CN114285321B - 一种基于共振驱动可多自由度钻行的大位移贯入式作动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于共振驱动可多自由度钻行的大位移贯入式作动器，该大位移贯入式作动器构包括圆柱基体，一对沿圆柱基体中轴的推行驱动器，一对沿圆柱基体环向的转向驱动器以及防水层，四个驱动器结构相同，均由作动转子，矩形外壳，共振圆柱梁以及压电片构成，本发明结构新颖，加工简单，装配紧凑，基于横梁的共振耦合，通过四个方向驱动器的转动配合，可实现在颗粒与凝胶环境中多自由度钻行的精确移动。
Description
技术领域
本发明涉及一种高机动性钻行作动器，具体是多个基于共振驱动的助推器，可多自由度钻行的大位移贯入式作动器。
背景技术
当前科学技术的不断发展，在地理环境勘察、海底探测、深空星体着陆探查等领域，特别是在非牛顿流体环境中的行进，都对贯入式作动器提出了更高的要求，希望贯入式作动器能够尽可能轻巧的同时，保持高精度的灵活自由运动，传统的由纯电机驱动的移动机构，体积过大，调整方向较为困难，单方向行进且探入深度有限，不具备便携、轻巧的特点，因此有必要对在非牛顿流体中的贯入式作动器进行研究，探索、设计能够实现相关功能的新型驱动原理以及驱动结构。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于共振驱动可多自由度钻行的大位移贯入式作动器，该贯入式驱动器质量轻，便于携带；整体体积小巧，探测行程受自身长度影响小，驱动行程远远超过一般的贯入式驱动装置，特别适合于地理环境勘探、海底探测、深空星体着陆探测等极端环境下的使用。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于共振驱动可多自由度钻行的大位移贯入式作动器，其特征在于，包括圆柱基底1以及防护层6；其中圆柱基底1外壁面加工有两组沿圆柱基底1不同横截面分布的凹槽，同一组中两个凹槽沿圆柱基底1横截面轴线对称分布，其中一组两个凹槽中分别过盈内嵌有推行驱动器A 2和推行驱动器B 3，另一组两个凹槽中分别过盈内嵌有转向驱动器A 4和转向驱动器B 5，其中，推行驱动器A 2与推行驱动器B 3所在凹槽长边垂直于圆柱基底1纵中轴，转向驱动器A 4与转向驱动器B 5所在凹槽长边平行与圆柱基底1纵中轴；其中推行驱动器A 2由矩形外壳2-1、作动转子2-2，共振圆柱梁2-3、上压电片2-4以及侧压电片2-5构成，作动转子2-2位于矩形外壳2-1内，并伸出矩形外壳2-1上端面，作动转子2-2侧端面与共振圆柱梁2-3铰接，通过共振圆柱梁2-3与矩形外壳2-1固连，共振圆柱梁2-3上粘接有上压电片2-4与侧压电片2-5；所述推行驱动器B 3、转向驱动器A 4和转向驱动器B 5与推行驱动器A 2的结构相同；整个柱形移动机构置于防护层6内部。
所述防护层6与圆柱基底1同轴线。
给上压电片2-4与侧压电片2-5施加正弦信号频率，该正弦信号频率与共振圆柱梁2-3在垂直于共振圆柱梁2-3中轴的平面做椭圆运动的共振频率相同，共振圆柱梁2-3的转动方向由上压电片2-4与侧压电片2-5正弦信号的相位差控制：当上压电片2-4所受正弦信号相位超前于侧压电片2-5所受正弦信号π/2时，上压电片2-4所受正弦信号首先到达波峰，随后从波峰降至波谷，带动作动转子2-2进行从最上端到初始位置的运动，同一时间，侧压电片2-5所受正弦信号首先到达零点，随后从零点升至波峰，带动作动转子2-2产生从初始位置到最前端的运动，运动合成后作动转子2-2的实际运动为从最上端到最前端，经过一个信号周期，作动转子2-2进行顺时针的椭圆运动；当上压电片2-4所受正弦信号相位滞后于侧压电片2-5所受正弦信号π/2时，上压电片2-4所受正弦信号首先到达波峰，随后从波峰降至波谷，带动作动转子2-2产生从最上端到初始位置的运动，同一时间，侧压电片2-5所受正弦信号首先到达零点，随后从零点降至波谷，带动作动转子2-2产生从初始位置到最后端的运动，运动合成后作动转子2-2的实际运动为从最上端到最后端，经过一个信号周期，作动转子2-2进行逆时针的椭圆运动；
通过推行驱动器A 2、推行驱动器B 3、转向驱动器A 4和转向驱动器B 5的相互配合，贯入式作动器能够进行多自由度运动；当推行驱动器A 2的作动转子进行椭圆运动，推行驱动器B 3的作动转子以相反时针方向进行椭圆运动时，合成运动为沿轴向运动，贯入式作动器将进行轴向直线运动；当推行驱动器A 2的作动转子与推行驱动器B 3的作动转子进行同时针方向椭圆运动时，带动贯入式作动器在水平面内进行朝向左或右侧的转动；当转向驱动器A 4的作动转子与转向驱动器B 5的作动转子进行同时针方向椭圆转动时，带动整个圆柱底座翻转，贯入式作动器进行翻转运动。
本发明具有以下的优点：
1.本发明所述的贯入式作动器作动原理简单，安装紧凑，不同于其它贯入式作动器中所需要的复杂储能装置。
2、本发明所述的贯入式作动器控制系统简单，只需通过调节两个压电片输入信号即可控制共振圆柱梁的合成运动，进而控制四个驱动器的转向运动。
3、本发明所述的贯入式作动器可实现多自由度钻行,通过不同组的驱动器转动方向的调节，基于运动的合成，实现贯入式作动器的多方向大位移运动。
4、本发明所述的贯入式驱动器质量轻，便于携带；整体体积小巧，探测行程受自身长度影响小，驱动行程远远超过一般的贯入式驱动装置，特别适合于地理环境勘探、海底探测、深空星体着陆探测等极端环境下的使用。
附图说明
图1A与图1B分别为本发明侧视图与俯视图。
图2A与图2B分布为本发明沿不同方向的剖面图。
图3为本发明驱动器结构图。
图4A与图4B分别为本发明作动转子顺时针运动轨迹图及压电片信号图。
图5A与图5B分别为本发明作动转子逆时针运动轨迹图及压电片信号图。
图6为本发明进行轴向直线运动时的示意图。
图7为本发明进行平面转向运动时的示意图。
图8为本发明进行翻转运动时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1A、图1B、图2A和图2B所示，本发明一种基于共振驱动可多自由度钻行的大位移贯入式作动器，其特征在于，包括圆柱基底1以及防护层6；其中圆柱基底1外壁面加工有两组沿圆柱基底1不同横截面分布的凹槽，同一组中两个凹槽沿圆柱基底1横截面轴线对称分布，其中一组两个凹槽中分别过盈内嵌有推行驱动器A 2和推行驱动器B 3，另一组两个凹槽中分别过盈内嵌有转向驱动器A 4和转向驱动器B 5，其中，推行驱动器A 2与推行驱动器B 3所在凹槽长边垂直于圆柱基底1纵中轴，转向驱动器A 4与转向驱动器B 5所在凹槽长边平行与圆柱基底1纵中轴；如图3所示，其中推行驱动器A 2由矩形外壳2-1、作动转子2-2，共振圆柱梁2-3、上压电片2-4以及侧压电片2-5构成，作动转子2-2位于矩形外壳2-1内，并伸出矩形外壳2-1上端面，作动转子2-2侧端面与共振圆柱梁2-3铰接，通过共振圆柱梁2-3与矩形外壳2-1固连，共振圆柱梁2-3上粘接有上压电片2-4与侧压电片2-5；所述推行驱动器B 3、转向驱动器A 4和转向驱动器B 5与推行驱动器A 2的结构相同；整个柱形移动机构置于防护层6内部。
作为本发明的优选实施方式，所述防护层6与圆柱基底1同轴线。
本发明基于共振驱动可多自由度钻行的大位移贯入式作动器的工作方法，给上压电片2-4与侧压电片2-5施加正弦信号频率，该正弦信号频率与共振圆柱梁2-3在垂直于共振圆柱梁2-3中轴的平面做椭圆运动的共振频率相同，共振圆柱梁2-3的转动方向由上压电片2-4与侧压电片2-5正弦信号的相位差控制：当上压电片2-4所受正弦信号相位超前于侧压电片2-5所受正弦信号π/2时，如图4A和图4B所示，上压电片2-4所受正弦信号首先到达波峰，随后从波峰降至波谷，带动作动转子2-2进行从最上端到初始位置的运动，同一时间，侧压电片2-5所受正弦信号首先到达零点，随后从零点升至波峰，带动作动转子2-2产生从初始位置到最前端的运动，运动合成后作动转子2-2的实际运动为从最上端到最前端，经过一个信号周期，作动转子2-2进行顺时针的椭圆运动；当上压电片2-4所受正弦信号相位滞后于侧压电片2-5所受正弦信号π/2时，如图5A和图5B所示，上压电片2-4所受正弦信号首先到达波峰，随后从波峰降至波谷，带动作动转子2-2产生从最上端到初始位置的运动，同一时间，侧压电片2-5所受正弦信号首先到达零点，随后从零点降至波谷，带动作动转子2-2产生从初始位置到最后端的运动，运动合成后作动转子2-2的实际运动为从最上端到最后端，经过一个信号周期，作动转子2-2进行逆时针的椭圆运动；
通过推行驱动器A 2、推行驱动器B 3、转向驱动器A 4和转向驱动器B 5的相互配合，贯入式作动器能够进行多自由度运动：如图6所示，当推行驱动器A 2的作动转子进行椭圆运动，推行驱动器B 3的作动转子以相反时针方向进行椭圆运动时，合成运动为沿轴向运动，贯入式作动器将进行轴向直线运动；如图7所示，当推行驱动器A 2的作动转子与推行驱动器B 3的作动转子进行同时针方向椭圆运动时，带动贯入式作动器在水平面内进行朝向左或右侧的转动；如图8所示，当转向驱动器A 4的作动转子与转向驱动器B 5的作动转子进行同时针方向椭圆转动时，带动整个圆柱底座翻转，贯入式作动器进行翻转运动。
Claims (2)
1.一种基于共振驱动可多自由度钻行的大位移贯入式作动器，其特征在于，包括圆柱基底(1)以及防护层(6)；其中圆柱基底(1)外壁面加工有两组沿圆柱基底(1)不同横截面分布的凹槽，同一组中两个凹槽沿圆柱基底(1)横截面轴线对称分布，其中一组两个凹槽中分别过盈内嵌有推行驱动器A(2)和推行驱动器B(3)，另一组两个凹槽中分别过盈内嵌有转向驱动器A(4)和转向驱动器B(5)，其中，推行驱动器A(2)与推行驱动器B(3)所在凹槽长边垂直于圆柱基底(1)纵中轴，转向驱动器A(4)与转向驱动器B(5)所在凹槽长边平行与圆柱基底(1)纵中轴；其中推行驱动器A(2)由矩形外壳(2-1)、作动转子(2-2)，共振圆柱梁(2-3)、上压电片(2-4)以及侧压电片(2-5)构成，作动转子(2-2)位于矩形外壳(2-1)内，并伸出矩形外壳(2-1)上端面，作动转子(2-2)侧端面与共振圆柱梁(2-3)铰接，通过共振圆柱梁(2-3)与矩形外壳(2-1)固连，共振圆柱梁(2-3)上粘接有上压电片(2-4)与侧压电片(2-5)；所述推行驱动器B(3)、转向驱动器A(4)和转向驱动器B(5)与推行驱动器A(2)的结构相同；整个柱形移动机构置于防护层(6)内部；
给上压电片(2-4)与侧压电片(2-5)施加正弦信号频率，该正弦信号频率与共振圆柱梁(2-3)在垂直于共振圆柱梁(2-3)中轴的平面做椭圆运动的共振频率相同，共振圆柱梁(2-3)的转动方向由上压电片(2-4)与侧压电片(2-5)正弦信号的相位差控制：当上压电片(2-4)所受正弦信号相位超前于侧压电片(2-5)所受正弦信号π/2时，上压电片(2-4)所受正弦信号首先到达波峰，随后从波峰降至波谷，带动作动转子(2-2)进行从最上端到初始位置的运动，同一时间，侧压电片(2-5)所受正弦信号首先到达零点，随后从零点升至波峰，带动作动转子(2-2)产生从初始位置到最前端的运动，运动合成后作动转子(2-2)的实际运动为从最上端到最前端，经过一个信号周期，作动转子(2-2)进行顺时针的椭圆运动；当上压电片(2-4)所受正弦信号相位滞后于侧压电片(2-5)所受正弦信号π/2时，上压电片(2-4)所受正弦信号首先到达波峰，随后从波峰降至波谷，带动作动转子(2-2)产生从最上端到初始位置的运动，同一时间，侧压电片(2-5)所受正弦信号首先到达零点，随后从零点降至波谷，带动作动转子(2-2)产生从初始位置到最后端的运动，运动合成后作动转子(2-2)的实际运动为从最上端到最后端，经过一个信号周期，作动转子(2-2)进行逆时针的椭圆运动；
通过推行驱动器A(2)、推行驱动器B(3)、转向驱动器A(4)和转向驱动器B(5)的相互配合，贯入式作动器能够进行多自由度运动；当推行驱动器A(2)的作动转子进行椭圆运动，推行驱动器B(3)的作动转子以相反时针方向进行椭圆运动时，合成运动为沿轴向运动，贯入式作动器将进行轴向直线运动；当推行驱动器A(2)的作动转子与推行驱动器B(3)的作动转子进行同时针方向椭圆运动时，带动贯入式作动器在水平面内进行朝向左或右侧的转动；当转向驱动器A(4)的作动转子与转向驱动器B(5)的作动转子进行同时针方向椭圆转动时，带动整个圆柱底座翻转，贯入式作动器进行翻转运动。
2.根据权利要求1所述的基于共振驱动可多自由度钻行的大位移贯入式作动器，其特征在于，所述防护层(6)与圆柱基底(1)同轴线。
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