CN112171712A - 一种压电驱动的多自由度空间机械关节及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动的多自由度空间机械关节及其工作方法，多自由度空间机械关节包括M个转动单元和M‑1个连接单元。转动单元包括环形基体、第一至第二转轴、第一至第二作动头、两个矩形压电陶瓷片、2i个弧形压电陶瓷片、第一至第二轴承、第一至第二连接架、第一至第二弧形梁、以及第一至第二预紧组件。本发明中转动单元具有一个转动自由度，通过连接单元使得各个转动单元正交连接，驱动各个转动单元运动就能够实现整个空间机械关节的运动。本发明结构简单、体积小、重量轻，对空间环境适应性强。

Description

一种压电驱动的多自由度空间机械关节及其工作方法

技术领域

本发明涉及压电作动和机器人领域，尤其涉及一种压电驱动的多自由度空间机械关节及其工作方法。

背景技术

2003年，神舟五号宇航员杨利伟，成功围绕地球十四圈，使中国成为继美国、俄罗斯第三个成功进行载人航天的国家，拉开了我国开展载人航天工程的序幕。太空环境具有强辐射、高真空、大温差、微重力等特点，对宇航员执行空间舱舱外任务提出了严峻挑战，开发代替宇航员开展太空活动的空间机器人迫在眉睫。

机械关节是空间机械人实现快速响应、灵活运动、精确定位的直接执行部件，是决定空间机器人运动学、动力学特性的关键单元。因此，研究空间机械关节成为研究空间机器人的重要基础环节。

现有的空间机械关节几乎都采用电磁电机和齿轮减速器配合的驱动方案。电磁电机内布置大量的绝缘塑料，大温差会加速塑料的老化和缩短电磁电机的使用寿命；润滑油在高真空、微重力环境下挥发率增高，产生润滑不良、污染等问题；真空环境中不存在对流的散热形式。当齿轮长时间工作，啮合接触区的热量因散热缓慢而持续聚集。过高的温升会降低油膜粘度，加剧油膜闪蒸、破坏边界油膜的形成。

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，提供一种压电驱动的多自由度空间机械关节及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种压电驱动的多自由度空间机械关节，包括M个转动单元和M-1个连接单元；

所述转动单元包括环形基体、第一至第二转轴、第一至第二作动头、两个矩形压电陶瓷片、2i个弧形压电陶瓷片、第一至第二轴承、第一至第二连接架、第一至第二弧形梁、以及第一至第二预紧组件，i为大于等于1的自然数；

所述第一转轴、第二转轴、第一作动头、第二作动头均设置在环形基体的外壁上，其中，第一转轴、第二转轴对称设置在环形基体的两侧，且第一转轴、第二转轴所在直线经过环形基体的圆心；第一作动头、第二作动头对称设置在环形基体的两侧，第一作动头、第二作动头中心的连线经过环形基体的圆心且垂直于第一转轴、第二转轴所在的直线；

所述环形基体的内壁上还设有对称的第一矩形槽、第二矩形槽，且第一矩形槽的中心、第二矩形槽的中心、第一作动头的中心、第二作动头的中心在同一直线上；

所述两个矩形压电陶瓷片分别对应设置在第一矩形槽、第二矩形槽中，均沿厚度方向极化且极化方向相反；

所述2i个弧形压电陶瓷片均呈弧形，周向均匀的设置在环形基体的上端面或下端面上，且2i个弧形压电陶瓷片关于第一作动头中心、第二作动头中心所在的直线对称；

所述2i个弧形压电陶瓷片均沿厚度方向极化且相邻基体压电陶瓷片的极化方向相反；

所述第一轴承设置在第一转轴上、内圈和第一转轴固连且和第一转轴同轴，所述第二轴承设置在第二转轴上、内圈和第二转轴固连且和第二转轴同轴；

所述第一弧形梁、第二弧形梁结构相同，均呈圆弧状，开口相向设置，均包含内壁、外壁、第一侧壁、第二侧壁、第一端壁和第二端壁；内壁中心沿长度方向设有贯穿至外壁的弧形通槽；第一侧壁、第二侧壁的中心沿内壁法线方向均设有滑槽，且滑槽内均设有能够自由滑动的滑块；

所述第一连接架、第二连接架结构相同，均呈圆弧状，在中心处均设有贯穿其内壁和外壁的安装孔；第一连接架一端和第一弧形梁第一侧壁上的滑块固连、另一端和第二弧形梁第一侧壁上的滑块固连；第二连接架一端和第一弧形梁第二侧壁上的滑块固连、另一端和第二弧形梁第二侧壁上的滑块固连；

所述第一轴承的外圈固定在第一连接架中心的安装孔内，第一转轴远离环形基体的一端穿过第一连接架中心的安装孔；第二轴承的外圈固定在第二连接架中心的安装孔内，第二转轴远离环形基体的一端穿过第二连接架中心的安装孔；

所述环形基体、第一弧形梁、第二弧形梁、第一连接架、第二连接架的圆心重合；

所述第一预紧组件、第二预紧组件结构相同，均包含预紧螺栓、压簧、滚子轴、以及第一至第二滚子，其中，所述滚子轴中心开有通孔；所述第一滚子、第二滚子的转轴分别和滚子轴的两端同轴固连；所述预紧螺栓的尾端穿过滚子轴中心的通孔；所述压簧套在预紧螺栓的螺柱上，一端和预紧螺栓的螺帽相抵、另一端和滚子轴相抵；

所述第一作动头、第二作动头上分别设有和第一预紧组件的预紧螺栓、第二预紧组件的预紧螺栓相匹配的螺纹孔；

所述第一预紧组件的第一滚子、第二滚子和第一弧形梁上弧形通槽两侧的外壁相抵，第一预紧组件预紧螺栓的尾端穿过第一弧形梁上的弧形通槽后和第一作动头上的螺纹孔螺纹相连，使得第一作动头和第一弧形梁的内壁相抵；

所述第二预紧组件的第一滚子、第二滚子和第二弧形梁上弧形通槽两侧的外壁相抵，第二预紧组件预紧螺栓的尾端穿过第二弧形梁上的弧形通槽后和第二作动头上的螺纹孔螺纹相连，使得第二作动头和第二弧形梁的内壁相抵；

所述连接单元包含第一L形连接件和第二L形连接件；所述第一L形连接件、第二L形连接件结构相同，均包含短臂以及与其一端垂直固连的长臂；

所述M个转动单元通过M-1个连接单元连接，M个转动单元、M-1个连接单元交错设置，相邻转动单元的第一转轴相互垂直；

所述连接单元第一L形连接件短臂远离长臂的一端和连接单元前侧转动单元中第一弧形梁的第二端面固连，第二L形连接件短臂远离长臂的一端和连接单元前侧转动单元中第二弧形梁的第二端面固连，第一L形连接件长臂远离短臂的一端和连接单元后侧转动单元中第一转轴垂直固连，第二L形连接件长臂远离短臂的一端和连接单元后侧转动单元中第二转轴垂直固连。

作为本发明一种压电驱动的多自由度空间机械关节进一步的优化方案，所述第一弧形梁、第二弧形梁中，第一侧壁、第二侧壁上的滑槽均采用燕尾槽，第一侧壁、第二侧壁上的滑块采用相应的梯形滑块。

本发明还公开了一种该压电驱动的多自由度空间机械关节的转动单元驱动工作，包含如下步骤：

令环形基体、第一至第二转轴、第一至第二作动头、两个矩形压电陶瓷片、2i个弧形压电陶瓷片、第一至第二轴承组成中空式压电换能器；

对2i个弧形压电陶瓷片施加第一交流电信号，激发中空式压电换能器的面外B_0n振动模态，n为奇数；对两个矩形压电陶瓷片施加第二交流电信号，激发中空式压电换能器的面内B_0m振动模态，m为偶数；

调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为π/2，此时第一、第二作动头的表面质点在垂直于第一转轴的平面内产生转向相同的椭圆运动，在摩擦力的作用下环形基体绕着第一、第二转轴转动；如果需要环形基体绕着第一、第二转轴反向转动，调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为-π/2即可。

驱动各个转动单元运动，即可实现整个空间机械关节的运动。

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：

1. 本发明所提出的多自由度空间机械关节采用摩擦直接驱动，具有结构简单、体积小、重量轻和对空间环境适应性强的优势；

2. 存在的空心结构允许光线、电线和管线穿过。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中转动单元的结构示意图；

图3是本发明中中空式压电换能器的结构示意图；

图4是本发明中压电陶瓷片的布置与极化示意图；

图5是本发明中第一至第二连接架、第一至第二弧形梁相配合的结构示意图；

图6是本发明中第一连接架和第一、第二弧形梁中第一侧面上的滑块相配合的结构示意图；

图7是本发明中第二弧形梁的结构示意图；

图8是本发明中第一预紧组件的结构示意图；

图9是中空式压电换能器面外B₀₃振动模态的三维图；

图10是中空式压电换能器面外B₀₃振动模态的平面图；

图11是中空式压电换能器面内B₀₂振动模态的三维图；

图12是中空式压电换能器面内B₀₂振动模态的平面图；

图13是中空式压电换能器两作动头产生椭圆轨迹的工作原理图；

图14是转动单元转动的工作原理图。

图中，1-环形基体，2-第一弧形梁，3-第一连接架，4-第一转轴，5-第一预紧组件，6-第二转轴，7-第一作动头，8-第二作动头，9-第一轴承，10-第二轴承，11-矩形压电陶瓷片，12-弧形压电陶瓷片，13-第二弧形梁，14-第二连接架，15-预紧螺栓，16-压簧，17-滚子轴，18-第一滚子，19-第二滚子。

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，本发明公开了一种压电驱动的多自由度空间机械关节，包括M个转动单元和M-1个连接单元。

如图2所示，所述转动单元包括环形基体、第一至第二转轴、第一至第二作动头、两个矩形压电陶瓷片、2i个弧形压电陶瓷片、第一至第二轴承、第一至第二连接架、第一至第二弧形梁、以及第一至第二预紧组件，i为大于等于1的自然数。

如图3所示，所述第一转轴、第二转轴、第一作动头、第二作动头均设置在环形基体的外壁上，其中，第一转轴、第二转轴对称设置在环形基体的两侧，且第一转轴、第二转轴所在直线经过环形基体的圆心；第一作动头、第二作动头对称设置在环形基体的两侧，第一作动头、第二作动头中心的连线经过环形基体的圆心且垂直于第一转轴、第二转轴所在的直线；

所述环形基体的内壁上还设有对称的第一矩形槽、第二矩形槽，且第一矩形槽的中心、第二矩形槽的中心、第一作动头的中心、第二作动头的中心在同一直线上；

如图4所示，所述两个矩形压电陶瓷片分别对应设置在第一矩形槽、第二矩形槽中，均沿厚度方向极化且极化方向相反；

所述2i个弧形压电陶瓷片均呈弧形，周向均匀的设置在环形基体的上端面或下端面上，且2i个弧形压电陶瓷片关于第一作动头中心、第二作动头中心所在的直线对称；

所述2i个弧形压电陶瓷片均沿厚度方向极化且相邻基体压电陶瓷片的极化方向相反；

所述第一轴承设置在第一转轴上、内圈和第一转轴固连且和第一转轴同轴，所述第二轴承设置在第二转轴上、内圈和第二转轴固连且和第二转轴同轴。

如图5所示，所述第一弧形梁、第二弧形梁结构相同，均呈圆弧状，开口相向设置，均包含内壁、外壁、第一侧壁、第二侧壁、第一端壁和第二端壁；内壁中心沿长度方向设有贯穿至外壁的弧形通槽；第一侧壁、第二侧壁的中心沿法线方向均设有滑槽，且滑槽内均设有能够自由滑动的滑块，如图7所示；

所述第一连接架、第二连接架结构相同，均呈圆弧状，在中心处均设有贯穿其内壁和外壁的安装孔；第一连接架一端和第一弧形梁第一侧壁上的滑块固连、另一端和第二弧形梁第一侧壁上的滑块固连，如图6所示；第二连接架一端和第一弧形梁第二侧壁上的滑块固连、另一端和第二弧形梁第二侧壁上的滑块固连；

所述第一轴承的外圈固定在第一连接架中心的安装孔内，第一转轴远离环形基体的一端穿过第一连接架中心的安装孔；第二轴承的外圈固定在第二连接架中心的安装孔内，第二转轴远离环形基体的一端穿过第二连接架中心的安装孔；

所述环形基体、第一弧形梁、第二弧形梁、第一连接架、第二连接架的圆心重合。

如图8所示，所述第一预紧组件、第二预紧组件结构相同，均包含预紧螺栓、压簧、滚子轴、以及第一至第二滚子，其中，所述滚子轴中心开有通孔；所述第一滚子、第二滚子的转轴分别和滚子轴的两端同轴固连；所述预紧螺栓的尾端穿过滚子轴中心的通孔；所述压簧套在预紧螺栓的螺柱上，一端和预紧螺栓的螺帽相抵、另一端和滚子轴相抵；

所述第一作动头、第二作动头上分别设有和第一预紧组件的预紧螺栓、第二预紧组件的预紧螺栓相匹配的螺纹孔；

所述第一预紧组件的第一滚子、第二滚子和第一弧形梁上弧形通槽两侧的外壁相抵，第一预紧组件预紧螺栓的尾端穿过第一弧形梁上的弧形通槽后和第一作动头上的螺纹孔螺纹相连，使得第一作动头和第一弧形梁的内壁相抵；

所述第二预紧组件的第一滚子、第二滚子和第二弧形梁上弧形通槽两侧的外壁相抵，第二预紧组件预紧螺栓的尾端穿过第二弧形梁上的弧形通槽后和第二作动头上的螺纹孔螺纹相连，使得第二作动头和第二弧形梁的内壁相抵。

所述连接单元包含第一L形连接件和第二L形连接件；所述第一L形连接件、第二L形连接件结构相同，均包含短臂以及与其一端垂直固连的长臂；

所述M个转动单元通过M-1个连接单元连接，M个转动单元、M-1个连接单元交错设置，相邻转动单元的第一转轴相互垂直；

所述连接单元第一L形连接件短臂远离长臂的一端和连接单元前侧转动单元中第一弧形梁的第二端面固连，第二L形连接件短臂远离长臂的一端和连接单元前侧转动单元中第二弧形梁的第二端面固连，第一L形连接件长臂远离短臂的一端和连接单元后侧转动单元中第一转轴垂直固连，第二L形连接件长臂远离短臂的一端和连接单元后侧转动单元中第二转轴垂直固连。

所述第一弧形梁、第二弧形梁中，第一侧壁、第二侧壁上的滑槽均优先采用燕尾槽，第一侧壁、第二侧壁上的滑块采用相应的梯形滑块。

本发明还公开了一种该压电驱动的多自由度空间机械关节的转动单元驱动工作，包含如下步骤：

令环形基体、第一至第二转轴、第一至第二作动头、两个矩形压电陶瓷片、2i个弧形压电陶瓷片、第一至第二轴承组成中空式压电换能器；

对2i个弧形压电陶瓷片施加第一交流电信号，激发中空式压电换能器的面外B_0n振动模态，n为奇数；对两个矩形压电陶瓷片施加第二交流电信号，激发中空式压电换能器的面内B_0m振动模态，m为偶数；环形基板的面内振动模态用B_ab表示，其中下标a和b分别表示轴向节圆数和径向节径数；环形基板的面外振动模态用B_cd表示，其中下标c和d分别表示节圆数和节径数；

调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为π/2，此时第一、第二作动头的表面质点在垂直于第一转轴的平面内产生转向相同的椭圆运动，在摩擦力的作用下环形基体绕着第一、第二转轴转动；如果需要环形基体绕着第一、第二转轴反向转动，调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为-π/2即可。

驱动各个转动单元运动，即可实现整个空间机械关节的运动。

记中空式压电换能器圆环形金属基体的圆心为坐标原点，第一转轴所在的直径为x轴，第一作动头所在的直径为y轴，建立右手系，如图9所示。

以中空式压电换能器的面外B₀₃振动模态被激发出来为例，第一转轴所在的直径为该阶振动模态的节径，第一、第二作动头的表面质点沿着z轴运动且运动方向相反，如图 9和图 10所示。

以中空式压电换能器的面内B₀₂振动模态被激发出来为例，第一转轴所在的直径平分面内B₀₂振动模态的2个节径，第一、第二作动头的表面质点沿着y轴运动且运动方向相反，如图 11和图 12所示。

当具有π/2时间相位差的交流电信号分别激励矩形、弧形压电陶瓷片时，中空式压电换能器的面外B₀₃振动模态和面内B₀₂振动模态将会复合，第一、第二作动头的表面质点将会在垂直于第一转轴所在直径的平面即面yoz内产生转向相同的椭圆运动，如图13所示。在预压力施加装置提供的预压力作用下，第一、第二作动头通过摩擦力驱动中空式压电换能器绕着第一、第二转轴转动，如图14所示。

当具有-π/2时间相位差的交流电信号激励所述中空式压电换能器时，能实现中空式压电换能器的反向转动。

通过连接单元，前一个转动单元的转动带动后一个转动单元的运动，从而实现整个空间机械关节的运动。

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 (3)

1.一种压电驱动的多自由度空间机械关节，其特征在于，包括M个转动单元和M-1个连接单元；

所述转动单元包括环形基体、第一至第二转轴、第一至第二作动头、两个矩形压电陶瓷片、2i个弧形压电陶瓷片、第一至第二轴承、第一至第二连接架、第一至第二弧形梁、以及第一至第二预紧组件，i为大于等于1的自然数；

所述第一转轴、第二转轴、第一作动头、第二作动头均设置在环形基体的外壁上，其中，第一转轴、第二转轴对称设置在环形基体的两侧，且第一转轴、第二转轴所在直线经过环形基体的圆心；第一作动头、第二作动头对称设置在环形基体的两侧，第一作动头、第二作动头中心的连线经过环形基体的圆心且垂直于第一转轴、第二转轴所在的直线；

所述环形基体的内壁上还设有对称的第一矩形槽、第二矩形槽，且第一矩形槽的中心、第二矩形槽的中心、第一作动头的中心、第二作动头的中心在同一直线上；

所述两个矩形压电陶瓷片分别对应设置在第一矩形槽、第二矩形槽中，均沿厚度方向极化且极化方向相反；

所述2i个弧形压电陶瓷片均呈弧形，周向均匀的设置在环形基体的上端面或下端面上，且2i个弧形压电陶瓷片关于第一作动头中心、第二作动头中心所在的直线对称；

所述2i个弧形压电陶瓷片均沿厚度方向极化且相邻基体压电陶瓷片的极化方向相反；

所述第一轴承设置在第一转轴上、内圈和第一转轴固连且和第一转轴同轴，所述第二轴承设置在第二转轴上、内圈和第二转轴固连且和第二转轴同轴；

所述第一弧形梁、第二弧形梁结构相同，均呈圆弧状，开口相向设置，均包含内壁、外壁、第一侧壁、第二侧壁、第一端壁和第二端壁；内壁中心沿长度方向设有贯穿至外壁的弧形通槽；第一侧壁、第二侧壁的中心沿内壁法线方向均设有滑槽，且滑槽内均设有能够自由滑动的滑块；

所述第一连接架、第二连接架结构相同，均呈圆弧状，在中心处均设有贯穿其内壁和外壁的安装孔；第一连接架一端和第一弧形梁第一侧壁上的滑块固连、另一端和第二弧形梁第一侧壁上的滑块固连；第二连接架一端和第一弧形梁第二侧壁上的滑块固连、另一端和第二弧形梁第二侧壁上的滑块固连；

所述第一轴承的外圈固定在第一连接架中心的安装孔内，第一转轴远离环形基体的一端穿过第一连接架中心的安装孔；第二轴承的外圈固定在第二连接架中心的安装孔内，第二转轴远离环形基体的一端穿过第二连接架中心的安装孔；

所述环形基体、第一弧形梁、第二弧形梁、第一连接架、第二连接架的圆心重合；

所述第一预紧组件、第二预紧组件结构相同，均包含预紧螺栓、压簧、滚子轴、以及第一至第二滚子，其中，所述滚子轴中心开有通孔；所述第一滚子、第二滚子的转轴分别和滚子轴的两端同轴固连；所述预紧螺栓的尾端穿过滚子轴中心的通孔；所述压簧套在预紧螺栓的螺柱上，一端和预紧螺栓的螺帽相抵、另一端和滚子轴相抵；

所述第一作动头、第二作动头上分别设有和第一预紧组件的预紧螺栓、第二预紧组件的预紧螺栓相匹配的螺纹孔；

所述第一预紧组件的第一滚子、第二滚子和第一弧形梁上弧形通槽两侧的外壁相抵，第一预紧组件预紧螺栓的尾端穿过第一弧形梁上的弧形通槽后和第一作动头上的螺纹孔螺纹相连，使得第一作动头和第一弧形梁的内壁相抵；

所述第二预紧组件的第一滚子、第二滚子和第二弧形梁上弧形通槽两侧的外壁相抵，第二预紧组件预紧螺栓的尾端穿过第二弧形梁上的弧形通槽后和第二作动头上的螺纹孔螺纹相连，使得第二作动头和第二弧形梁的内壁相抵；

所述连接单元包含第一L形连接件和第二L形连接件；所述第一L形连接件、第二L形连接件结构相同，均包含短臂以及与其一端垂直固连的长臂；

所述M个转动单元通过M-1个连接单元连接，M个转动单元、M-1个连接单元交错设置，相邻转动单元的第一转轴相互垂直；

所述连接单元第一L形连接件短臂远离长臂的一端和连接单元前侧转动单元中第一弧形梁的第二端面固连，第二L形连接件短臂远离长臂的一端和连接单元前侧转动单元中第二弧形梁的第二端面固连，第一L形连接件长臂远离短臂的一端和连接单元后侧转动单元中第一转轴垂直固连，第二L形连接件长臂远离短臂的一端和连接单元后侧转动单元中第二转轴垂直固连。

2.根据权利要求1所述的压电驱动的多自由度空间机械关节，其特征在于，所述第一弧形梁、第二弧形梁中，第一侧壁、第二侧壁上的滑槽均采用燕尾槽，第一侧壁、第二侧壁上的滑块采用相应的梯形滑块。

3.基于权利要求1所述的压电驱动的多自由度空间机械关节的转动单元驱动工作，其特征在于，包含如下步骤：

令环形基体、第一至第二转轴、第一至第二作动头、两个矩形压电陶瓷片、2i个弧形压电陶瓷片、第一至第二轴承组成中空式压电换能器；

对2i个弧形压电陶瓷片施加第一交流电信号，激发中空式压电换能器的面外B_0n振动模态，n为奇数；对两个矩形压电陶瓷片施加第二交流电信号，激发中空式压电换能器的面内B_0m振动模态，m为偶数；

调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为π/2，此时第一、第二作动头的表面质点在垂直于第一转轴的平面内产生转向相同的椭圆运动，在摩擦力的作用下环形基体绕着第一、第二转轴转动；如果需要环形基体绕着第一、第二转轴反向转动，调整第一交流电信号和第二交流电信号使其相位差为-π/2即可。

驱动各个转动单元运动，即可实现整个空间机械关节的运动。

Images