、第四压电陶瓷片相互平行且极化方向相同，第一、第二压电陶瓷片所在平面相互垂直；所述第一至第四压电陶瓷用于输入外部驱动信号使得金属基体振动。

所述第一、第二连接板平行设置，且第一、第二连接板的两端均分别和所述第一、第二压电振子的第二阶梯圆柱的一阶弯振节点处垂直固连；如图4所示，所述第一、第二连接板均两端设有对称的安装圆孔，中部设有矩形孔；所述第一、第二连接板的两端均分别通过其安装圆孔和所述第一、第二压电振子的第二阶梯圆柱过盈配合连接。

如图5所示，所述连接组件包含第一至第四滑动轴承环、以及第一至第四双钩弹簧；

所述第一至第四滑动轴承环均呈圆环状，其上设有连线经过圆心的第一连接孔、第二连接孔；所述第一至第四双钩弹簧两端弹簧钩的方向均相互垂直；

所述第一双钩弹簧、第二双钩弹簧的一端分别和第一滑动轴承环的第一连接孔、第二连接孔相连，另一端分别和第三滑动轴承环、第四滑动轴承环的第一连接孔相连；第三双钩弹簧、第四双钩弹簧的一端分别和第二滑动轴承环的第一连接孔、第二连接孔相连，另一端分别和第三滑动轴承环、第四滑动轴承环的第二连接孔相连；使得第一滑动轴承环、第二滑动轴承环所在平面相互平行，第三滑动轴承环、第四滑动轴承环所在平面相互平行，第一滑动轴承环、第三滑动轴承环所在平面相互垂直。

所述单元臂节和其相邻单元臂节通过连接组件相连时，连接组件的第一、第二滑动轴承环套在单元臂节第二压电振子金属基体的第二阶梯圆柱上间隙配合，连接组件的第三、第四滑动轴承环套在相邻单元臂节第一压电振子金属基体的第二阶梯圆柱上间隙配合，使得单元臂节第二压电振子金属基体的第一、第三阶梯圆柱和相邻单元臂节第一压电振子金属基体的第一、第三阶梯圆柱正交相抵。

所述第一至第四压电陶瓷片通过环氧树脂胶粘结粘贴在第二阶梯圆柱的四个矩形贴片槽中，且用防水胶作绝缘处理。

本发明还公开了一种该贴片式压电驱动二自由度全开放水下机械臂的单元臂节驱动方法，包含以下步骤：

如图6所示，对单元臂节的第一、第三压电陶瓷片施加第一简谐驱动信号，对单元臂节的第二、第四压电陶瓷片施加和所述第一简谐驱动信号相同频率且具有π/2时间相位差的第二简谐驱动信号，激励出第一、第二压电振子两个时间和空间相互正交的一阶弯振模态，如图7、图8所示，使其金属基体两端各点产生微幅椭圆运动，相邻单元臂节的第一、第二压电振子对其提供支持产生摩擦力，经过摩擦作用产生驱动力，使得单元臂节相对其相邻单元臂节转动。

工作时，可分别对相邻单元臂节的压电振子施加驱动信号，可分别实现单元臂节绕与之相邻单元臂节压电振子圆周方向的转动和单元臂节绕自身的压电振子轴线的转动。又由于单元臂节和其相邻单元臂节在空间上正交，对两单元臂节对应的压电振子施加驱动信号，能够实现两臂节在正交平面内的二自由度转动。

本发明提出了一种贴片式压电驱动二自由度水下机械臂及其驱动方法，相对于传统水下作业械臂其结构简单，质量轻，易于实现微型化以及密封处理，不受电磁干扰，能断电自锁，由于压电振子为轴对称结构，利用其两个正交方向的同阶弯振的两相模态频率一致性，无需进行不同相模态的模态耦合频率一致性调节，减少了对机械臂设计尺寸形状等的限制，更易于实现系列化，模块化的设计，缩短设计周期，对于水下微小型机器人的作业机械臂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)

1.一种贴片式压电驱动二自由度水下机械臂，其特征在于，包含若干N+1个单元臂节和N个连接组件，N为大于等于1的自然数，所述N+1个单元臂节通过N个连接组件依次相连；

所述单元臂节包含第一至第二压电振子、第一至第二连接板、以及第一至第四压电陶瓷片；

所述第一、第二压电振子均包含金属基体以及第一至第四压电陶瓷片；

所述金属基体包含第一至第三阶梯圆柱，其中，第一阶梯圆柱、第三阶梯圆柱直径相等且大于第二阶梯圆柱的直径；所述第二阶梯圆柱的两个端面分别和第一阶梯圆柱的一个端面、第三阶梯圆柱的一个端面固连，且第一至第三阶梯圆柱同轴；所述第二阶梯圆柱柱壁中心周向均匀设有四个矩形贴片槽；

所述第一至第四压电陶瓷片分别对应粘贴在所述四个矩形贴片槽中，均沿厚度方向极化，第一、第三压电陶瓷片相互平行且极化方向相同，第二、第四压电陶瓷片相互平行且极化方向相同，第一、第二压电陶瓷片所在平面相互垂直；

所述第一至第四压电陶瓷用于输入外部驱动信号使得金属基体振动；

所述第一、第二连接板平行设置，且第一、第二连接板的两端均分别和所述第一、第二压电振子的第二阶梯圆柱的一阶弯振节点处垂直固连；

所述连接组件包含第一至第四滑动轴承环、以及第一至第四双钩弹簧；

所述第一至第四滑动轴承环均呈圆环状，其上设有连线经过圆心的第一连接孔、第二连接孔；所述第一至第四双钩弹簧两端弹簧钩的方向均相互垂直；

所述第一双钩弹簧、第二双钩弹簧的一端分别和第一滑动轴承环的第一连接孔、第二连接孔相连，另一端分别和第三滑动轴承环、第四滑动轴承环的第一连接孔相连；第三双钩弹簧、第四双钩弹簧的一端分别和第二滑动轴承环的第一连接孔、第二连接孔相连，另一端分别和第三滑动轴承环、第四滑动轴承环的第二连接孔相连；使得第一滑动轴承环、第二滑动轴承环所在平面相互平行，第三滑动轴承环、第四滑动轴承环所在平面相互平行，第一滑动轴承环、第三滑动轴承环所在平面相互垂直；

所述单元臂节和其相邻单元臂节通过连接组件相连时，连接组件的第一、第二滑动轴承环套在单元臂节第二压电振子金属基体的第二阶梯圆柱上间隙配合，连接组件的第三、第四滑动轴承环套在相邻单元臂节第一压电振子金属基体的第二阶梯圆柱上间隙配合，使得单元臂节第二压电振子金属基体的第一、第三阶梯圆柱和相邻单元臂节第一压电振子金属基体的第一、第三阶梯圆柱正交相抵。

2.根据权利要求1所述的贴片式压电驱动二自由度全开放水下机械臂，其特征在于，所述第一至第四压电陶瓷片通过环氧树脂胶粘结粘贴在第二阶梯圆柱的四个矩形贴片槽中，且用防水胶作绝缘处理。

3.根据权利要求1所述的贴片式压电驱动二自由度全开放水下机械臂，其特征在于，所述金属基体沿其轴线设有通孔，且第一阶梯圆柱远离第二阶梯圆柱的一端、第三阶梯圆柱远离第二阶梯圆柱的一端均设有和第二阶梯圆柱同轴的圆形凹槽。

4.根据权利要求1所述的贴片式压电驱动二自由度全开放水下机械臂，其特征在于，所述第一、第二连接板均两端设有对称的安装圆孔，中部设有矩形孔；

所述第一、第二连接板的两端均分别通过其安装圆孔和所述第一、第二压电振子的第二阶梯圆柱过盈配合连接。

5.基于权利要求1所述的贴片式压电驱动二自由度全开放水下机械臂的单元臂节驱动方法，其特征在于，包含以下步骤：

对单元臂节的第一、第三压电陶瓷片施加第一简谐驱动信号，对单元臂节的第二、第四压电陶瓷片施加和所述第一简谐驱动信号相同频率且具有π/2时间相位差的第二简谐驱动信号，激励出第一、第二压电振子两个时间和空间相互正交的一阶弯振模态，使其金属基体两端各点产生微幅椭圆运动，相邻单元臂节的第一、第二压电振子对其提供支持产生摩擦力，经过摩擦作用产生驱动力，使得单元臂节相对其相邻单元臂节转动。

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