CN111726034B - 一种贴片式压电旋转机构及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贴片式压电旋转机构及其驱动方法，压电旋转机构包含若干个依次相连的旋转关节；旋转关节包含作动器、连接平板、连接弧板、和两个固定臂；作动器均包含压电振子、第一摩擦环、第二摩擦环和预紧组件；第一摩擦环、第二摩擦环通过预紧组件结合后形成空心圆柱套在压电振子上，两个固定臂连接压电振子和连接平板，连接平板远离压电振子的一端和连接弧板相连；旋转关节的连接弧板和其相邻旋转关节的第二摩擦环通过螺栓相连。作动器驱动第一摩擦环、第二摩擦环转动进而使得旋转关节之间转动。本发明具有构件少、结构紧凑、关节转动角度大等优点。

Description

一种贴片式压电旋转机构及其驱动方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种贴片式压电旋转机构及其驱动方法。

背景技术

随着航天技术、机械辅助医疗技术的迅速发展，对微型化机器人的需求日益增加，传统的机器人关节大都采用步进电机直接驱动或者依靠次轮等传动机构将动力传递到关节处。这使得机械臂的体积庞大，难以小型化。压电作动器具有体积小、精度高、断电自锁等优点，有利于机器人向高精度、小型化发展。

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旋转机构及其驱动方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种贴片式压电旋转机构，包含若干个依次相连的旋转关节；

所述旋转关节包含作动器、连接平板、连接弧板、第一固定臂和第二固定臂；

所述第一固定臂、第二固定臂均呈长板状，且第一固定臂、第二固定臂一端的一个板面上均设有十字凸台；

所述作动器均包含压电振子、第一摩擦环、第二摩擦环和预紧组件；

所述压电振子包含第一振梁、第二振梁、连接梁、以及第一至第八压电陶瓷片；

所述第一振梁、第二振梁均为长方体，形状相同，均包含第一端面、第二端面以及第一至第四侧壁，其中，第一侧壁平行于第三侧壁，第二侧壁平行于第四侧壁；

所述连接梁为圆柱体，其两个端面分别和第一振梁的第二端面、第二振梁的第一端面固连，且第一振梁、连接梁、第二振梁的轴线均在同一直线上；

所述第一振梁、连接梁、第二振梁沿轴线设有贯穿第一振梁、连接梁、第二振梁的通孔，且第一振梁的第一端面上、第二振梁的第二端面上均设有和所述十字凸台相匹配的凹槽；

所述第一至第四压电陶瓷片一一对应设置在所述第一振梁的第一至第四侧壁上，所述第五至第八压电陶瓷片一一对应设置在所述第二振梁的第五至第八侧壁上；

所述第一至第八压电陶瓷片均沿厚度方向极化，且第一、第三、第五、第七压电陶瓷片的极化方向相同，第二、第四、第六、第八压电陶瓷片的极化方向相同；

所述第一摩擦环、第二摩擦环为同尺寸空心半圆柱，均包含第一端面、第二端面、内壁、外壁、第一侧面和第二侧面；

所述第二摩擦环的第一侧面、第二侧面上都均匀设有若干调节螺纹孔，所述第一摩擦环的第一侧面、第二侧面上设有和所述第二摩擦环的第一侧面、第二侧面上的调节螺纹孔一一对应的沉头孔；

所述预紧组件包含和所述第二摩擦环的第一侧面、第二侧面上的调节螺纹孔一一对应的预紧单元；所述预紧单元包含调节螺栓和预紧弹簧，其中，所述调节螺栓包含依次同轴相连的螺帽、光柱和螺柱，所述预紧弹簧套在所述光柱上、一端和所述螺帽相抵；调节螺栓的螺柱穿过其对应第二摩擦环上的沉头孔后和其对应的第一摩擦环上的调节螺纹孔螺纹相连，预紧弹簧的另一端和第二摩擦环沉头孔相抵，使得第一摩擦环、第二摩擦环形成空心圆柱，将连接梁包含在内，且第一摩擦环、第二摩擦环的内壁均和连接梁相抵；

所述连接梁的两端均设有圆形凸台，以限制第一摩擦环、第二摩擦环轴向移动；

所述第二摩擦环的外壁上设有若干固定螺纹孔；

所述连接弧板的外壁和所述连接平板的一端固连，且连接弧板的内壁和所述第二摩擦环的外壁能够相贴合；连接弧板上设有若干和所述第二摩擦环外壁上固定螺纹孔一一对应的固定通孔；

所述连接平板另一端的两侧分别和所述第一固定臂、第二固定臂固连，使得第一固定臂、第二固定臂平行设置且第一固定臂上的十字凸台和第一振梁第一端面上的凹槽相配合、第二固定臂上的十字凸台和第二振梁第二端面上的凹槽相配合；

所述旋转关节的连接弧板和其相邻旋转关节的第二摩擦环通过螺栓相连。

作为本发明一种贴片式压电旋转机构进一步的优化方案，所述第一至第四压电陶瓷片通过环氧树脂一一对应胶粘在所述第一振梁的第一至第四侧壁上，所述第五至第八压电陶瓷片通过环氧树脂一一对应胶粘在所述第二振梁的第五至第八侧壁上。

作为本发明一种贴片式压电旋转机构进一步的优化方案，所述第一固定臂、第二固定臂设有十字凸台的一端呈圆弧状。

本发明还公开了一种该贴片式压电旋转机构的压电旋转关节驱动方法，包含以下步骤：

对第一、第三、第五、第七压电陶瓷片施加第一相驱动电压，对第二、第四、第六、第八压电陶瓷片施加第二相驱动电压，调节第一相驱动电压和第二相驱动电压使得其相位差为π/2，使压电振子在径向方向上产生两个正交的一阶弯振，使连接梁侧壁上的质点则做椭圆运动，在摩擦力的作用下驱动第一摩擦环与第二摩擦环转动；

如果需要驱动第一摩擦环与第二摩擦环反向转动，调整调节第一相驱动电压和第二相驱动电压使得其相位差为-π/2即可。

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. 该旋转关节的驱动元件采用的是超声电机，超声电机因其特有的优势使得该关节的旋转运动具有精度高、断电自锁性能好、无噪音等优点；超声电机也无需润滑油，使得机构清洁绿色无污染；

2. 传统机构的电机使用是在结构之外单独为驱动部分，而本旋转关节中，超声电机的使用不仅是驱动部分，还是结构与结构之间的连接部分，极大的发挥了元件的一物多用性，并且由于超声电机低速大转矩的特点使得驱动部分无需减速齿轮等一些中间机构，使得结构简单紧凑。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中第一固定臂的结构示意图；

图3是本发明中作动器的结构示意图；

图4是本发明中第一至第八压电陶瓷片的极化方向示意图；

图5是本发明中第一摩擦环结构示意图；

图6是本发明中第二摩擦环结构示意图；

图7是本发明中调节螺栓的结构示意图；

图8是本发明中连接平板和连接弧板相结合的结构示意图；

图9为本发明中压电振子第一一阶弯振模态的示意图；

图10为本发明中压电振子第二一阶弯振模态的示意图。

其中，1-作动器，2-连接平板，3-第一固定臂，4-第二固定臂，5-第一固定臂上的十字凸台，6-第一振梁，7-连接梁，8-第二振梁，9-第五压电陶瓷片，10-连接梁上的圆形凸台，11-第一摩擦环，12-第二摩擦环，13-第一摩擦环上的沉头孔，14-第二摩擦环上的调节螺纹孔，15-调节螺栓，16-预紧弹簧，17-第二压电陶瓷片，18-第三压电陶瓷片，19-第四压电陶瓷片，20-第六压电陶瓷片，21-第七压电陶瓷片，22-第八压电陶瓷片，23-第一压电陶瓷片，24-螺帽，25-光柱，26-螺柱，27-连接弧板，28-连接弧板上的固定通孔，29-第二摩擦环上的固定螺纹孔。

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旋转机构，包含若干个依次相连的旋转关节；

所述旋转关节包含作动器、连接平板、连接弧板、第一固定臂和第二固定臂。

如图2所示，所述第一固定臂、第二固定臂均呈长板状，且第一固定臂、第二固定臂一端的一个板面上均设有十字凸台；所述第一固定臂、第二固定臂设有十字凸台的一端呈圆弧状。

如图3所示，所述作动器均包含压电振子、第一摩擦环、第二摩擦环和预紧组件；

所述压电振子包含第一振梁、第二振梁、连接梁、以及第一至第八压电陶瓷片；

所述第一振梁、第二振梁均为长方体，形状相同，均包含第一端面、第二端面以及第一至第四侧壁，其中，第一侧壁平行于第三侧壁，第二侧壁平行于第四侧壁；

所述连接梁为圆柱体，其两个端面分别和第一振梁的第二端面、第二振梁的第一端面固连，且第一振梁、连接梁、第二振梁的轴线均在同一直线上；第一振梁、连接梁、第二振梁优先采用一体结构、即一体制成。

所述第一振梁、连接梁、第二振梁沿轴线设有贯穿第一振梁、连接梁、第二振梁的通孔，且第一振梁的第一端面上、第二振梁的第二端面上均设有和所述十字凸台相匹配的凹槽；

所述第一至第四压电陶瓷片一一对应设置在所述第一振梁的第一至第四侧壁上，所述第五至第八压电陶瓷片一一对应设置在所述第二振梁的第五至第八侧壁上。

如图4所示，所述第一至第八压电陶瓷片均沿厚度方向极化，且第一、第三、第五、第七压电陶瓷片的极化方向相同，第二、第四、第六、第八压电陶瓷片的极化方向相同。

如图5、图6所示，所述第一摩擦环、第二摩擦环为同尺寸空心半圆柱，均包含第一端面、第二端面、内壁、外壁、第一侧面和第二侧面；

所述第二摩擦环的第一侧面、第二侧面上都均匀设有若干调节螺纹孔，所述第一摩擦环的第一侧面、第二侧面上设有和所述第二摩擦环的第一侧面、第二侧面上的调节螺纹孔一一对应的沉头孔；

所述预紧组件包含和所述第二摩擦环的第一侧面、第二侧面上的调节螺纹孔一一对应的预紧单元；所述预紧单元包含调节螺栓和预紧弹簧，其中，所述调节螺栓包含依次同轴相连的螺帽、光柱和螺柱，如图7所示，所述预紧弹簧套在所述光柱上、一端和所述螺帽相抵；调节螺栓的螺柱穿过其对应第二摩擦环上的沉头孔后和其对应的第一摩擦环上的调节螺纹孔螺纹相连，预紧弹簧的另一端和第二摩擦环沉头孔相抵，使得第一摩擦环、第二摩擦环形成空心圆柱，将连接梁包含在内，且第一摩擦环、第二摩擦环的内壁均和连接梁相抵。

所述连接梁的两端均设有圆形凸台，以限制第一摩擦环、第二摩擦环轴向移动。

所述第二摩擦环的外壁上设有若干固定螺纹孔。

如图8所示，所述连接弧板的外壁和所述连接平板的一端固连，且连接弧板的内壁和所述第二摩擦环的外壁能够相贴合；连接弧板上设有若干和所述第二摩擦环外壁上固定螺纹孔一一对应的固定通孔。

所述连接平板另一端的两侧分别和所述第一固定臂、第二固定臂固连，使得第一固定臂、第二固定臂平行设置且第一固定臂上的十字凸台和第一振梁第一端面上的凹槽相配合、第二固定臂上的十字凸台和第二振梁第二端面上的凹槽相配合。

所述旋转关节的连接弧板和其相邻旋转关节的第二摩擦环通过螺栓相连。

所述第一至第四压电陶瓷片可以通过环氧树脂一一对应胶粘在所述第一振梁的第一至第四侧壁上，所述第五至第八压电陶瓷片通过环氧树脂一一对应胶粘在所述第二振梁的第五至第八侧壁上。

本发明还公开了一种该贴片式压电旋转机构的压电旋转关节驱动方法，包含以下步骤：

对第一、第三、第五、第七压电陶瓷片施加第一相驱动电压，对第二、第四、第六、第八压电陶瓷片施加第二相驱动电压，调节第一相驱动电压和第二相驱动电压使得其相位差为π/2，使压电振子在径向方向上同时产生两个正交的一阶弯振（如图9、图10所示），使连接梁侧壁上的质点则做椭圆运动，在摩擦力的作用下驱动第一摩擦环与第二摩擦环转动；

如果需要驱动第一摩擦环与第二摩擦环反向转动，调整调节第一相驱动电压和第二相驱动电压使得其相位差为-π/2即可。

通过作动器驱动该关节，能起到断电立即自锁、转动精度高等作用。在作动器的运行过程中不用像传统电机那样需要使用润滑油，也减少了对环境的污染，使得机构变得更加的绿色环保。作动器不仅是驱动连接平板的驱动元件，还是两个关节的连接部分，使得运动部件和驱动部件结构一体化，极大的简化了机构的结构。

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 (4)

1.一种贴片式压电旋转机构，其特征在于，包含若干个依次相连的旋转关节；

所述旋转关节包含作动器、连接平板、连接弧板、第一固定臂和第二固定臂；

所述第一固定臂、第二固定臂均呈长板状，且第一固定臂、第二固定臂一端的一个板面上均设有十字凸台；

所述作动器均包含压电振子、第一摩擦环、第二摩擦环和预紧组件；

所述压电振子包含第一振梁、第二振梁、连接梁、以及第一至第八压电陶瓷片；

所述第一振梁、第二振梁均为长方体，形状相同，均包含第一端面、第二端面以及第一至第四侧壁，其中，第一侧壁平行于第三侧壁，第二侧壁平行于第四侧壁；

所述连接梁为圆柱体，其两个端面分别和第一振梁的第二端面、第二振梁的第一端面固连，且第一振梁、连接梁、第二振梁的轴线均在同一直线上；

所述第一振梁、连接梁、第二振梁沿轴线设有贯穿第一振梁、连接梁、第二振梁的通孔，且第一振梁的第一端面上、第二振梁的第二端面上均设有和所述十字凸台相匹配的凹槽；

所述第一至第四压电陶瓷片一一对应设置在所述第一振梁的第一至第四侧壁上，所述第五至第八压电陶瓷片一一对应设置在所述第二振梁的第五至第八侧壁上；

所述第一至第八压电陶瓷片均沿厚度方向极化，且第一、第三、第五、第七压电陶瓷片的极化方向相同，第二、第四、第六、第八压电陶瓷片的极化方向相同；

所述第一摩擦环、第二摩擦环为同尺寸空心半圆柱，均包含第一端面、第二端面、内壁、外壁、第一侧面和第二侧面；

所述第二摩擦环的第一侧面、第二侧面上都均匀设有若干调节螺纹孔，所述第一摩擦环的第一侧面、第二侧面上设有和所述第二摩擦环的第一侧面、第二侧面上的调节螺纹孔一一对应的沉头孔；

所述预紧组件包含和所述第二摩擦环的第一侧面、第二侧面上的调节螺纹孔一一对应的预紧单元；所述预紧单元包含调节螺栓和预紧弹簧，其中，所述调节螺栓包含依次同轴相连的螺帽、光柱和螺柱，所述预紧弹簧套在所述光柱上、一端和所述螺帽相抵；调节螺栓的螺柱穿过其对应第二摩擦环上的沉头孔后和其对应的第一摩擦环上的调节螺纹孔螺纹相连，预紧弹簧的另一端和第二摩擦环沉头孔相抵，使得第一摩擦环、第二摩擦环形成空心圆柱，将连接梁包含在内，且第一摩擦环、第二摩擦环的内壁均和连接梁相抵；

所述连接梁的两端均设有圆形凸台，以限制第一摩擦环、第二摩擦环轴向移动；

所述第二摩擦环的外壁上设有若干固定螺纹孔；

所述连接弧板的外壁和所述连接平板的一端固连，且连接弧板的内壁和所述第二摩擦环的外壁能够相贴合；连接弧板上设有若干和所述第二摩擦环外壁上固定螺纹孔一一对应的固定通孔；

所述连接平板另一端的两侧分别和所述第一固定臂、第二固定臂固连，使得第一固定臂、第二固定臂平行设置且第一固定臂上的十字凸台和第一振梁第一端面上的凹槽相配合、第二固定臂上的十字凸台和第二振梁第二端面上的凹槽相配合；

所述旋转关节的连接弧板和其相邻旋转关节的第二摩擦环通过螺栓相连。

2.根据权利要求1所述的贴片式压电旋转机构，其特征在于，所述第一至第四压电陶瓷片通过环氧树脂一一对应胶粘在所述第一振梁的第一至第四侧壁上，所述第五至第八压电陶瓷片通过环氧树脂一一对应胶粘在所述第二振梁的第五至第八侧壁上。

3.根据权利要求1所述的贴片式压电旋转机构，其特征在于，所述第一固定臂、第二固定臂设有十字凸台的一端呈圆弧状。

4.基于权利要求1所述的贴片式压电旋转机构的压电旋转关节驱动方法，其特征在于，包含以下步骤：

对第一、第三、第五、第七压电陶瓷片施加第一相驱动电压，对第二、第四、第六、第八压电陶瓷片施加第二相驱动电压，调节第一相驱动电压和第二相驱动电压使得其相位差为π/2，使压电振子在径向方向上产生两个正交的一阶弯振，使连接梁侧壁上的质点则做椭圆运动，在摩擦力的作用下驱动第一摩擦环与第二摩擦环转动；

如果需要驱动第一摩擦环与第二摩擦环反向转动，调整调节第一相驱动电压和第二相驱动电压使得其相位差为-π/2即可。

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