CN116232116A - 基于多自由度压电作动器的移动机器人及其激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多自由度压电作动器的移动机器人及其激励方法，该压电机器人包括转子、定子、四个连接杆和四个支撑件。支撑件包含限位筒、弹簧和支撑球。定子包裹在转子外表面。定子由压电陶瓷制备而成。本发明对定子施加特定组合的电信号，激励出定子的一种径向弯曲振动模态和两种正交轴向弯曲振动模态中的两种振动模态，从而在驱动面上耦合形成微幅的椭圆运动，通过摩擦作用驱动转子绕三个轴旋转，实现压电机器人的两个方向的平移和转动。本发明能够实现两个方向的平移和转动，具有结构简单紧凑、不受电磁干扰、断电自锁、易于小型化等优点，适用于机器人运载技术、目标跟踪技术和精密定位平台等领域。

Description

基于多自由度压电作动器的移动机器人及其激励方法

技术领域

本发明涉及压电作动器技术领域，尤其涉及一种基于多自由度压电作动器的移动机器人及其激励方法。

背景技术

精密驱动技术的不断进步推动着航天航空、智能机器人技术、精密仪器等领域的发展，作动器作为精密仪器技术的执行机构，对执行器的性能提出越来越高的要求和限制。传统的移动机器人是使用多台单自由度电磁电机串联以及复杂的传动机构来实现平面内的移动和转动，这会导致体积庞大、结构复杂和难以小型化。多自由度压电作动器是一种利用压电材料的逆压电效应来激励定子产生相应的共振模态，在摩擦作用的驱动下实现转子多个方向的直线或旋转运动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于多自由度压电作动器的移动机器人及其激励方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于多自由度压电作动器的移动机器人，包含转子、定子、第一至第四连接杆、以及第一至第四支撑件；

所述定子为两端开口且关于两个底面之间的中性面对称的空心球台，包含第一至第八压电陶瓷片；

所述第一至第八压电陶瓷片结构相同，均为块状球壳，其中，第一、第三、第五、第七压电陶瓷片首尾相连形成了定子两个底面之间的中性面一侧的球台，第二、第四、第六、第八压电陶瓷片首尾相连形成了定子两个底面之间的中性面另一侧的球台，且第一和第二压电陶瓷片、第三和第四压电陶瓷片、第五和第六压电陶瓷片、第七和第八压电陶瓷片均关于定子两个底面之间的中性面对称，第一至第八压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向同时朝内或同时朝外；

所述转子采用球体或球壳，设置在所述定子内，和定子球面接触，转子的球心和定子的球心重合；

所述第一至第四连接杆结构相同，周向均匀设置在所述定子外；第一至第四连接杆的一端分别和定子工作模态时四个节圆和节径交界处一一对应固连，另一端和分别和所述第一至第四支撑件一一对应固连，使得移动机器人置于平面时第一至第四支撑件的下端和转子的下端共面，以支撑移动机器人站立。

作为本发明基于多自由度压电作动器的移动机器人进一步的优化方案，所述第一至第四连接杆采用L形连接杆。

作为本发明基于多自由度压电作动器的移动机器人进一步的优化方案，所述第一至第四支撑件结构相同，均包含限位筒、弹簧和支撑球；

所述限位筒为空心圆柱体，且一个端面中心设有用于和所述支撑球配合的限位通孔；

所述支撑球的直径小于限位筒横截面的直径、大于限位通孔的直径；所述弹簧、支撑球均设置在限位筒内；弹簧一端和限位筒的封闭端相抵、另一端和所述支撑球相抵，使得支撑球的一部分从限位通孔中露出；

所述第一至第四支撑件的限位筒的轴线均和所述定子的轴线平行。

本发明还公开了一种该基于多自由度压电作动器的移动机器人的激励方法，包含以下步骤：

令转子的球心为笛卡尔坐标原点，从坐标原点指向第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片相交线的中点为X轴，从坐标原点指向第三压电陶瓷片和第四压电陶瓷片相交线的中点为Y轴，从坐标原点沿转子的轴线上方为Z轴;

如果需要移动机器人沿X轴前进：

对定子的第三压电陶瓷片和第八压电陶瓷片施加第一激励信号，对定子的第四压电陶瓷片和第七压电陶瓷片施加第二激励信号，对定子的第一、第二、第五、第六压电陶瓷片施加第三激励信号；所述第一至第三激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，其中，第一激励信号与第二激励信号的相位相反,第一激励信号在时间相位差上超前第三激励信号π/2，使定子同时激发径向弯曲振动模态和Y轴方向的轴向弯振动模态；通过径向弯曲振动模态和轴向弯曲振动模态的耦合，在定子的驱动面形成垂直于X轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动转子绕X轴旋转，从而实现移动机器人沿X轴前进；

如果需要移动机器人沿X轴后退，将第三激励信号取反即可；

如果需要移动机器人沿Y轴前进：

对定子的第一压电陶瓷片和第六压电陶瓷片施加第四激励信号，对定子的第二压电陶瓷片和第五压电陶瓷片施加第五激励信号，对定子的第三、第四、第七、第八压电陶瓷片施加第六激励信号；所述第四至第六激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，其中，第四激励信号与第五激励信号的相位相反,第四激励信号在时间相位差上超前第六激励信号π/2，使定子同时激发径向弯曲振动模态和X轴方向的轴向弯振动模态；通过径向弯曲振动模态和轴向弯曲振动模态的耦合，在定子的驱动面形成垂直于Y轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动转子绕Y轴旋转，从而实现移动机器人沿Y轴前进；

如果需要移动机器人沿Y轴后退，将第六激励信号取反即可；

如果需要移动机器人沿Z轴正向旋转：

对定子的第三压电陶瓷片和第八压电陶瓷片施加第一激励信号，对定子的第四压电陶瓷片和第七压电陶瓷片施加第二激励信号，对定子的第一压电陶瓷片和第六压电陶瓷片施加第四激励信号，对定子的第二压电陶瓷片和第五压电陶瓷片施加第五激励信号；其中，第一激励信号在时间相位差上超前第四激励信号π/2，使定子同时激发两个互相正交的轴向弯振动模态；通过两个正交的轴向弯振动模态的耦合，在定子的驱动面形成垂直于Z轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动转子绕Z轴旋转，从而实现移动机器人沿Z轴正向旋转；

如果需要移动机器人沿Z轴反向旋转，将第一激励信号改变成在时间相位差上落后第四激励信号π/2。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 采用定子作为压电材料直接激励自身模态，结构简单紧凑，避免了压电材料与定子配合之间产生的误差影响，提升了移动机器人工作的稳定性；

2. 采用压电驱动技术利用定子直接驱动转子，实现移动机器人两个方向的平移和旋转，且球面接触增大移动机器人的驱动效率，易于实现小型化。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中定子的结构示意图以及极化方式示意图；

图3是本发明中支撑件的结构示意图；

图4是本发明中定子的径向弯曲振动模态在X和Y轴正、负方向的对比示意图；

图5是本发明中定子的Y轴方向的轴向弯振动模态模态在Z轴正、负方向的对比示意图；

图6是本发明中定子的X轴方向的轴向弯振动模态模态在Z轴正、负方向的对比示意图

图7是本发明绕X轴转动时的定子工作状态示意图；

图8是本发明绕Y轴转动时的定子工作状态示意图；

图9是本发明绕X轴转动时的定子工作状态示意图；

图中，1-转子，2-定子，3-连接杆，4-支撑件，5-限位筒，6-弹簧，7-支撑球。

实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

如图1所示，本发明公开了一种基于多自由度压电作动器的移动机器人，包含转子、定子、第一至第四连接杆、以及第一至第四支撑件；

如图2所示，所述定子为两端开口且关于两个底面之间的中性面对称的空心球台，包含第一至第八压电陶瓷片；

所述第一至第八压电陶瓷片结构相同，均为块状球壳，其中，第一、第三、第五、第七压电陶瓷片首尾相连形成了定子两个底面之间的中性面一侧的球台，第二、第四、第六、第八压电陶瓷片首尾相连形成了定子两个底面之间的中性面另一侧的球台，且第一和第二压电陶瓷片、第三和第四压电陶瓷片、第五和第六压电陶瓷片、第七和第八压电陶瓷片均关于定子两个底面之间的中性面对称，第一至第八压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向同时朝内或同时朝外；

所述转子采用球体或球壳，设置在所述定子内，和定子球面接触，转子的球心和定子的球心重合；

所述第一至第四连接杆结构相同，周向均匀设置在所述定子外；第一至第四连接杆的一端分别和定子工作模态时四个节圆和节径交界处一一对应固连，另一端和分别和所述第一至第四支撑件一一对应固连，使得移动机器人置于平面时第一至第四支撑件的下端和转子的下端共面，以支撑移动机器人站立。

所述第一至第四连接杆优先采用L形连接杆。

如图3所示，所述第一至第四支撑件结构相同，均包含限位筒、弹簧和支撑球；

所述限位筒为空心圆柱体，且一个端面中心设有用于和所述支撑球配合的限位通孔；

所述支撑球的直径小于限位筒横截面的直径、大于限位通孔的直径；所述弹簧、支撑球均设置在限位筒内；弹簧一端和限位筒的封闭端相抵、另一端和所述支撑球相抵，使得支撑球的一部分从限位通孔中露出；

所述第一至第四支撑件的限位筒的轴线均和所述定子的轴线平行。

本发明还公开了基于多自由度压电作动器的移动机器人的激励方法，包含以下步骤：

如图2所示，令转子的球心为笛卡尔坐标原点，从坐标原点指向第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片相交线的中点为X轴，从坐标原点指向第三压电陶瓷片和第四压电陶瓷片相交线的中点为Y轴，从坐标原点沿转子的轴线上方为Z轴;

如果需要移动机器人沿X轴前进：

对定子的第三压电陶瓷片和第八压电陶瓷片施加第一激励信号，对定子的第四压电陶瓷片和第七压电陶瓷片施加第二激励信号，对定子的第一、第二、第五、第六压电陶瓷片施加第三激励信号；所述第一至第三激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，其中，第一激励信号与第二激励信号的相位相反,第一激励信号在时间相位差上超前第三激励信号π/2，使定子同时激发径向弯曲振动模态和Y轴方向的轴向弯振动模态，如图4和图5所示；通过径向弯曲振动模态和轴向弯曲振动模态的耦合，在定子的驱动面形成垂直于X轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动转子绕X轴旋转，如图7所示，从而实现移动机器人沿X轴前进；

如果需要移动机器人沿X轴后退，将第三激励信号取反即可；

如果需要移动机器人沿Y轴前进：

对定子的第一压电陶瓷片和第六压电陶瓷片施加第四激励信号，对定子的第二压电陶瓷片和第五压电陶瓷片施加第五激励信号，对定子的第三、第四、第七、第八压电陶瓷片施加第六激励信号；所述第四至第六激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，其中，第四激励信号与第五激励信号的相位相反,第四激励信号在时间相位差上超前第六激励信号π/2，使定子同时激发径向弯曲振动模态和X轴方向的轴向弯振动模态，如图4和图6所示；通过径向弯曲振动模态和轴向弯曲振动模态的耦合，在定子的驱动面形成垂直于Y轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动转子绕Y轴旋转，如图8所示，从而实现移动机器人沿Y轴前进；

如果需要移动机器人沿Y轴后退，将第六激励信号取反即可；

如果需要移动机器人沿Z轴正向旋转：

对定子的第三压电陶瓷片和第八压电陶瓷片施加第一激励信号，对定子的第四压电陶瓷片和第七压电陶瓷片施加第二激励信号，对定子的第一压电陶瓷片和第六压电陶瓷片施加第四激励信号，对定子的第二压电陶瓷片和第五压电陶瓷片施加第五激励信号；其中，第一激励信号在时间相位差上超前第四激励信号π/2，使定子同时激发两个互相正交的轴向弯振动模态，如图5和图6所示；通过两个正交的轴向弯振动模态的耦合，在定子的驱动面形成垂直于Z轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动转子绕Z轴旋转，如图9所示，从而实现移动机器人沿Z轴正向旋转；

如果需要移动机器人沿Z轴反向旋转，将第一激励信号改变成在时间相位差上落后第四激励信号π/2。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于多自由度压电作动器的移动机器人，其特征在于，包含转子、定子、第一至第四连接杆、以及第一至第四支撑件；

所述定子为两端开口且关于两个底面之间的中性面对称的空心球台，包含第一至第八压电陶瓷片；

所述第一至第八压电陶瓷片结构相同，均为块状球壳，其中，第一、第三、第五、第七压电陶瓷片首尾相连形成了定子两个底面之间的中性面一侧的球台，第二、第四、第六、第八压电陶瓷片首尾相连形成了定子两个底面之间的中性面另一侧的球台，且第一和第二压电陶瓷片、第三和第四压电陶瓷片、第五和第六压电陶瓷片、第七和第八压电陶瓷片均关于定子两个底面之间的中性面对称，第一至第八压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向同时朝内或同时朝外；

所述转子采用球体或球壳，设置在所述定子内，和定子球面接触，转子的球心和定子的球心重合；

所述第一至第四连接杆结构相同，周向均匀设置在所述定子外；第一至第四连接杆的一端分别和定子工作模态时四个节圆和节径交界处一一对应固连，另一端和分别和所述第一至第四支撑件一一对应固连，使得移动机器人置于平面时第一至第四支撑件的下端和转子的下端共面，以支撑移动机器人站立。

2.根据权利要求1所述的基于多自由度压电作动器的移动机器人，其特征在于，所述第一至第四连接杆采用L形连接杆。

3.根据权利要求1所述的基于多自由度压电作动器的移动机器人，其特征在于，所述第一至第四支撑件结构相同，均包含限位筒、弹簧和支撑球；

所述限位筒为空心圆柱体，且一个端面中心设有用于和所述支撑球配合的限位通孔；

所述支撑球的直径小于限位筒横截面的直径、大于限位通孔的直径；所述弹簧、支撑球均设置在限位筒内；弹簧一端和限位筒的封闭端相抵、另一端和所述支撑球相抵，使得支撑球的一部分从限位通孔中露出；

所述第一至第四支撑件的限位筒的轴线均和所述定子的轴线平行。

4.基于权利要求1所述的基于多自由度压电作动器的移动机器人的激励方法，其特征在于，包含以下步骤：

令转子的球心为笛卡尔坐标原点，从坐标原点指向第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片相交线的中点为X轴，从坐标原点指向第三压电陶瓷片和第四压电陶瓷片相交线的中点为Y轴，从坐标原点沿转子的轴线上方为Z轴;

如果需要移动机器人沿X轴前进：

对定子的第三压电陶瓷片和第八压电陶瓷片施加第一激励信号，对定子的第四压电陶瓷片和第七压电陶瓷片施加第二激励信号，对定子的第一、第二、第五、第六压电陶瓷片施加第三激励信号；所述第一至第三激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，其中，第一激励信号与第二激励信号的相位相反,第一激励信号在时间相位差上超前第三激励信号π/2，使定子同时激发径向弯曲振动模态和Y轴方向的轴向弯振动模态；通过径向弯曲振动模态和轴向弯曲振动模态的耦合，在定子的驱动面形成垂直于X轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动转子绕X轴旋转，从而实现移动机器人沿X轴前进；

如果需要移动机器人沿X轴后退，将第三激励信号取反即可；

如果需要移动机器人沿Y轴前进：

对定子的第一压电陶瓷片和第六压电陶瓷片施加第四激励信号，对定子的第二压电陶瓷片和第五压电陶瓷片施加第五激励信号，对定子的第三、第四、第七、第八压电陶瓷片施加第六激励信号；所述第四至第六激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，其中，第四激励信号与第五激励信号的相位相反,第四激励信号在时间相位差上超前第六激励信号π/2，使定子同时激发径向弯曲振动模态和X轴方向的轴向弯振动模态；通过径向弯曲振动模态和轴向弯曲振动模态的耦合，在定子的驱动面形成垂直于Y轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动转子绕Y轴旋转，从而实现移动机器人沿Y轴前进；

如果需要移动机器人沿Y轴后退，将第六激励信号取反即可；

如果需要移动机器人沿Z轴正向旋转：

对定子的第三压电陶瓷片和第八压电陶瓷片施加第一激励信号，对定子的第四压电陶瓷片和第七压电陶瓷片施加第二激励信号，对定子的第一压电陶瓷片和第六压电陶瓷片施加第四激励信号，对定子的第二压电陶瓷片和第五压电陶瓷片施加第五激励信号；其中，第一激励信号在时间相位差上超前第四激励信号π/2，使定子同时激发两个互相正交的轴向弯振动模态；通过两个正交的轴向弯振动模态的耦合，在定子的驱动面形成垂直于Z轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动转子绕Z轴旋转，从而实现移动机器人沿Z轴正向旋转；

如果需要移动机器人沿Z轴反向旋转，将第一激励信号改变成在时间相位差上落后第四激励信号π/2。

Images