CN113489369B - 步进式压电驱动器和机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种步进式压电驱动器和机器人，步进式压电驱动器包括驱动器外壳、步进式压电堆、位移放大器、钳位机构和输出轴，步进式压电堆固定于驱动器外壳上；位移放大器与步进式压电堆连接；钳位机构与位移放大器连接；输出轴与钳位机构连接；其中，步进式压电堆推动位移放大器运动，位移放大器在放大位移后推动钳位机构运动，钳位机构推动输出轴运动。本申请提供的步进式压电驱动器通过放大器将步进式压电堆的位移放大到机器人对位移的需求，而且有利于提高机器人的运动速度、分辨力和响应速度等特性，且使机器人具有不受电磁干扰的特点，在核辐射、电磁干扰等极端环境的精密检测和运输等领域有着潜在的应用前景。

Description

步进式压电驱动器和机器人

技术领域

本申请属于机器人技术领域，尤其涉及一种步进式压电驱动器和机器人。

背景技术

随着人类社会的不断进步，机器人的发展也进入快车道，机器人对提高人类生产效率和减少人类暴露在污染环境下发挥了重大的作用。目前如果满足机器人的运动位移需求就不得用到电机，但是这就导致机器人无法去到重磁场区、核污染区；如果满足机器人对于使用环境的需求，运动位移就无法得到满足。

发明内容

本申请实施例提供一种步进式压电驱动器和机器人，以解决现有的机器人在复杂环境下对位移需求高的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种步进式压电驱动器，步进式压电驱动器包括驱动器外壳、步进式压电堆、位移放大器、钳位机构和输出轴，步进式压电堆固定于驱动器外壳上；位移放大器与步进式压电堆连接；钳位机构与位移放大器连接；输出轴与钳位机构连接；其中，步进式压电堆推动位移放大器运动，位移放大器在放大位移后推动钳位机构运动，钳位机构推动输出轴运动。

可选的，位移放大器至少包括一级放大器和二级放大器，一级放大器与步进式压电堆连接，二级放大器分别与一级放大器和钳位机构连接，一级放大器和二级放大器用于依次放大步进式压电堆的位移。

可选的，一级放大器包括第一固定轴、第一转轴和第一连杆，第一固定轴固定于驱动器外壳上，第一转轴与第一固定轴转动连接，第一转轴的相对两端分别与步进式压电堆和第一连杆连接，第一转轴与步进式压电堆的连接点到第一固定轴的距离小于第一转轴与第一连杆的连接点到第一固定轴的距离，第一连杆与二级放大器连接。

可选的，二级放大器包括第二固定轴、第二转轴和第二连杆，第二固定轴固定于驱动器外壳上，第二转轴与第二固定轴转动连接，第二转轴的相对两端分别与一级放大器和第二连杆连接，第二转轴与一级放大器的连接点到第二固定轴的距离小于第二转轴与第二连杆的连接点到第二固定轴的距离，第二连杆与钳位机构连接。

可选的，一级放大器还包括滑块和连接轴，第一转轴开设有滑槽，滑块嵌设于滑槽中，连接轴固定于滑块上，第一连杆与连接轴转动连接。

可选的，步进式压电驱动器还包括弹性件，弹性件固定于驱动器外壳上，且在步进式压电堆的位移方向上抵接步进式压电堆。

可选的，钳位机构包括固定件、第一电磁铁、第二电磁铁和复位弹簧，固定件与位移放大器连接，第一电磁铁和第二电磁铁分别与固定件转动连接，且共同钳设铁性材质的输出轴，复位弹簧分别与第一电磁铁和第二电磁铁连接。

第二方面，本申请实施例还提供一种机器人，机器人包括主体框架、多个腿部结构和多个如上述任一项的步进式压电驱动器，步进式压电驱动器固定于主体框架上，多个腿部结构分别与主体框架转动连接，且与步进式压电驱动器的输出端连接。

本申请提供的步进式压电驱动器通过放大器将步进式压电堆的位移放大到机器人对位移的需求，而且有利于提高机器人的运动速度、分辨力和响应速度等特性，且使机器人具有不受电磁干扰的特点，在核辐射、电磁干扰等极端环境的精密检测和运输等领域有着潜在的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

为了更完整地理解本申请及其有益效果，下面将结合附图来进行说明。其中，在下面的描述中相同的附图标号表示相同部分。

图1是本申请提供的机器人在第一视角下的结构示意图；

图2是本申请提供的机器人在第二视角下的结构示意图；

图3是本申请提供的步进式压电驱动器在第一视角下的结构示意图；

图4是本申请提供的步进式压电驱动器在第二视角下的结构示意图；

图5是本申请提供的图4中A区域的放大示意图；

图6是本申请提供的腿部结构在第一视角下的结构示意图；

图7是本申请提供的腿部结构在第二视角下的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1和图2，图1是本申请提供的机器人1000在第一视角下的结构示意图，图2是本申请提供的机器人1000在第二视角下的结构示意图。

本申请的机器人1000包括主体框架200、多个腿部结构300和多个步进式压电驱动器100，步进式压电驱动器100固定于主体框架200上，多个腿部结构 300分别与主体框架200转动连接，且与步进式压电驱动器100的输出端连接。每个腿部结构300可以由一个步进式压电驱动器100驱动，保持各自的独立性，腿部结构300可以是两个、三个、四个、五个等等，多个腿部结构300相互配合实现机器人1000前进和后退。

请参阅图1至图4，图3是本申请提供的步进式压电驱动器100在第一视角下的结构示意图，图4是本申请提供的步进式压电驱动器100在第二视角下的结构示意图。

本申请步进式压电驱动器100包括驱动器外壳10、步进式压电堆20、位移放大器30、钳位机构40、输出轴50。步进式压电堆20固定于驱动器外壳10上，位移放大器30与步进式压电堆20连接，钳位机构40与位移放大器30连接，输出轴50与钳位机构40连接，输出轴50与腿部机构连接。步进式压电堆20 在通电后会伸长，步进式压电堆20由需要压电片排列在一起形成，压电片的逆压电效应将电能转换为机械能的驱动方式推动位移放大器30运动，位移放大器 30在放大位移后推动钳位机构40运动，钳位机构40推动输出轴50运动，输出轴50推动腿部机构运动。步进式压电堆20在断电后会收缩带动另一端的位移放大器30运动，位移放大器30继续带动另一端的箝位机构运动，箝位机构夹紧输出轴50，使得输出轴50再次向前运动。步进式压电堆20在通断电的过程中，持续带动输出轴50前进从而确保腿部结构300持续获取前进的动力。

步进式压电堆20的驱动方式具有分辨力高、响应速度快、不受电磁干扰等诸多优点，有利于提高机器人1000的运动速度、分辨力和响应速度等特性，且使机器人1000具有不受电磁干扰的特点，在核辐射、电磁干扰等极端环境的精密检测和运输等领域有着潜在的应用前景。此外，本申请的机器人1000是利用步进式压电堆20直接驱动机器人1000运动，简化了传统多足机器人1000系统中较为复杂的传动机构，有利于减小传动误差和进一步实现多足机器人1000的微型化设计。

位移放大器30至少包括一级放大器31和二级放大器32，一级放大器31 与步进式压电堆20连接，二级放大器32分别与一级放大器31和钳位机构40 连接，一级放大器31和二级放大器32用于依次放大步进式压电堆20的微小位移。步进式压电堆20推动一级放大器31运动，一级放大器31将步进式压电堆 20的位移放大一部分，一级放大器31推动二级放大器32运动，二级放大器32 将一级放大器31的位移进一步放大，一级放大器31和二级放大器32独立运行，独立配置于驱动器外壳10中，充分利用驱动器外壳10的立体空间。当然，根据驱动器外壳10的立体空间和机器人1000的位移需求，可以进一步设置三级放大器、四级放大器等。

具体地，一级放大器31包括第一固定轴311、第一转轴312和第一连杆313，第一固定轴311固定于驱动器外壳10上，第一转轴312与第一固定轴311转动连接，第一转轴312的相对两端分别与步进式压电堆20和第一连杆313连接，第一转轴312与步进式压电堆20的连接点到第一固定轴311的距离小于第一转轴312与第一连杆313的连接点到第一固定轴311的距离，第一连杆313与二级放大器32连接，类似于不对称的杠杆，在步进式压电堆20带动第一转轴312 运动一段距离后，第一转轴312可以带动第一连杆313运动更长的一段距离，从而起到放大步进式压电堆20的位移的作用。一级放大器31还可以通过动滑轮实现。

二级放大器32包括第二固定轴321、第二转轴322和第二连杆323，第二固定轴321固定于驱动器外壳10上，第二转轴322与第二固定轴321转动连接，第二转轴322的相对两端分别与一级放大器31和第二连杆323连接，第二转轴 322与一级放大器31的连接点到第二固定轴321的距离小于第二转轴322与第二连杆323的连接点到第二固定轴321的距离，第二连杆323与钳位机构40连接，类似于不对称的杠杆，在第一连杆313带动第二转轴322运动一段距离后，第二转轴322可以带动第二连杆323运动更长的一段距离，从而起到放大第一连杆313的位移的作用。二级放大器32还可以通过动滑轮实现。

请参阅图1至图5，图5是本申请提供的图4中A区域的放大示意图。

一级放大器31还包括滑块314和连接轴315，第一转轴312开设有滑槽，滑块314嵌设于滑槽中，连接轴315固定于滑块314上，第一连杆313与连接轴315转动连接。一级放大器31的放大原理为杠杆原理，通过杠杆原理对位移进行放大时，输入端与输出端的运动形式为圆弧，而步进式压电驱动器100输出的运动为水平运动，这极大的影响了步进式压电驱动器100的精度。故改变输入输出端与连杆的连接方式，来提高精度。此处以一级放大器31中第一连杆 313与第一转轴312的连接为例进行介绍，第一转轴312做圆弧运动，此时滑块314便会沿着滑槽运动，第一连杆313与滑块314转动连接，保证运动的传递始终都在水平面上，第一连杆313始终沿水平方向运动，使得步进式压电驱动器 100运动的精度不受到影响。第一转轴312与步进式压电堆20的连接方式、第二转轴322分别与第一放大器和第二连杆323的连接方式都可以按照上述的方案进行设置，在此不一一赘述。

请继续参阅图1至图4，步进式压电驱动器100还包括弹性件60，弹性件 60固定于驱动器外壳10上，且在步进式压电堆20的位移方向上抵接步进式压电堆20。驱动器外壳10固定于主体框架200上是不动的，保证步进式压电驱动器100在运行时的位置始终保持不变，步进式压电堆20安装在驱动器外壳10 上由弹性体包裹，当步进式压电堆20得电伸长时，弹性体会随之进行弹性变形，当步进式压电堆20失电收缩时，弹性体与步进式压电堆20同时复位，弹性体同时对步进式压电堆20施加力，从而保证步进式压电堆20的位置始终保持不变。

钳位机构40包括固定件41、第一电磁铁42、第二电磁铁43和复位弹簧44，固定件41与位移放大器30连接，第一电磁铁42和第二电磁铁43分别与固定件41转动连接，且共同钳设铁性材质的输出轴50，复位弹簧44分别与第一电磁铁42和第二电磁铁43连接。当第一电磁铁42与第二电磁铁43未通电时，第一电磁铁42与第二电磁铁43不具备磁性，第一电磁铁42与第二电磁铁43 在复位弹簧44的作用下与输出轴50分离，不夹持输出轴50，此时步进式压电驱动器100并不会运动。由于输出轴50的材质为铁，当第一电磁铁42与第二电磁铁43通电时，输出轴50会被第一电磁铁42与第二电磁铁43紧紧的箝住，此时固定件41在位移放大器30的作用下向前运动时，带动输出轴50向前运动，从而完成位移输出。

请参阅图1、图2、图6和图7，图6是本申请提供的腿部结构300在第一视角下的结构示意图，图7是本申请提供的腿部结构300在第二视角下的结构示意图。

腿部结构300包括第一迈步杆310、第二迈步杆320、第一抬步杆330、第二抬步杆340、第一传动杆350、第二传动杆360和动力杆370，第一迈步杆310、第二迈步杆320、第一抬步杆330、第二抬步杆340依次铰接构成环形四连杆机构，第一传动杆350的一端与动力杆370铰接，另一端与第一迈步杆310铰接，第二传动杆360的一端与动力杆370铰接，另一端与第一抬步杆330铰接。

当动力杆370随着步进式压电驱动器100水平运动时，动力杆370会分别带动第一传动杆350和第二传动杆360运动，第一传动杆350带动第一迈步杆 310向前运动，第二传动杆360带动第一抬步杆330向上运动，在第一传动杆 350和第二传动杆360的共同作用下，第一迈步杆310和第一抬步杆330的夹角逐渐变小，第一抬步杆330带动第二抬步杆340向上运动，使得腿部结构300 作出抬起的动作，第一迈步杆310带动第二迈步杆320向前运动，使得腿部结构300做出向前迈的动作。当动力杆370向相反的方向运动时，第一迈步杆310 和第一抬步杆330的夹角逐渐变大，第一迈步杆310、第二迈步杆320、第一抬步杆330、第二抬步杆340相对于上述运动做相反运行，从而使腿部结构300后退。

腿部结构300还包括脚掌380和腿部弹簧390，脚掌380与第二迈步杆320 铰接，腿部弹簧390分别与脚掌380与第二迈步杆320连接，且腿部弹簧390 处于压缩状态。腿部弹簧390处于压缩状态时，腿部弹簧390对脚掌380施加一个预紧力，在腿部弹簧390的预紧力的作用下，脚掌380会始终保持着与地面的最大接触面积，提高了腿部结构300运动的稳定性。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。以上对本申请实施例所提供的制冰装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请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申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (7)

1.一种步进式压电驱动器，其特征在于，包括：

驱动器外壳；

步进式压电堆，固定于所述驱动器外壳上；

位移放大器，与所述步进式压电堆连接；所述位移放大器至少包括一级放大器和二级放大器，所述一级放大器与所述步进式压电堆连接，所述二级放大器分别与所述一级放大器和钳位机构连接，所述一级放大器和所述二级放大器用于依次放大所述步进式压电堆的位移；所述一级放大器包括第一固定轴、第一转轴和第一连杆，所述第一固定轴固定于所述驱动器外壳上，所述第一转轴与所述第一固定轴转动连接，所述第一转轴的相对两端分别与所述步进式压电堆和所述第一连杆连接，所述第一转轴与所述步进式压电堆的连接点到所述第一固定轴的距离小于所述第一转轴与所述第一连杆的连接点到所述第一固定轴的距离，所述第一连杆与所述二级放大器连接；所述一级放大器还包括滑块和连接轴，所述第一转轴开设有滑槽，所述滑块嵌设于所述滑槽中，所述连接轴固定于所述滑块上，所述第一连杆与所述连接轴转动连接；

输出轴，与所述钳位机构连接；

其中，所述步进式压电堆推动所述位移放大器运动，所述位移放大器在放大位移后推动所述钳位机构运动，所述钳位机构推动所述输出轴运动。

2.根据权利要求1所述的步进式压电驱动器，其特征在于，所述二级放大器包括第二固定轴、第二转轴和第二连杆，所述第二固定轴固定于所述驱动器外壳上，所述第二转轴与所述第二固定轴转动连接，所述第二转轴的相对两端分别与所述一级放大器和所述第二连杆连接，所述第二转轴与所述一级放大器的连接点到所述第二固定轴的距离小于所述第二转轴与所述第二连杆的连接点到所述第二固定轴的距离，所述第二连杆与所述钳位机构连接。

3.根据权利要求1所述的步进式压电驱动器，其特征在于，所述步进式压电驱动器还包括弹性件，所述弹性件固定于所述驱动器外壳上，且在所述步进式压电堆的位移方向上抵接所述步进式压电堆。

4.根据权利要求1所述的步进式压电驱动器，其特征在于，所述钳位机构包括固定件、第一电磁铁、第二电磁铁和复位弹簧，所述固定件与所述位移放大器连接，所述第一电磁铁和所述第二电磁铁分别与所述固定件转动连接，且共同钳设铁性材质的所述输出轴，所述复位弹簧分别与所述第一电磁铁和所述第二电磁铁连接。

5.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括主体框架、多个腿部结构和多个如权利要求1至4任一项所述的步进式压电驱动器，所述步进式压电驱动器固定于所述主体框架上，所述多个腿部结构分别与所述主体框架转动连接，且与所述步进式压电驱动器的输出轴连接。

6.根据权利要求5所述的机器人，其特征在于，所述腿部结构包括第一迈步杆、第二迈步杆、第一抬步杆、第二抬步杆、第一传动杆、第二传动杆和动力杆，所述第一迈步杆、所述第二迈步杆、所述第一抬步杆、所述第二抬步杆铰接构成环形四连杆机构，所述第一传动杆的一端与所述动力杆铰接，另一端与所述第一迈步杆铰接，所述第二传动杆的一端与所述动力杆铰接，另一端与所述第一抬步杆铰接；当动力杆随着步进式压电驱动器水平运动时，动力杆会分别带动第一传动杆和第二传动杆运动。

7.根据权利要求6所述的机器人，其特征在于，所述腿部结构还包括脚掌和腿部弹簧，所述脚掌与所述第二迈步杆铰接，所述腿部弹簧分别与所述脚掌与所述第二迈步杆连接，且所述腿部弹簧处于压缩状态。

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