CN115890748B - 一种超声电机、夹持机械手及其激励方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及机械夹爪领域，具体而言，涉及一种超声电机、夹持机械手及其激励方法，其中超声电机包括两个弹性臂和柔性铰链，两个弹性臂通过各自的其中一端固定连接，两个弹性臂的另一端通过柔性铰链连接，且柔性铰链朝背离弹性臂的方向向外弯曲，每个弹性臂的上下表面均对称设置有压电片，同一弹性臂上的两个压电片背离弹性臂的表面上接入相同的交流电信号，本申请通过使用压电效应，仅通过弹性臂、压电片以及柔性铰链即可驱动夹持机械手工作，减小了驱动装置的体积，且通过柔性铰链与夹持手指之间的摩擦力即可实现夹持自锁的功能，此外本申请通过电路控制夹取，使夹持机械手的夹持精度更高，响应更迅速，并可适用于更多的场景。

Description

一种超声电机、夹持机械手及其激励方法

技术领域

本申请涉及机械夹爪领域，具体而言，涉及一种超声电机、夹持机械手及其激励方法。

背景技术

目前机械手在各个领域应用广泛，机械手的小型化、轻量化及多功能化是当前机械手领域的一个重要发展方向，如何实现机械手的小型化、轻量化及多功能化是当下工业界和学术界的一个研究热点。

在一些需要进行微操作的高精度加工工艺中，需要使用机械手进行夹持，而现有的机械手通过丝杆、轴承、齿轮等传动机构实现传动，导致整个夹持装置体积较大，不利于进行高精度加工工艺。

针对上述问题，目前尚未有有效的技术解决方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种超声电机、夹持机械手及其激励方法，旨在解决在高精度加工工艺中由于驱动装置体积较大而不利于高精度加工的问题。

第一方面，本申请提供了一种超声电机，用于驱动夹持机械手中夹持手指的移动，包括两个弹性臂和柔性铰链，两个弹性臂通过各自的其中一端固定连接，两个弹性臂的另一端通过柔性铰链连接，且柔性铰链朝背离弹性臂的方向向外弯曲，每个弹性臂的上下表面均对称设置有压电片，同一弹性臂上的两个压电片背离弹性臂的表面上接入相同的交流电信号。

本申请提出的一种超声电机，通过压电效应，在弹性臂的上下表面设置压电片，将压电片连接电路的正极，并将电路的负极与弹性臂连接，使得在对电路施加具有特定变化的交流电信号时，使压电片产生振动从而使柔性铰链产生形变，从而可驱动夹持机械手上的两个夹持手指滑动以实现夹持和松开，本申请通过使用压电效应，无需通过丝杆、齿轮或轴承等体积较大的传动件即可驱动夹持机械手工作，减小了驱动装置的体积，且通过电路控制夹取的精度更高。

可选地，本申请提供的一种超声电机，柔性铰链的厚度由中间到两端递增。

本申请通过设置柔性铰链在中间的厚度最小，使该处的形变效果更明显，增大了柔性铰链的形变程度，从而进一步增加柔性铰链和夹取机械手之间的摩擦力，提高夹取机械手进行夹取的稳定性，防止打滑。

本申请提出的一种超声电机，通过压电效应，在弹性臂的上下表面设置压电片，将压电片连接电路的正极，并将电路的负极与弹性臂连接，使得在对电路施加具有特定变化的交流电信号时，使压电片产生振动从而使柔性铰链产生形变，从而可驱动夹持机械手上的两个夹持手指滑动以实现夹持和松开，本申请通过使用压电效应，无需通过丝杆、齿轮或轴承等体积较大的传动件，仅通过弹性臂、压电片以及柔性铰链即可驱动夹持机械手工作，减小了驱动装置的体积，且通过柔性铰链与夹持手指之间的摩擦力即可实现夹持自锁的功能，此外本申请通过电路控制夹取，使夹持机械手的夹持精度更高，响应更迅速，并可适用于更多的场景。

第二方面，本申请提供了一种夹持机械手，包括底座，夹持机械手还包括两个左右对称设置的超声电机、两组平行设置的滑动组件以及两个相对设置的夹持手指，两个超声电机固定安装在底座上，超声电机包括两个弹性臂和柔性铰链，两个弹性臂通过各自的其中一端固定连接，两个弹性臂的另一端通过柔性铰链连接，且柔性铰链朝背离弹性臂的方向向外弯曲，每个弹性臂的上下表面均对称设置有压电片，同一弹性臂上的两个压电片背离弹性臂的表面上接入相同的交流电信号，两组滑动组件分别滑动安装在两个超声电机的柔性铰链的外侧，两个夹持手指分别固定安装在两个滑动组件上，压电片用于根据输入的交流电信号的强弱产生振动以使柔性铰链发生形变而接触并拖动滑动组件滑动，进而带动固定在滑动组件上的夹持手指滑动，从而实现夹持机械手的夹持与松开。

本申请提出的夹持机械手，通过压电效应，在弹性臂的上下表面设置压电片，将压电片连接电路的正极，并将电路的负极与弹性臂连接，使得在对电路施加具有特定变化的交流电信号时，使压电片产生振动从而使柔性铰链产生形变，从而可驱动夹持机械手上的两个夹持手指滑动以实现夹持和松开，本申请通过使用压电效应，无需通过丝杆、齿轮或轴承等体积较大的传动件，仅通过弹性臂、压电片以及柔性铰链即可驱动夹持机械手工作，减小了驱动装置的体积，且通过柔性铰链与夹持手指之间的摩擦力即可实现夹持自锁的功能，此外本申请通过电路控制夹取，使夹持机械手的夹持精度更高，响应更迅速，并可适用于更多的场景。

可选地，本申请提供的一种夹持机械手，柔性铰链的中间设置有驱动足，且驱动足设置在背离弹性臂的方向。

本申请通过在柔性铰链的中间设置背离弹性臂的驱动足，使柔性铰链在发生形变时驱动足与滑动组件接触且应力集中在驱动足处，从而提高驱动足与滑动组件的摩擦力，防止驱动足与滑动组件之间打滑。

可选地，本申请提供的一种夹持机械手，滑动组件包括固定轨道和滑动块，固定轨道固定安装在底座上，滑动块设置在固定轨道和超声电机之间，夹持手指固定安装在滑动块上，滑动块与固定轨道滑动连接，压电片在接收不同大小的交流电信号时会产生对应强度的振动从而使柔性铰链产生形变而接触并拖动滑动块沿固定轨道滑动。

可选地，本申请提供的一种夹持机械手，滑动块上的一个侧面固定连接有摩擦片，在压电片接收不同大小的交流电信号时会产生对应强度的振动从而使柔性铰链产生形变，使柔性铰链接触摩擦片并拖动滑动块滑动。

本申请通过设置摩擦片，增大柔性铰链与滑动块之间的摩擦力，从而使超声电机驱动滑动组件更稳定滑动，防止打滑，进一步提高夹取稳定性。

本申请提出的夹持机械手，通过超声电机进行驱动，超声电机通过压电效应，在弹性臂的上下表面设置压电片，将压电片连接电路的正极，并将电路的负极与弹性臂连接，使得在对电路施加具有特定变化的交流电信号时，使压电片产生振动从而使柔性铰链产生形变，从而使柔性铰链与滑动组件接触并推动滑动组件滑动，从而带动固定在滑动组件上的夹持手指滑动从而实现夹持机械手的夹持与松开，本申请通过使用具有压电效应的超声电机，无需通过丝杆、齿轮或轴承等体积较大的传动件即可驱动夹持机械手工作，减小了夹持机械手的体积，且通过电路控制夹取机器人进行夹取的精度更高。

第三方面，本申请提供了一种夹持机械手的激励方法，用于控制夹持机械手进行夹持或松开的动作，夹持机械手包括两个左右对称设置的超声电机、两组平行设置的滑动组件以及两个相对设置的夹持手指，两个超声电机固定安装在底座上，超声电机包括两个弹性臂和柔性铰链，两个弹性臂通过各自的其中一端固定连接，两个弹性臂的另一端通过柔性铰链连接，且柔性铰链朝背离弹性臂的方向向外弯曲，每个弹性臂的上下表面均对称设置有压电片，同一弹性臂上的两个压电片背离弹性臂的表面上接入相同的交流电信号，同一个超声电机中的两个弹性臂设置为V型结构，使两个对称设置的超声电机中的四个弹性臂为X型结构，两组滑动组件分别滑动安装在两个超声电机的柔性铰链的外侧，两个夹持手指分别固定安装在两个滑动组件上，压电片用于根据输入的交流电信号的强弱产生振动以使柔性铰链发生形变而接触并拖动滑动组件滑动，进而带动固定在滑动组件上的夹持手指滑动，从而实现夹持机械手的夹持与松开；

夹持机械手的激励方法包括以下步骤：

S1、获取动作指令信息；

S2、根据动作指令信息对需要运动的夹持手指对应的超声电机上的压电片施加交流电信号，以使对应的滑动组件滑动而使夹持手指完成与动作指令信息相对应的动作，施加在需要运动的夹持手指对应的超声电机上的两个弹性臂上的压电片上的交流电信号为具有相位差的同频交流电信号。

本申请提出的一种夹持机械手的激励方法，通过向不同弹性臂上的压电片施加不同相位的交流电信号使柔性铰链产生对应轨迹的形变，从而驱动滑动组件滑动，从而使夹持手指随之滑动以实现夹持，且本申请还可针对不同物体调节向压电片施加不同大小的交流电信号中的参数，从而控制柔性铰链的形变程度从而使夹持更稳定。

可选地，本申请提供的一种夹持机械手的激励方法，步骤S2中，在两个对称设置的超声电机中，施加在相邻的两个弹性臂上的压电片上的同频交流电信号的相位不相等，施加在不相邻的弹性臂上的压电片上的同频交流电信号的相位相等。

本申请通过设置施加在相邻的两个弹性臂上的压电片所对应的电路的交流电信号的相位不相等，施加在不相邻的弹性臂上的压电片所对应的电路的交流电信号的相位相等使两个超声电机上的柔性铰链的形变相同从而驱动两组滑动组件以相同的速度滑动，带动滑动组件上的夹持手指同步滑动从而实现夹持机械手的双指夹持或双指松开。

可选地，本申请提供的一种夹持机械手的激励方法，步骤S2中，仅对其中一个超声电机的两个弹性臂上的压电片施加同频交流电信号，两个同频交流电信号的相位不相等。

本申请仅对其中一个超声电机中的两个弹性臂上的压电片施加相位不相同的同频交流电信号，驱动该超声电机对应连接的滑动组件滑动，带动该滑动组件上的夹持手指滑动从而实现夹持机械手的单指夹持或单指松开。

可选地，本申请提供的一种夹持机械手的激励方法，向同一超声电机中的两个弹性臂上的压电片施加的两个同频交流电信号的相位相差π/2。

本申请向同一超声电机中的两个弹性臂上的压电片施加的两个同频交流电信号的相位相差π/2，使超声电机中的柔性铰链的形变轨迹为正椭圆。

本申请提供的一种夹持机械手的激励方法，通过向不同弹性臂上的压电片施加不同相位的同频交流电信号使柔性铰链产生对应轨迹的形变，从而驱动滑动组件滑动，从而使夹持手指随之滑动以实现夹持，且本申请还可针对不同物体，向压电片施加不同大小的交流电信号控制柔性铰链的形变程度从而使夹持更稳定。

由上可知，本申请提供的一种超声电机、夹持机械手及其激励方法，其中超声电机通过压电效应，在弹性臂的上下表面设置压电片，将压电片连接电路的正极，并将电路的负极与弹性臂连接，使得在对电路施加具有特定变化的交流电信号时，使压电片产生振动从而使柔性铰链产生形变，从而可驱动夹持机械手上的两个夹持手指滑动以实现夹持和松开，本申请通过使用压电效应，无需通过丝杆、齿轮或轴承等体积较大的传动件，仅通过弹性臂、压电片以及柔性铰链即可驱动夹持机械手工作，减小了驱动装置的体积，且通过柔性铰链与夹持手指之间的摩擦力即可实现夹持自锁的功能，此外本申请通过电路控制夹取，使夹持机械手的夹持精度更高，响应更迅速，并可适用于更多的场景。

附图说明

图1为本申请提供的一种超声电机的结构示意图。

图2为本申请提供的不包含夹持手指的一种夹持机械手的结构示意图。

图3为本申请提供的一种夹持机械手的结构示意图。

图4为本申请提供的一种夹持机械手的激励方法的步骤流程图。

标号说明：10、弹性臂；11、压电片；12、柔性铰链；13、驱动足；2、底座；20、滑动组件；21、滑动块；22、固定轨道；30、夹持手指；40、上盖板；50、摩擦片。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在一些需要进行微操作的高精度加工工艺中，需要使用机械手进行夹持，而现有的机械手通过丝杆、轴承、齿轮等传动机构实现传动，导致整个夹持装置体积较大，不利于进行高精度加工工艺。

第一方面，参考图1，图1为本申请提供的一种超声电机的结构示意图，图1所示的超声电机，用于驱动夹持机械手中夹持手指的移动，包括两个弹性臂10和柔性铰链12，两个弹性臂10通过各自的其中一端固定连接，两个弹性臂10的另一端通过柔性铰链12连接，且柔性铰链12朝背离弹性臂10的方向向外弯曲，每个弹性臂10的上下表面均对称设置有压电片11，同一弹性臂10上的两个压电片11背离弹性臂10的表面上接入相同的交流电信号。

具体地，弹性臂10为具有导电效果的金属材料，压电片11即为压电陶瓷片，在本实施例中，超声电机通过向压电片11施加特定波形的交流电交流电信号使压电片11因压电效应而产生特定频率的振动并将振动传递到柔性铰链12上从而使柔性铰链12发生形变，柔性铰链12在形变过程中与夹持机械手中的夹持手指接触并推动夹持手指的滑动，压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，在本申请中运用逆压电效应，向压电片11施加交流电信号产生电场，将压电片11之间的弹性臂10作为电介质，在通电时弹性臂10产生振动并将振动传递到柔性铰链12上使柔性铰链12产生对应轨迹的形变。

具体地，向弹性臂10对应的电路施加交流电信号时，会使柔性铰链12产生不同的共振模态，共振模态会使柔性铰链12沿着特定的振动轨迹发生形变，具体地，在本实施例中，弹性臂10的上下表面均对称设有压电片11，在向压电片11背离弹性臂10的表面施加交流电信号时，压电片11产生同时朝向或背离弹性臂10的振动，使弹性臂10的振动中心位于弹性臂10的中心位置，使弹性臂10产生的振动更好的传递到柔性铰链12上，同时由于压电片11为对称设置，若压电片11产生的振动存在垂直于弹性臂10的分力时将会被抵消，从而使柔性铰链12仅在弹性臂10与柔性铰链12所在平面上产生形变轨迹，使柔性铰链12的形变更平稳，在本实施例中，柔性铰链12的振动轨迹由同一超声电机上的两个弹性臂10连接的交流电信号的相位差决定，在本实施例中，交流电信号为交流电压信号Asin(ωt+φ)，其中A表示电压的幅值，ω表示共振频率，φ表示相位，t表示时间，当两个弹性臂10连接的交流电信号的相位差不为0，则柔性铰链12将发生形变，在本实施例中，柔性铰链12为朝背离弹性臂10的方向向外弯曲的弧形铰链，在该形状下，当向两个弹性臂10通入交流交流电信号时，连接两个弹性臂10的柔性铰链12将产生两种共振模态，且这两种共振模态在两个弹性臂10接入交流电信号时将被同时激发并在柔性铰链12的中间处相互垂直且可耦合使柔性铰链12的中间处按照椭圆形轨迹发生形变，优选地，在本实施例中，施加在两个弹性臂10上的交流电信号的A与ω相等，且相位差为±π/2，此时柔性铰链12的中间处的运动轨迹为一个李萨如椭圆。

进一步地，由于柔性铰链12为朝背离弹性臂10的方向向外弯曲的弧形铰链，即柔性铰链12的中间处距离夹持机械手的夹持手指的距离最短，在柔性铰链12形变时，柔性铰链12中间处最先接触到夹持手指，并在柔性铰链12的中间处沿椭圆轨迹形变时对夹持手指产生推力推动夹持手指滑动从而实现对夹持手指的驱动，此时，通过调整接入两个弹性臂10的交流电信号的相位差的正负即可得到顺时针或逆时针的椭圆形的形变轨迹，通过柔性铰链12中间处沿椭圆形的形变轨迹的规律性形变运动，柔性铰链12的中间处与夹持手指通过接触摩擦或固定连接等方式即可驱动夹持手指的正向或反向运动。

本申请提出的一种超声电机，通过压电效应，在弹性臂10的上下表面设置压电片11，将压电片11连接电路的正极，并将电路的负极与弹性臂10连接，使得在对电路施加具有特定变化的交流电信号时，使压电片11产生振动从而使柔性铰链12产生形变，从而可驱动夹持机械手上的两个夹持手指滑动以实现夹持和松开，本申请通过使用压电效应，无需通过丝杆、齿轮或轴承等体积较大的传动件，仅通过弹性臂、压电片以及柔性铰链即可驱动夹持机械手工作，减小了驱动装置的体积，此外本申请通过电路控制夹取，使夹持机械手的夹持精度更高，响应更迅速，并可适用于更多的场景。

在一些优选的实施方式中，柔性铰链12的厚度由中间到两端递增。

具体地，由于超声电机是通过压电效应实现驱动效果，即向压电片11通电使柔性铰链12产生力从而使柔性铰链12发生形变，因此为使柔性铰链12更容易发生形变，且使形变集中在柔性铰链12的中间，优选地，在本实施例中，设置柔性铰链12的厚度由中间到两端递增。

优选地，在超声电机中，两个弹性臂10设置为V型结构，两个弹性臂10之间的角度为45°，通过该设置缩短了柔性铰链12的长度，使柔性铰链12接受振动并发生形变的响应速度更快，即可使超声电机驱动夹持手指滑动更灵敏。

第二方面，参照图2和图3，图2为本申请提供的不包含夹持手指的一种夹持机械手的结构示意图，图3为本申请提供的一种夹持机械手的结构示意图，如图2和图3所示的一种夹持机械手，包括底座2，夹持机械手还包括两个左右对称设置的超声电机、两组平行设置的滑动组件20以及两个相对设置的夹持手指30，两个超声电机固定安装在底座2上，超声电机包括两个弹性臂10和柔性铰链12，两个弹性臂10通过各自的其中一端固定连接，两个弹性臂10的另一端通过柔性铰链12连接，且柔性铰链12朝背离弹性臂10的方向向外弯曲，每个弹性臂10的上下表面均对称设置有压电片11，同一弹性臂10上的两个压电片11背离弹性臂10的表面上接入相同的交流电信号，两组滑动组件20分别滑动安装在两个超声电机的柔性铰链12的外侧，两个夹持手指30分别固定安装在两个滑动组件20上，压电片11用于根据输入的交流电信号的强弱产生振动以使柔性铰链12发生形变而接触并拖动滑动组件20滑动，进而带动固定在滑动组件20上的夹持手指30滑动，从而实现夹持机械手的夹持与松开。

具体地，在本实施例中，超声电机利用压电效应实现驱动滑动组件20滑动，即需要向超声电机中的弹性臂10通电才能使柔性铰链12发生形变以实现对夹持手指的驱动，因此，为防止外界因素对超声电机造成干扰，在本实施例中，在超声电机上方设置上盖板40，用于减少超声电机与外界的接触，从而保证超声电机工作稳定性。

具体地，两个夹持手指30分别固定在两组滑动组件20上，在两组滑动组件20滑动时带动两个夹持手指30滑动，具体地，在本实施例中，夹持手指30为L型结构，包括竖直设置的夹持部和水平设置的固定部，固定部的一端与滑动组件20通过螺栓固定连接，且固定部的下表面与上盖板40的上表面滑动连接，两个夹持手指30的夹持部相对设置，使滑动组件20在滑动时两个夹持手指30相向或背向滑动。

在本实施例中，在向超声电机中的弹性臂10施加交流电信号时，弹性臂10将产生振动并传递到柔性铰链12处使柔性铰链12发生形变，且在柔性铰链12的中间处的形变轨迹为椭圆形，具体地，当施加在同一超声电机中的两个弹性臂10的交流电信号的相位差不为零时，柔性铰链12中间处在远离弹性臂10的一侧由高相位到低相位沿椭圆形的顺时针方向发生形变，例如，当施加在右下角的弹性臂的交流电信号为Asinωt，施加在右上角的弹性臂10的交流电信号为Asin(ωt-π/2)，此时右下角的弹性臂10上交流电信号的相位大于右上角的弹性臂10上交流电信号的相位，则此时柔性铰链12在远离弹性臂10的一侧的形变轨迹的方向为顺时针方向；当施加在右下角的弹性臂的交流电信号为Asinωt，施加在右上角的弹性臂10的交流电信号为Asin(ωt+π/2)，此时右下角的弹性臂10上交流电信号的相位小于右上角的弹性臂10上交流电信号的相位，则此时柔性铰链12在远离弹性臂10的一侧的形变轨迹的方向为逆时针方向。

在本实施例中，柔性铰链12的中间处在沿椭圆形轨迹发生形变的过程中会与滑动组件20接触，且在接触后柔性铰链12仍具有沿轨迹形变的趋势，从而使柔性铰链12与滑动组件20之间产生摩擦力，进而可驱动滑动组件沿产生的摩擦力的方向滑动。

优选地，在初始状态下，柔性铰链12压紧滑动组件20，在柔性铰链12对滑动组件20的压力作用下，滑动组件保持静止状态，当开始通入交流电信号时，柔性铰链12在压电效应的作用下发生形变，驱动足13产生椭圆形的形变，从而与滑动组件20之间产生摩擦力以驱动滑动组件20滑动，当停止向超声电机施加交流电信号后，驱动足13处的椭圆形形变停止，柔性铰链12将保持在停止施加交流电信号前的形态，此时驱动足13与滑动组件20之间仍保持压紧状态，且驱动足13与滑动组件20之间产生的静摩擦力使夹持手指保持静止，即此时为自锁状态，因此，若需要保持对物体的夹持状态，停止施加交流电信号即可，而无需持续向超声电机施加交流电信号，通过停止或开始向超声电机施加交流电信号即可实现自锁状态的激活或解除。

优选地，在本实施例中，在同一个超声电机中的两个弹性臂10呈V型设置，使柔性铰链12的长度缩短，从而提高压电效应的响应速度，因此，在夹持机械手中，两个对称设置的超声电机中的四个弹性臂10连成X型结构，提高两个超声电机的驱动响应速度，同时保证两个超声电机驱动响应速度同步。

本申请提出的夹持机械手，通过超声电机进行驱动，超声电机通过压电效应，在弹性臂10的上下表面设置压电片11，将压电片11连接电路的正极，并将电路的负极与弹性臂10连接，使得在对电路施加具有特定变化的交流电信号时，使压电片11产生振动从而使柔性铰链12产生形变，从而可驱动夹持机械手上的两个夹持手指滑动以实现夹持和松开，本申请通过使用压电效应，无需通过丝杆、齿轮或轴承等体积较大的传动件，仅通过弹性臂、压电片以及柔性铰链即可驱动夹持机械手工作，减小了驱动装置的体积，且通过柔性铰链12与夹持手指之间的摩擦力即可实现夹持自锁的功能，此外本申请通过电路控制夹取，使夹持机械手的夹持精度更高，响应更迅速，并可适用于更多的场景。

在一些优选的实施方式中，滑动组件20包括固定轨道22和滑动块21，固定轨道22固定安装在底座2上，滑动块21设置在固定轨道22和超声电机之间，夹持手指30固定安装在滑动块21上，滑动块21与固定轨道22滑动连接，压电片11在接收不同大小的交流电信号时会产生对应强度的振动从而使柔性铰链12产生形变而接触并拖动滑动块21沿固定轨道22滑动。

在一些优选的实施方式中，柔性铰链12的中间设置有驱动足13，且驱动足13设置在背离弹性臂10的方向。

具体地，由于在本实施例中，超声电机通过柔性铰链12在形变过程中与滑动组件20接触并产生摩擦力从而驱动滑动组件20滑动，因此，若需要提高驱动稳定性，可通过提高柔性铰链12与滑动组件20之间的摩擦力实现稳定性的提高，具体地，驱动足13设置在柔性铰链12的中间且设置在远离弹性臂10的一侧，在对超声电机的两个弹性臂10对应的电路施加交流电信号时，柔性铰链12发生形变，驱动足13处的运动轨迹为椭圆形，在驱动足13沿椭圆形轨迹发生形变的过程中，驱动足13与滑动组件20接触且应力集中在驱动足13处，从而提高驱动足13与滑动组件20的摩擦力，保证夹取机械手进行夹取的稳定性，防止打滑。

可选地，在一些实施方式中，滑动组件20包括滑动块21以及滑槽，滑动块21设置在滑槽中滑动，在本实施例中，滑动组件20包括固定轨道22和滑动块21，固定轨道22通过螺栓固定在底座2上，滑动块21与固定轨道22滑动连接，夹持手指30中的固定部通过螺栓与滑动块21固定连接，滑动块21沿固定轨道22滑动时带动夹持手指30滑动。

在一些优选的实施方式中，滑动块21上的一个侧面固定连接有摩擦片50，在压电片11接收不同大小的交流电信号时会产生对应强度的振动从而使柔性铰链12产生形变，使柔性铰链12接触摩擦片50并拖动滑动块21滑动。

具体地，为保证夹持稳定，防止打滑，需要增大柔性铰链12与滑动块21接触时的摩擦力，可选地，增大摩擦力的方式有增大柔性铰链12对滑动块21的压力，或是增大柔性铰链12与滑动块21接触面的摩擦系数，在本实施方式中，在滑动块21的侧面固定连接有摩擦片50，在柔性铰链12发生形变时与摩擦片50接触并拖动滑动块21滑动，从而使柔性铰链12与滑动块21的滑动更稳定，而不会在夹持过程中打滑。

本申请提出的夹持机械手，通过超声电机进行驱动，超声电机通过压电效应，在弹性臂10的上下表面设置压电片11，将压电片11连接电路的正极，并将电路的负极与弹性臂10连接，使得在对电路施加具有特定变化的交流电信号时，使压电片11产生振动从而使柔性铰链12产生形变，从而可驱动夹持机械手上的两个夹持手指滑动以实现夹持和松开，本申请通过使用压电效应，无需通过丝杆、齿轮或轴承等体积较大的传动件，仅通过弹性臂、压电片以及柔性铰链即可驱动夹持机械手工作，减小了驱动装置的体积，且通过柔性铰链12与夹持手指之间的摩擦力即可实现夹持自锁的功能，此外本申请通过电路控制夹取，使夹持机械手的夹持精度更高，响应更迅速，并可适用于更多的场景。

第三方面，参照图4，图4为本申请提供的一种夹持机械手的激励方法的步骤流程图，如图4所示的一种夹持机械手的激励方法，用于控制夹持机械手进行夹持或松开的动作，夹持机械手包括底座2、两个左右对称设置的超声电机、两组平行设置的滑动组件20以及两个相对设置的夹持手指30，两个超声电机固定安装在底座2上，超声电机包括两个弹性臂10和柔性铰链12，两个弹性臂10通过各自的其中一端固定连接，两个弹性臂10的另一端通过柔性铰链12连接，且柔性铰链12朝背离弹性臂10的方向向外弯曲，弹性臂10的上下表面对称设置有压电片11，同一弹性臂10上的两个压电片11背离弹性臂10的表面上接入相同的交流电信号，同一个超声电机中的两个弹性臂10设置为V型结构，使两个对称设置的超声电机中的四个弹性臂10为X型结构，两组滑动组件20分别滑动安装在两个超声电机的柔性铰链12的外侧，两个夹持手指30分别固定安装在两个滑动组件20上，压电片11用于根据输入的交流电信号的强弱产生振动以使柔性铰链12发生形变而接触并拖动滑动组件20滑动，进而带动固定在滑动组件20上的夹持手指30滑动，从而实现夹持机械手的夹持与松开；

夹持机械手的激励方法包括以下步骤：

S1、获取动作指令信息；

S2、根据动作指令信息对需要运动的夹持手指30对应的超声电机上的压电片11施加交流电信号，以使对应的滑动组件20滑动而使夹持手指30完成与动作指令信息相对应的动作，施加在需要运动的夹持手指30对应的超声电机上的两个弹性臂10上的压电片11上的交流电信号为具有相位差的同频交流电信号。

具体地，在本实施例中，动作指令信息包括双指捏合、双指松开、单指捏合和单指松开等动作指令信息，不同的动作指令信息对应驱动不同的夹持手指30所对应的超声电机工作，如，若动作指令信息为双指捏合，则同时向两个夹持手指30对应的超声电机上的两个弹性臂10上的压电片11施加具有相位差的同频交流电信号，使两个夹持手指30相向运动，从而实现双指捏合的动作，在施加交流电信号时，需要根据获取的动作指令信息确定需要运动的夹持手指30，然后对需要运动的夹持手指30施加对应的交流电信号。

具体地，在本实施例中，输入的交流电信号为交流电压信号，其表达式为Asin(ωt+φ)，其中A表示电压的幅值，ω表示共振频率，φ表示相位，具体地，在施加在同一个超声电机的两个弹性臂10上的两个交流电信号中，若需要在驱动足13处产生椭圆形的形变轨迹，需要保证两个交流电信号的ω相同，φ不相同，可选地，A可相等，也可不相等，优选地，在本实施例中，两个交流电信号的A相等，在本实施例中，A的大小与驱动足13的椭圆形的形变轨迹相关，A增大则椭圆形的形变轨迹将扩大，在本实施例中，当超声电机与滑动组件20的距离保持不变，增大交流电信号中的A时，驱动足13对滑动组件20的压力将增大，则可增大驱动足13与滑动组件20之间的摩擦力，从而保证驱动滑动组件20滑动的稳定性；ω与柔性铰链12的形变速率有关，即与夹取手指的滑动速度有关，当ω增大，则交流电信号的共振频率增大，驱动足13沿椭圆形的形变轨迹形变的速度也将增大。

本申请提出的一种夹持机械手的激励方法，通过向不同弹性臂10上的压电片11施加不同相位的交流电信号使柔性铰链12产生对应轨迹的形变，从而使柔性铰链12在形变过程中与滑动组件20接触并驱动滑动组件20滑动，从而使夹持手指30随之滑动以实现夹持，且本申请还可针对不同物体调节向压电片11施加不同大小的交流电信号中的参数，从而控制柔性铰链12的形变程度从而使夹持更稳定。

在一些优选的实施方式中，步骤S2中，在两个对称设置的超声电机中，施加在相邻的两个弹性臂10上的压电片11上的同频交流电信号的相位不相等，施加在不相邻的弹性臂10上的压电片11上的同频交流电信号的相位相等。

具体地，本申请通过设置施加在相邻的两个弹性臂10上的压电片11上的同频交流电信号的相位不相等，施加在不相邻的弹性臂10上的压电片11上的同频交流电信号的相位相等使两个超声电机上的柔性铰链12的形变相同从而驱动两组滑动组件20以相同的速度滑动，带动滑动组件20上的夹持手指30同步滑动从而实现夹持机械手的双指夹持或双指松开。

在一些优选的实施方式中，步骤S2中，仅对其中一个超声电机的两个弹性臂10上的压电片11施加同频交流电信号，两个同频交流电信号的相位不相等。

具体地，本申请仅对其中一个超声电机中的两个电路施加相位不相同的同频交流电信号，驱动该超声电机对应连接的滑动组件20滑动，带动该滑动组件20上的夹持手指30滑动从而实现夹持机械手的单指夹持或单指松开。

在一些优选的实施方式中，向同一超声电机中的两个弹性臂10上的压电片11施加的两个同频交流电信号的相位相差π/2。

在一些实施方式中，若对同一超声电机中的两个弹性臂10上的压电片11施加的同频交流电信号的相位差大于0且小于π/2，则柔性铰链12产生的振动轨迹为斜椭圆轨迹，则此时柔性铰链12对滑动组件20产生的摩擦力不均匀，导致夹取和松开的不稳定，因此，优选地，在本实施例中，向同一超声电机中的两个弹性臂10上的压电片11施加的两个同频交流电信号的相位相差π/2，则此时柔性铰链12产生的振动轨迹为正椭圆轨迹，从而增加了夹取和松开的稳定性。

本申请提供的一种夹持机械手的激励方法，通过向不同弹性臂10上的压电片11施加不同相位的同频交流电信号使柔性铰链12产生对应轨迹的形变，从而驱动滑动组件20滑动，从而使夹持手指30随之滑动以实现夹持，且本申请还可针对不同物体，向压电片11施加不同大小的交流电信号控制柔性铰链12的形变程度从而使夹持更稳定。

由上可知，本申请提供的一种超声电机、夹持机械手及其激励方法，其中超声电机通过压电效应，在弹性臂10的上下表面设置压电片11，将压电片11连接电路的正极，并将电路的负极与弹性臂10连接，使得在对电路施加具有特定变化的交流电信号时，使压电片11产生振动从而使柔性铰链12产生形变，从而可驱动夹持机械手上的两个夹持手指滑动以实现夹持和松开，本申请通过使用压电效应，无需通过丝杆、齿轮或轴承等体积较大的传动件，仅通过弹性臂、压电片以及柔性铰链即可驱动夹持机械手工作，减小了驱动装置的体积，且通过柔性铰链12与夹持手指之间的摩擦力即可实现夹持自锁的功能，此外本申请通过电路控制夹取，使夹持机械手的夹持精度更高，响应更迅速，并可适用于更多的场景。

实施例一

驱动双指捏合

在本实施例中，超声电机具有两个超声电机，共四个弹性臂10，每个弹性臂10的上下表面均固定连接有压电片11，且在本实施例中，将压电片11连接电路的正极，并将电路的负极与弹性臂10连接，在对压电片11施加交流电信号时，弹性臂10以及上下两个压电片11可组成电路，当对相邻的电路施加不同相位的交流电信号时，柔性铰链12与滑动块21的连接处将产生两种模态（竖直运动模态和水平运动模态），使柔性铰链12形变以驱动滑动块21滑动，在本实施例中，为增加滑动块21滑动稳定性，防止柔性铰链12与滑动块21之间打滑，在柔性铰链12上设置驱动足13与滑动块21连接，在本实施例中，参考图2，对左下角和右上角的电路分别施加交流电信号Asinωt，对左上角和右下角的电路分别施加交流电信号Asin(ωt-π/2)，则此时两个柔性铰链12上的驱动足13沿顺时针方向作正椭圆运动，驱动左侧的滑动块21向上滑动，驱动右侧的滑动块21向下滑动，从而驱动与滑动块21固定连接的夹持手指30相对滑动从而实现双指捏合。

实施例二

驱动双指松开

在本实施例中，当对左下角和右上角的电路分别施加交流电信号Asinωt，对左上角和右下角的电路分别施加交流电信号Asin(ωt+π/2)时，则此时两个柔性铰链12上的驱动足13沿逆时针方向作正椭圆运动，驱动左侧的滑动块21向下滑动，驱动右侧的滑动块21向上滑动，从而驱动与滑动块21固定连接的夹持手指30背向滑动从而实现双指松开。

实施例三

驱动单指捏合

在本实施例中，当对左下角的电路施加交流电信号Asinωt，对左上角的电路施加交流电信号Asin(ωt-π/2)，不对右上角和右下角的电路施加信号，则此时左侧的驱动足13沿顺时针方向作正椭圆运动，右侧的驱动足13不动，从而驱动与左侧滑动块21连接的夹持手指30向上滑动，实现单指捏合；

或者对右上角的电路施加交流电信号Asinωt，对右下角的电路施加交流电信号Asin(ωt-π/2)，不对左上角和左下角的电路施加信号，则此时右侧的驱动足13沿顺时针方向做正椭圆运动，左侧的驱动足13不动，从而驱动与右侧滑动块21连接的夹持手指30向下运动，实现单指捏合。

实施例四

驱动单指松开

在本实施例中，当对左下角的电路施加交流电信号Asinωt，对左上角的电路施加交流电信号Asin(ωt+π/2)，不对右上角和右下角的电路施加信号，则此时左侧的驱动足13沿逆时针方向作正椭圆运动，右侧的驱动足13不动，从而驱动与左侧滑动块21连接的夹持手指30向下滑动，实现单指松开；

或者对右上角的电路施加交流电信号Asinωt，对右下角的电路施加交流电信号Asin(ωt+π/2)，不对左上角和左下角的电路施加信号，则此时右侧的驱动足13沿逆时针方向做正椭圆运动，左侧的驱动足13不动，从而驱动与右侧滑动块21连接的夹持手指30向上运动，实现单指松开。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种夹持机械手，包括底座，其特征在于，所述夹持机械手还包括两个左右对称设置的超声电机、两组平行设置的滑动组件以及两个相对设置的夹持手指，两个所述超声电机固定安装在所述底座上，所述超声电机包括两个弹性臂和柔性铰链，两个所述弹性臂通过各自的其中一端固定连接，两个所述弹性臂的另一端通过所述柔性铰链连接，且所述柔性铰链朝背离所述弹性臂的方向向外弯曲，每个所述弹性臂的上下表面均对称设置有压电片，同一所述弹性臂上的两个所述压电片背离所述弹性臂的表面上接入相同的交流电信号，两组所述滑动组件分别滑动安装在两个所述超声电机的所述柔性铰链的外侧，两个所述夹持手指分别固定安装在两个所述滑动组件上，所述压电片用于根据输入的交流电信号的强弱产生振动以使所述柔性铰链发生形变而接触并拖动所述滑动组件滑动，进而带动固定在所述滑动组件上的夹持手指滑动，从而实现夹持机械手的夹持与松开。

2.根据权利要求1所述的一种夹持机械手，其特征在于，所述柔性铰链的中间设置有驱动足，且所述驱动足设置在背离所述弹性臂的方向。

3.根据权利要求1所述的一种夹持机械手，其特征在于，所述滑动组件包括固定轨道和滑动块，所述固定轨道固定安装在所述底座上，所述滑动块设置在所述固定轨道和所述超声电机之间，所述夹持手指固定安装在所述滑动块上，所述滑动块与所述固定轨道滑动连接，所述压电片在接收不同大小的交流电信号时会产生对应强度的振动从而使所述柔性铰链产生形变而接触并拖动所述滑动块沿所述固定轨道滑动。

4.根据权利要求3所述的一种夹持机械手，其特征在于，所述滑动块上的一个侧面固定连接有摩擦片，在所述压电片接收不同大小的交流电信号时会产生对应强度的振动从而使所述柔性铰链产生形变，使所述柔性铰链接触所述摩擦片并拖动所述滑动块滑动。

5.一种夹持机械手的激励方法，用于控制夹持机械手进行夹持或松开的动作，其特征在于，所述夹持机械手包括两个左右对称设置的超声电机、两组平行设置的滑动组件以及两个相对设置的夹持手指，两个所述超声电机固定安装在底座上，所述超声电机包括两个弹性臂和柔性铰链，两个所述弹性臂通过各自的其中一端固定连接，两个所述弹性臂的另一端通过所述柔性铰链连接，且所述柔性铰链朝背离所述弹性臂的方向向外弯曲，每个所述弹性臂的上下表面均对称设置有压电片，同一所述弹性臂上的两个所述压电片背离所述弹性臂的表面上接入相同的交流电信号，同一个所述超声电机中的两个所述弹性臂设置为V型结构，使两个对称设置的所述超声电机中的四个所述弹性臂为X型结构，两组所述滑动组件分别滑动安装在两个所述超声电机的所述柔性铰链的外侧，两个所述夹持手指分别固定安装在两个所述滑动组件上，所述压电片用于根据输入的交流电信号的强弱产生振动以使所述柔性铰链发生形变而接触并拖动所述滑动组件滑动，进而带动固定在所述滑动组件上的夹持手指滑动，从而实现夹持机械手的夹持与松开；

所述夹持机械手的激励方法包括以下步骤：

S1、获取动作指令信息；

S2、根据所述动作指令信息对需要运动的夹持手指对应的所述超声电机上的压电片施加交流电信号，以使对应的滑动组件滑动而使所述夹持手指完成与所述动作指令信息相对应的动作，施加在需要运动的所述夹持手指对应的所述超声电机上的两个所述弹性臂上的所述压电片上的交流电信号为具有相位差的同频交流电信号。

6.根据权利要求5所述的一种夹持机械手的激励方法，其特征在于，步骤S2中，在两个对称设置的所述超声电机中，施加在相邻的两个所述弹性臂上的所述压电片上的所述同频交流电信号的相位不相等，施加在不相邻的所述弹性臂上的所述压电片上的所述同频交流电信号的相位相等。

7.根据权利要求5所述的一种夹持机械手的激励方法，其特征在于，步骤S2中，仅对其中一个所述超声电机的两个所述弹性臂上的所述压电片施加所述同频交流电信号，两个所述同频交流电信号的相位不相等。

8.根据权利要求5所述的一种夹持机械手的激励方法，其特征在于，向同一所述超声电机中的两个所述弹性臂上的所述压电片施加的两个交流电信号的相位相差为π/2。

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