CN112917502A - 一种压电手指及其激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电手指及其激励方法，属于机器人技术领域。本发明的压电手指，结构包括3个指节和2个指关节，继承了压电机构的优点，具有结构简单，体积小，重量轻，位移分辨率高，断电自锁等特点；采用多指节及关节串联的结构形式，以周期性激励信号激励该压电手指的指节及关节，利用摩擦力驱动其连续步进运动，实现空间大旋转范围运动输出，在生物医疗、微纳制造、机器人、航空宇航这些领域具备了良好的应用前景。

Description

一种压电手指及其激励方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体地涉及一种压电手指及其激励方法。

背景技术

近年来，随着生物医疗、微纳制造、机器人、航空宇航等领域的不断发展，对超精密指向定位机构的各项技术指标均提出了苛刻的需求，要求其具备结构简单，体积小，重量轻，指向范围大等特点。传统电磁电机驱动的指向机构，需要使用大量传动机构和转动副，尺寸大且机构复杂，控制要求高，需要解决其润滑及长寿命等难点问题，此外，还存在着易受电磁干扰影响等缺点，已经逐渐不能满足上述领域的发展需求。

而压电驱动型超精密指向定位机构具有响应快、分辨率高、断电自锁、无电磁干扰等优点，易于实现小型化、轻量化及高位移分辨率等特性，在生物医疗、微纳制造、机器人、航空宇航这些领域具备了良好的应用前景。

发明内容

为了解决传统电磁电机驱动的指向机构结构复杂、体积和重量较大，以及易受电磁干扰影响等问题，本发明提出了一种压电手指及其激励方法。

本发明是通过以下方案实现的：

一种压电手指，所述压点手指包括上指节1、上指关节2、中指节3、中指关节4和下指节5；所述的上指节1、中指节3和下指节5皆可实现弯曲运动输出，其中，上指节1可实现两正交方向弯曲运动输出，中指节3和下指节5可实现单方向弯曲运动输出；所述上指关节2和中指关节4可以实现旋转运动输出，其中，上指关节2可实现两正交方向旋转运动输出，中指关节4可实现单方向旋转运动输出；上指节1、中指节3和下指节5通过上指关节2、和中指关节4串联连接，整体呈指状；上指节1用于驱动上指关节2实现两自由度旋转运动输出，上指关节2的输出端与中指节3固定连接，中指节3用于驱动中指关节4实现单方向旋转运动输出，中指关节4的输出端与下指节5固定连接；所述上指节1结构包括上指节底座1-1、上指节驱动器1-2和上指节支架1-3，其中，上指节驱动器1-2用于驱动上指节1实现弯曲运动输出，上指节支架1-3用于支撑上指关节2；所述中指节3结构包括中指节底座3-1、中指节驱动器3-2和中指节支架3-3，其中，中指节驱动器3-2用于驱动中指节3实现弯曲运动输出，中指节支架3-3用于支撑中指关节4；所述下指节5由下指节底座5-1和下指节驱动器5-2组成，下指节底座5-1用于支撑下指节驱动器5-2，下指节驱动器5-2用于实现单自由度小角度弯曲运动输出

进一步地：上指节驱动器1-2、中指节驱动器3-2和下指节驱动器5-2用于输出弯曲运动，实现弯曲运动的结构为压电结构，所述压电结构为贴片式结构、或叠堆式结构、或压电管。

进一步地：上指关节2和中指关节4用于输出旋转运动，实现旋转运动的结构为轴承结构、齿轮结构或螺纹结构。

进一步地：所述的上指节1和中指节3增加预紧结构，上指节1增加上指节中支架1-4和上指节上支架1-5，通过螺纹连接，调整上指关节2的位置，实现上指节驱动器1-2与上指关节2之间的预紧力调整；中指节3增加中指节中支架3-4和中指节上支架3-5，通过螺纹连接，调整中指关节4的位置，实现中指节驱动器3-2与中指关节4之间的预紧力调整。

进一步地：所述的下指节5末端设有装配孔，用于安装各种末端执行器。

进一步地：利用更多指节及指关节实现更大的指向范围，利用更少的指节及指关节在更小的体积实现特定的指向范围。

进一步地：利用多个所述的压电手指并联的方法构建压电手，用于实现复杂外形样本的精密操纵。

一种应用于所述的压电手指的激励方法，所述激励方法能够激励压电手指的上指节1、中指节3和下指节5实现沿弯曲运动，通过上指节1的周期性弯曲运动驱动上指关节2实现两自由度大尺度旋转运动输出，通过中指节3的周期性弯曲运动驱动中指关节4实现单自由度大尺度旋转运动输出，通过上指节1、上指关节2、中指节3、中指关节4和下指节5串联，实现空间大尺度高精度指向；

在所述空间大尺度高精度指向，利用上指节1的周期性弯曲运动实现上指关节2单方向旋转运动的激励方法如：

步骤一、上指节1施加幅值快速升的激励电压信号，实现快速弯曲运动，上指关节2由于惯性保持静止；

步骤二、上指节1施加幅值缓慢降的激励电压信号，实现缓慢反向弯曲运动，利用静摩擦力驱动上指关节2旋转一个角度；

步骤三、重复步骤一至步骤二，能够驱动上指关节2实现单向连续的步进运动，实现大角度旋转运动输出；

所述所述激励方法能够激励压电手指的上指节1、中指节3和下指节5实现沿弯曲运动，进而驱动上指关节2和中指关节4实现大尺度旋转运动输出。

进一步地：实现该方法所需的激励电压信号的波形为非对称波，所述非对称波为非对称三角波或非对称梯形波。

进一步地：能够通过改变激励信号的数值及对称度，调整驱动力的大小和方向，实现反向驱动。

本发明有益效果

1本发明提供了一种压电手指，具有结构简单、体积小、重量轻、位移分辨率高及断电自锁的特点，通过多指节及关节串联的结构形式了实现空间大指向范围。

2本发明提供的压电手指的激励方法可以激励多指节及关节协调配合运动，痛过小步距累积的方法实现了空间大指向范围内的高位移分辨率，大大的拓展了机械手指的应用范围，使其在生物医疗、微纳制造、机器人、航空宇航等领域有着广阔的应用前景。

3.本发明提出的该压电手指的一种激励方法，以周期性激励信号激励该压电手指的指节及关节，利用摩擦力驱动其连续步进运动，实现空间大旋转范围运动输出。

附图说明

图1为本发明的压电手指的三维示意图；

图2为本发明的压电手指单指节驱动指关节运动及对应激励方案示意图，其中，Umax为正向电压幅值的极大值，T为所述激励方法的周期，a为激励方案一个周期的初始时刻，b为激励方案一个周期内电压幅值升到极大值时刻，c为激励方案一个周期内电压幅值降到极小值时刻；

图3为本发明的压电手指两自由度指关节结构示意图；

图4为本发明的压电手指一种多自由度指关节结构示意图；

图5为本发明的压电手指另一种多自由度指关节结构示意图；

图6为本发明的压电手指整合预紧机构的结构示意图；

图7为本发明的压电手指结合执行末端示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：

一种压电手指，所述压点手指包括上指节1、上指关节2、中指节3、中指关节4和下指节5；所述的上指节1、中指节3和下指节5皆可实现弯曲运动输出，其中，上指节1可实现两正交方向弯曲运动输出，中指节3和下指节5可实现单方向弯曲运动输出；所述上指关节2和中指关节4可以实现旋转运动输出，其中，上指关节2可实现两正交方向旋转运动输出，中指关节4可实现单方向旋转运动输出；上指节1、中指节3和下指节5通过上指关节2、和中指关节4串联连接，整体呈指状；上指节1用于驱动上指关节2实现两自由度旋转运动输出，上指关节2的输出端与中指节3固定连接，中指节3用于驱动中指关节4实现单方向旋转运动输出，中指关节4的输出端与下指节5固定连接；所述上指节1结构包括上指节底座1-1、上指节驱动器1-2和上指节支架1-3，其中，上指节驱动器1-2用于驱动上指节1实现弯曲运动输出，上指节支架1-3用于支撑上指关节2；所述中指节3结构包括中指节底座3-1、中指节驱动器3-2和中指节支架3-3，其中，中指节驱动器3-2用于驱动中指节3实现弯曲运动输出，中指节支架3-3用于支撑中指关节4；所述下指节5由下指节底座5-1和下指节驱动器5-2组成，下指节底座5-1用于支撑下指节驱动器5-2，下指节驱动器5-2用于实现单自由度小角度弯曲运动输出

上指节驱动器1-2、中指节驱动器3-2和下指节驱动器5-2用于输出弯曲运动，实现弯曲运动的结构为压电结构，所述压电结构为贴片式结构、或叠堆式结构、或压电管。

上指关节2和中指关节4用于输出旋转运动，实现旋转运动的结构为轴承结构、齿轮结构或螺纹结构。

参见图6，所述的上指节1和中指节3增加预紧结构，上指节1增加上指节中支架1-4和上指节上支架1-5，通过螺纹连接，调整上指关节2的位置，实现上指节驱动器1-2与上指关节2之间的预紧力调整；中指节3增加中指节中支架3-4和中指节上支架3-5，通过螺纹连接，调整中指关节4的位置，实现中指节驱动器3-2与中指关节4之间的预紧力调整。

所述的下指节5末端设有装配孔，用于安装各种末端执行器。

利用更多指节及指关节实现更大的指向范围，利用更少的指节及指关节在更小的体积实现特定的指向范围。

利用多个所述的压电手指并联的方法构建压电手，用于实现复杂外形样本的精密操纵。

一种应用于所述的压电手指的激励方法，所述激励方法能够激励压电手指的上指节1、中指节3和下指节5实现沿弯曲运动，通过上指节1的周期性弯曲运动驱动上指关节2实现两自由度大尺度旋转运动输出，通过中指节3的周期性弯曲运动驱动中指关节4实现单自由度大尺度旋转运动输出，通过上指节1、上指关节2、中指节3、中指关节4和下指节5串联，实现空间大尺度高精度指向；

在所述空间大尺度高精度指向，利用上指节1的周期性弯曲运动实现上指关节2单方向旋转运动的激励方法如：

步骤一、上指节1施加幅值快速升的激励电压信号，实现快速弯曲运动，上指关节2由于惯性保持静止；

步骤二、上指节1施加幅值缓慢降的激励电压信号，实现缓慢反向弯曲运动，利用静摩擦力驱动上指关节2旋转一个角度；

步骤三、重复步骤一至步骤二，能够驱动上指关节2实现单向连续的步进运动，实现大角度旋转运动输出；

所述所述激励方法能够激励压电手指的上指节1、中指节3和下指节5实现沿弯曲运动，进而驱动上指关节2和中指关节4实现大尺度旋转运动输出。

实现该方法所需的激励电压信号的波形为非对称波，所述非对称波为非对称三角波或非对称梯形波。

能够通过改变激励信号的数值及对称度，调整驱动力的大小和方向，实现反向驱动。

具体实施方式二：

参见图3说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述压电手指的两自由度指关节具体结构，一对正交轴承系串联，包括指节支架3-1，外轴3-2，外圈3-3，内圈3-4和内轴3-5，其中外轴3-2和内轴3-5正交，皆由轴承支撑，外轴3-2和外圈3-3固定连接，实现一个自由度的旋转运动输出，内圈3-4和内轴3-5固定连接，实现另一个自由度的旋转运动输出，通过串联结构分别实现两正交自由度运动输出，最终实现两个自由度的旋转运动。

具体实施方式三：

参见图4说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述压电手指的一种多自由度指关节具体结构，包括指节支架4-1，外圈4-2，指节底座4-3，弹性挡圈4-4和轴承滚子4-5，其中外圈4-2用于安装轴承滚子4-5，轴承滚子4-5与指节底座4-3点接触，弹性挡圈4-4将外圈4-2，上指节底座1-3和轴承滚子4-5装配在一起，限制其沿指节支架4-1轴向直线自由度的运动输出，实现多自由度的旋转运动输出。

具体实施方式四：

参见图5说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述压电手指的另一种多自由度指关节具体结构，包括指节支架5-1，外圈5-2，轴承5-3和轴5-4，其中，三对轴承5-3和轴5-4按120度布置在指节支架5-1上，外圈用于封装指节支架5-1，轴承5-3和轴5-4，下指节底座3-1与轴承5-3外圈线接触，最终实现多自由度的旋转运动输出。

具体实施方式五：

参见图6说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述新型压电手指的整合预紧机构的结构方案，上指节(1)增加上指节中支架(1-4)和上指节上支架(1-5)，通过螺纹连接，调整上指关节(2)的位置，实现上指节驱动器(1-2)与上指关节(2)之间的预紧力调整；此外，中指节(3)增加中指节中支架(3-4)和中指节上支架(3-5)，通过螺纹连接，调整中指关节(4)的位置，实现中指节驱动器(3-2)与中指关节(4)之间的预紧力调整。

具体实施方式六：

参见图7说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的压电手指结合执行末端6的实施方式，执行末端6固定安装在压电手指的下指节5末端；当执行末端6为原子力探针6-1时，本实施方式可用于精密测量和刻划；当执行末端6为为铣削刀具6-2时，本实施方式可用于精密加工；当执行末端6为为激光发射器6-3时，本实施方式可用于激光扫描和激光加工。

以上对本发明所提出的一种压电手指及其激励方法，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种压电手指，其特征在于：所述压点手指包括上指节(1)、上指关节(2)、中指节(3)、中指关节(4)和下指节(5)；所述的上指节(1)、中指节(3)和下指节(5)皆可实现弯曲运动输出，其中，上指节(1)可实现两正交方向弯曲运动输出，中指节(3)和下指节(5)可实现单方向弯曲运动输出；所述上指关节(2)和中指关节(4)可以实现旋转运动输出，其中，上指关节(2)可实现两正交方向旋转运动输出，中指关节(4)可实现单方向旋转运动输出；上指节(1)、中指节(3)和下指节(5)通过上指关节(2)、和中指关节(4)串联连接，整体呈指状；上指节(1)用于驱动上指关节(2)实现两自由度旋转运动输出，上指关节(2)的输出端与中指节(3)固定连接，中指节(3)用于驱动中指关节(4)实现单方向旋转运动输出，中指关节(4)的输出端与下指节(5)固定连接；所述上指节(1)结构包括上指节底座(1-1)、上指节驱动器(1-2)和上指节支架(1-3)，其中，上指节驱动器(1-2)用于驱动上指节(1)实现弯曲运动输出，上指节支架(1-3)用于支撑上指关节(2)；所述中指节(3)结构包括中指节底座(3-1)、中指节驱动器(3-2)和中指节支架(3-3)，其中，中指节驱动器(3-2)用于驱动中指节(3)实现弯曲运动输出，中指节支架(3-3)用于支撑中指关节(4)；所述下指节(5)由下指节底座(5-1)和下指节驱动器(5-2)组成，下指节底座(5-1)用于支撑下指节驱动器(5-2)，下指节驱动器(5-2)用于实现单自由度小角度弯曲运动输出。

2.根据权利要求1所述的一种压电手指，其特征在于：上指节驱动器(1-2)、中指节驱动器(3-2)和下指节驱动器(5-2)用于输出弯曲运动，实现弯曲运动的结构为压电结构，所述压电结构为贴片式结构、或叠堆式结构、或压电管。

3.根据权利要求1所述的一种压电手指，其特征在于：上指关节(2)和中指关节(4)用于输出旋转运动，实现旋转运动的结构为轴承结构、齿轮结构或螺纹结构。

4.根据权利要求1所述的一种压电手指，其特征在于：所述的上指节(1)和中指节(3)增加预紧结构，上指节(1)增加上指节中支架(1-4)和上指节上支架(1-5)，通过螺纹连接，调整上指关节(2)的位置，实现上指节驱动器(1-2)与上指关节(2)之间的预紧力调整；中指节(3)增加中指节中支架(3-4)和中指节上支架(3-5)，通过螺纹连接，调整中指关节(4)的位置，实现中指节驱动器(3-2)与中指关节(4)之间的预紧力调整。

5.根据权利要求1所述的一种压电手指，其特征在于：所述的下指节(5)末端设有装配孔，用于安装各种末端执行器。

6.根据权利要求1所述的一种压电手指，其特征在于：利用更多指节及指关节实现更大的指向范围，利用更少的指节及指关节在更小的体积实现特定的指向范围。

7.根据权利要求1所述的一种压电手指，其特征在于：利用多个所述的压电手指并联的方法构建压电手，用于实现复杂外形样本的精密操纵。

8.一种应用于权利要求1-7任意一项所述的压电手指的激励方法，其特征在于：所述激励方法能够激励压电手指的上指节(1)、中指节(3)和下指节(5)实现沿弯曲运动，通过上指节(1)的周期性弯曲运动驱动上指关节(2)实现两自由度大尺度旋转运动输出，通过中指节(3)的周期性弯曲运动驱动中指关节(4)实现单自由度大尺度旋转运动输出，通过上指节(1)、上指关节(2)、中指节(3)、中指关节(4)和下指节(5)串联，实现空间大尺度高精度指向；

在所述空间大尺度高精度指向，利用上指节(1)的周期性弯曲运动实现上指关节(2)单方向旋转运动的激励方法如：

步骤一、上指节(1)施加幅值快速升的激励电压信号，实现快速弯曲运动，上指关节(2)由于惯性保持静止；

步骤二、上指节(1)施加幅值缓慢降的激励电压信号，实现缓慢反向弯曲运动，利用静摩擦力驱动上指关节(2)旋转一个角度；

步骤三、重复步骤一至步骤二，能够驱动上指关节(2)实现单向连续的步进运动，实现大角度旋转运动输出；

所述所述激励方法能够激励压电手指的上指节(1)、中指节(3)和下指节(5)实现沿弯曲运动，进而驱动上指关节(2)和中指关节(4)实现大尺度旋转运动输出。

9.根据权利要求8所述的激励方法，其特征在于：实现该方法所需的激励电压信号的波形为非对称波，所述非对称波为非对称三角波或非对称梯形波。

10.根据权利要求8所述的激励方法，其特征在于：能够通过改变激励信号的数值及对称度，调整驱动力的大小和方向，实现反向驱动。

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