CN114598181A - 一种压电驱动多自由度球形关节 - Google Patents

Abstract

本发明中公开了一种压电驱动多自由度球形关节；该装置以至少四个二维压电致动器作为动力提供机构，通过组合叠堆提供二维方向的力与位移/位置输出，预紧装置通过柔性机构提供所需的预紧力，该预紧力将为致动器提供充足的摩擦力以对球形运动关节提供执行推力。在外环支架与固定支撑装置的结构装配下，对球形关节转子进行致动，使输出轴能够在旋转运动下，提供高精度定位。本发明创新性的结合了压电致动技术与尺蠖式运动控制方法，并提供了一种新适应性结构，能够不依赖轴承，输出长行程大出力高精度位移。解决了普通机电球形关节无法满足的实际应用问题，符合现阶段超精密运动控制的需求。本发明对压电设备在旋转运动的新市场具有建设性意义。

Description

一种压电驱动多自由度球形关节

技术领域

本发明涉及精密机械设计制造与自动化技术领域，尤其涉及一种压电驱动多自由度球形关节。

背景技术

随着特种机器人、无人装备在现代社会生活中的应用越来越广，对高度集成机电关节组件提出了更好的要求，机电关节组件作为核心部件，其性能对特种机器人、无人装备的重量、尺寸、负载能力、性能等有着最直接的影响；而现在市场上的普通机电球形关节存在无法同时实现广角度和高精度定位的问题。

本发明使用了压电致动技术作为电动关节的驱动，考虑到压电致动本身能够满足高精度的要求，提供大出力与高刚度；同时，控制压电致动的尺蠖式运动也能够提供长行程的位移，满足关节运动进一步提高的实际需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种压电驱动多自由度球形关节。

本发明的主要内容包含至少四个二维压电致动器，预紧装置，固定支撑装置，球形关节转子。二维压电致动器与球形关节转子接触，提供致动；二维压电致动器通过预紧装置与固定支撑装置连接；球形关节转子作为动子提供绕X、Y、Z三轴旋转的大行程高精度定位，固定支撑装置提供球形关节转子的运动范围与空间；预紧装置用于调节压电致动器与球形关节转子之间提的预紧力，该预紧力将为二维压电致动器提供充足的摩擦力以对球形运动关节提供执行推力。

可选的，在球形关节转子上固定输出轴提供位置标定等功能；可选的，固定支撑装置上另固接外环支架以提高二维压电致动器的稳定性。

本发明中，至少四个二维压电致动器作为动力提供机构，其中，二维压电致动器含至少两个组合叠堆，组合叠堆为二维压电致动器提供三个致动方向的力与位移/位置输出。

具体的，每个组合叠堆包括一个Z叠堆、一个X叠堆、一个Y叠堆与绝缘层。定义Z叠堆的致动方向为Z向，X叠堆与Y叠堆的致动方向分别为X向和Y向。在尺蠖式运动方式下，Z向仅为提高预紧力的步骤方向，二维压电致动器中的二维指的是X向与Y向两个实际致动方向。

具体的，Z叠堆仅含有且包括至少一个d33压电陶瓷单片，X叠堆仅含有且包括至少一个d15压电陶瓷单片，Y叠堆仅含有且包括至少一个d15压电陶瓷单片，d15、d33为压电陶瓷的压电常数，用于描述压电陶瓷对电压的响应能力，其中d为压电常数标识，第一个数字代表施加电场方向，第二个数字代表应变或应力方向。各叠堆之间紧密连接，每个叠堆包括至少一个压电陶瓷单片，通常压电陶瓷单片是PZT（锆钛酸铅）材料致动应用的最小单位。

压电陶瓷的致动方向与极化工艺有关，在对压电陶瓷单片施加电场时，压电陶瓷会因逆压电效应产生应力或应变。每个叠堆的理论致动行程等于所有单片致动行程总和。为保证组合叠堆的电学稳定性，以及X叠堆、Y叠堆、Z叠堆的独立工作，不同致动方向的叠堆之间以及组合叠堆的两端均有绝缘层。

二维压电致动器采用尺蠖式方式运动时，二维压电致动器、固定支撑装置、与预紧装置组成的定子，能够驱动与球形关节转子构成的动子。其中，固定支撑装置的固接结构能够提供不依赖轴承的所述球形关节转子的运动空间，能够提供装配框架内的至少四个空间装配点位，动子行程由固定支撑装置结构决定；预紧装置能够调节动子与定子之间的作用力，使球形关节转子不需要固接到任何轴承结构上，其运动方向与运动方式均不依赖轴承。

本发明中，二维压电致动器在空间中沿球形外周排布。至少有三个所述二维压电致动器不排布一个直线上、至少有四个所述二维压电致动器不排布于一个平面内。

可选的，至少有三个所述二维压电致动器在空间中为等距排布的方式。

可选的，预紧装置采用柔性机构，通过微调柔性机构尺寸的方式，调节球形关节转子与固定支撑装置之间的预紧力。

可选的，预紧装置采用预紧弹簧，通过微调预紧弹簧长度的方式，调节球形关节转子与固定支撑装置之间的预紧力。

对二维压电致动器进行控制时，组合叠堆分为至少两个叠堆组，并产生分步运动的特征，每个叠堆组含至少一个组合叠堆。不同的叠堆组交替完成相同动作，通常为Z叠堆改变组合叠堆对球形关节转子的受力，随后X叠堆与Y叠堆配合能够沿X-Y平面上任一方向促使动子运动，即模拟行走姿态。

可选的，采用矩阵模型与解算方法建立四个二维压电致动器与球形关节转子间的输出关系，通过时序控制方式对所有四个二维压电陶瓷致动器进行统一时序处理，交替致动，带动球形关节转子运动并提供高精度定位。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明产品通过二维压电致动器，创新性的将压电致动技术与尺蠖式控制方案用于球形关节的驱动上，并提供了相关的创新结构设计，能够不依赖轴承，输出长行程大出力高精度位移，解决现阶段普通机电关节存在的出力不足、行程有限、精度不高等问题，使球形关节转子实现绕X、Y、Z三轴旋转的大范围、高精度运动；本发明不依赖轴承，稳定性好，使用寿命长，精度更高，符合现阶段超精密运动控制的需求。本发明对压电设备新市场具有建设性意义。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种压电驱动多自由度球形关节示意图。

图2是本发明实施例提供的一种二维压电致动器示意图。

图3是本发明实施例提供的二维压电致动器控制方法示意图。

图4是本发明实施例提供的二维压电致动器布局示意图。

图5是本发明实施例提供的球形关节转子运动方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，例如，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、“里”、“外”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本发明实施例提供一种压电驱动多自由度球形关节，以实现绕X、Y、Z三轴旋转的大范围运动。

实施例中，压电驱动多自由度球形关节包括二维压电致动器1000、预紧装置2000、球形关节转子3000、外环支架4000与固定支撑装置5000以及输出轴6000六个部分构成，如图1所示，并配合机电关节专用的驱动控制系统板卡与驱控软件进行驱动控制。

球形关节转子3000置于中心位置，输出轴6000位于球形关节转子3000上方。球形关节转子3000自身为空心球体以减轻重量。球形关节外侧为外环支架4000，外环支架4000固定于固定支撑装置5000上，并提供至少四个二维压电致动器1000与预紧装置2000的装配位置。球形关节转子3000在二维压电致动器1000驱动下绕自身球心旋转。

二维压电致动器1000含两个尺蠖式控制的组合叠堆1100与1200，组合叠堆1100与1200均能够产生三个方向的位移。图2是本发明实施例一提供的一种组合叠堆结构示意图，组合叠堆包括：一个Z叠堆1010、一个X叠堆1020、一个Y叠堆1030和绝缘层1040；

Z叠堆1010包括7个d33压电陶瓷单片1001，d33压电陶瓷单片为等规格的长方体薄片形状。因逆压电效应的加载电压要求，d33压电陶瓷单片1001间夹有电极层1004，电极层1004为与压电陶瓷单片等规格的金属铜薄片，按一致的致动方向相互连接；

X叠堆1020包括2个d15压电陶瓷单片1002，d15压电陶瓷单片1002为等规格的长方体薄片形状。电极层1004同上；Y叠堆1030包括2个d15压电陶瓷单片1002，d15压电陶瓷单片1002为等规格的长方体薄片形状。电极层1004同上；

在组合叠堆中，所述Z叠堆1010、所述X叠堆1020和所述Y叠堆1030依次连接，致动方向相互正交；Z叠堆1010与Y叠堆1030，X叠堆1020与Y叠堆1030之间以及所述组合叠堆的两端均有绝缘层1040。

示例性的，以X向运动为例，图3是本发明实施例提供的一种尺蠖式控制方法示意图，定义两个组合叠堆连线的致动方向为X向，图3为Y向侧视图，能够观察到组合叠堆1100与组合叠堆1200，且左侧为组合叠堆1100。可以观察到每步的X叠堆1020与Z叠堆1010致动方向。

（1）1状态，即启动状态，组合叠堆1100与组合叠堆1200中的组合叠堆中的Z叠堆1010加载高电压，均在Z方向对球形关节转子3000进行预紧；

（2）2状态，组合叠堆1100保持Z方向对球形关节转子3000预紧，降低叠堆1200中的组合叠堆中的Z叠堆1010的电压，以减少预紧，组合叠堆1100准备进行X方向致动；

（3）3状态，组合叠堆1100保持Z方向预紧，其中，对组合叠堆中的X叠堆1020增加电压，进行X方向致动，球形关节转子3000向X方向运动；

（4）4状态，组合叠堆1100的X方向致动结束，组合叠堆1200中的组合叠堆的Z叠堆1010恢复高电压加载，以进行Z方向预紧；

（5）5状态，组合叠堆1200保持Z方向对球形关节转子3000预紧，降低叠堆1100中的组合叠堆中的Z叠堆1010的电压，以减少预紧，组合叠堆1100准备解除X方向致动；

（6）6状态，组合叠堆1200保持Z方向预紧，降低叠堆1100中的组合叠堆中的X叠堆1020的电压，解除X方向致动；

（7）7状态，组合叠堆1200保持Z方向预紧，其中，对组合叠堆中的X叠堆1020增加电压，以进行X方向致动，球形关节转子3000朝X向运动；

（8）8状态，组合叠堆1200的X方向致动结束，组合叠堆1100中的组合叠堆的Z叠堆1010恢复高电压加载，以进行Z方向预紧；

（9）9状态，组合叠堆1100保持Z方向对球形关节转子3000预紧，降低叠堆1200中的组合叠堆中的Z叠堆1010的电压，以减少预紧，组合叠堆1200准备解除X方向致动；

9状态后，组合叠堆1200解除X方向致动，组合叠堆1100与组合叠堆1200的状态均返回至2状态，以此进行尺蠖式步进循环。

二维致动器两侧为预紧装置2000，其为二维压电致动器1000提供力与位移输出所需的预紧力，该预紧力为致动器提供充足的摩擦力以对球形关节转子3000提供执行推力。

方案中二维压电致动器1000总计四个，处于球形关节转子3000的外切正四面体四顶点处：其中三个二维压电致动器1000按120°角等角距分布于球形关节转子赤道线偏上位置，第四个二维压电致动器1000位于球形运动关节3000底部，四个二维压电致动器1000法线延长线交于球形运动关节3000球心处，如图4本发明实施例提供的二维压电致动器1000布局示意图所示。

由于二维压电致动器1000为二维执行结构，每个二维压电致动器1000可完成基于其中心垂直的位移/位置执行功能。因此，上三个二维压电致动器1000同时同序沿纬度方向运动时，球形关节转子3000做绕南北轴进行旋转（自转）；上三个二维压电致动器1000同时同序沿经度方向运动时，球形关节转子3000做绕东西轴进行旋转（偏转）。如图5本发明实施例提供的球形关节转子3000运动方式示意图所示。

在驱控方法上，采用了矩阵模型与解算方法建立四个二维压电致动器1000与球形关节转子3000间的输出关系，通过时序控制方式对所有四个二维压电陶瓷致动器1000进行统一时序处理，交替致动，带动球形关节转子3000运动并提供高精度定位。

本实施例的优势在于，创新性的将压电致动技术与尺蠖式控制方案用于球形关节的驱动上，并提供了相关的创新结构设计，能够使动子部分，即球形关节转子3000与输出轴6000，实现绕X、Y、Z三轴旋转的运动，并同时满足广角度、长行程、大扭矩、高重复精度的运动。

需要说明的，在其他实施例中预紧装置，也可以是其他形式构成，只要满足二维压电致动器的预紧条件，包括但不仅限于磁引力、弹簧预紧力等。）

注意，上述仅为本发明的合理实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种压电驱动多自由度球形关节，其特征在于，包括至少四个二维压电致动器，预紧装置，固定支撑装置，球形关节转子：所述二维压电致动器与所述球形关节转子接触，提供致动；所述二维压电致动器通过所述预紧装置与所述固定支撑装置连接；所述球形关节转子作为动子提供绕X、Y、Z三轴旋转的大行程高精度定位，所述固定支撑装置提供所述球形关节转子的运动范围与空间；所述预紧装置用于调节所述压电致动器与所述球形关节转子之间提的预紧力。

2.根据权利要求1所述的压电驱动多自由度球形关节，其特征在于，每个所述二维压电致动器至少包括两个组合叠堆，所述组合叠堆分为至少两个叠堆组；

所述组合叠堆包括至少一个Z叠堆、至少一个X叠堆、至少一个Y叠堆与绝缘层； 所述Z叠堆的致动方向为Z方向，所述X叠堆与所述Y叠堆的致动方向分别为X方向和Y方向，不同叠堆之间紧密连接，每个叠堆包括至少一个压电陶瓷单片，不同致动方向的叠堆之间以及组合叠堆的两端均有所述绝缘层；每个叠堆组的所有组合叠堆具有三个致动方向，致动方向相互正交，且在所有致动方向上同步产生的大致相同的位移。

3.根据权利要求1或2所述的压电驱动多自由度球形关节，其特征在于：所述二维压电致动器在空间中沿球形外周排布，至少有三个所述二维压电致动器不排布一个直线上，至少有四个所述二维压电致动器不排布于一个平面内。

4.根据权利要求1或2所述的压电驱动多自由度球形关节，其特征在于：至少有三个所述二维压电致动器在空间中为等距排布的方式。

5.根据权利要求1或2所述的压电驱动多自由度球形关节，其特征在于：所述二维压电致动器受所述预紧装置提供预紧力，压在所述球形关节转子上，并由于预紧力，可以在所述X叠堆或所述Y叠堆产生切向位移时，利用摩擦力驱动所述球形关节转子产生旋转位移。

6.根据权利要求1或2所述的压电驱动多自由度球形关节，其特征在于：所述球形关节转子由所述二维压电致动器提供致动，具体表现为尺蠖式运动方式。

7.根据权利要求1所述的压电驱动多自由度球形关节，其特征在于：所述预紧装置，预紧力由柔性机构提供。

8.根据权利要求1所述的压电驱动多自由度球形关节，其特征在于：所述预紧装置，预紧力由采用预紧弹簧提供。

9.根据权利要求2所述的压电驱动多自由度球形关节，其特征在于：所述组合叠堆中，所述X叠堆与所述Y叠堆排布在所述Z叠堆的两侧。

10.根据权利要求2所述的压电驱动多自由度球形关节，其特征在于：所述组合叠堆中所述X叠堆与所述Y叠堆连接，并配置在所述Z叠堆的一侧。

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