CN116587277A - 一种惯性压电驱动的平面三自由度移动机器人及驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种惯性压电驱动的平面三自由度移动机器人及驱动方法，属于精密驱动与定位技术领域，通过压电驱动器之间的协同运动实现对机器人多模式惯性驱动，从而以简单结构进行精准操控，包括主体、并联式压电驱动器、配重块、承载平台，主体的两侧分别与第一并联式压电驱动器和第二并联式压电驱动器相连接，第一配重块设置于第一并联式压电驱动器上远离主体的一端，第二配重块设置于第二并联式压电驱动器上远离主体的一端，第一配重块和第二配重块的上表面通过连接块与承载平台固定连接，第一并联式压电驱动器和第二并联式压电驱动器均由两个径向伸长的压电陶瓷叠堆并联组成，压电陶瓷之间采用刚性连接。

Description

一种惯性压电驱动的平面三自由度移动机器人及驱动方法
技术领域
本发明涉及精密驱动与定位技术领域，尤其是涉及一种惯性压电驱动的平面三自由度移动机器人及驱动方法。
背景技术
压电电机具有响应速度快、结构简单、不受电磁干扰等特点，在特殊环境下的精密驱动与定位系统中得到了广泛应用。惯性致动型压电驱动器利用压电材料快速响应的特点，基于惯性原理实现致动效果，如图1所示，现有惯性致动型压电驱动器可分为惯性冲击式和惯性摩擦式两种，二者的主要区别在于驱动器的定子与动子是否为一个整体。惯性冲击式的定子与动子为一个整体，当压电单元快速伸长时利用其惯性实现驱动器的整体移动，当压电单元缓慢缩短时驱动器整体保持静止。
惯性摩擦式压电驱动器的定子与动子为分离状态，对于该类压电驱动器而言，一般将惯性单元，即图1中压电致动器8视为定子，将移动单元，即图1中惯性质量块9视为动子，定子与动子相连接，定子的另一端连接滑块8，这可避免移动单元与驱动器一体化设计引起的问题。其运动周期包括：①当驱动器定子缓慢动作时其动子跟随定子移动，②当驱动器定子快速动作时其动子由于惯性保持静止两个动作，图中d表示产生的位移。利用定子单元的“慢-快”周期性动作即可驱动动子实现“粘-滑”的步进运动。惯性驱动的运动形式比较简单，因此通过多驱动器的串联虽然可以实现多自由的驱动，但结构会更加复杂，失去了压电惯性驱动运动形式简单的优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种惯性压电驱动的平面三自由度移动机器人及驱动方法，通过压电驱动器之间的协同运动实现对机器人多模式惯性驱动，从而以简单结构进行精准操控。
为实现上述目的，本发明提供了一种惯性压电驱动的平面三自由度移动机器人，包括主体、并联式压电驱动器、配重块、承载平台，主体的两侧分别与第一并联式压电驱动器和第二并联式压电驱动器相连接，第一配重块设置于第一并联式压电驱动器上远离主体的一端，第二配重块设置于第二并联式压电驱动器上远离主体的一端，第一配重块和第二配重块的上表面通过连接块与承载平台固定连接，第一并联式压电驱动器和第二并联式压电驱动器均由两个径向伸长的压电陶瓷叠堆并联组成，压电陶瓷之间采用刚性连接。
一种惯性压电驱动的平面三自由度移动机器人的驱动方法，按照位置分布对压电陶瓷划分象限，第一并联式压电驱动器中的压电陶瓷划分为1、2象限，第二并联式压电驱动器中的压电陶瓷划分为3、4象限，1、2、3、4象限按逆时针分布；
通过“+”表示象限内对应压电驱动器的伸长，“-”表示压电驱动器的收缩，+电压即表示可以使压电陶瓷伸长的电压，-电压即表示可以使压电陶瓷收缩的电压；
驱动过程使用的电压波形为折线形，按时间划分，以t1为起始时间，驱动电压的绝对值在t1-t2之间单调递增，t2-t3之间单调递减，t3时归零，满足：
t2-t1>t3-t2
t3>t2>t1
三自由度驱动的过程分别如下：
X轴直线运动：按波形图向1、4象限施加+电压，2、3象限施加-电压，在t1-t2之间，1、4象限的压电陶瓷逐渐伸长，2、3象限的压电陶瓷逐渐缩短，作为动子的第一配重块和第二配重块向X轴负向偏移；在t2-t3之间，压电陶瓷复位，作为动子的第一配重块和第二配重块快速摆正，整个机器人具有向X轴正向直线移动的位移；
Y轴直线运动：按波形图向3、4象限施加+电压，1、2象限施加-电压，在t1-t2之间，3、4象限的压电陶瓷逐渐伸长，1、2象限的压电陶瓷逐渐缩短，作为动子的第一配重块和第二配重块向Y轴负向移动；在t2-t3之间，压电陶瓷复位，作为动子的第一配重块和第二配重块由于惯性快速向Y轴正向移动，且正向移动距离大于负向移动的距离，整个机器人具有向Y轴正向直线移动的位移；
Z轴旋转运动：按波形图向1、3象限施加+电压，2、4象限施加-电压，在t1-t2之间，1、3象限的压电陶瓷逐渐伸长，2、4象限的压电陶瓷逐渐缩短，第一配重块和第二配重块产生相反方向的偏移；在t2-t3之间，压电陶瓷复位，第一配重块向X轴正向移动，第二配重块向X轴负向移动，整个机器人围绕Z轴发生旋转。
因此，本发明采用上述结构和步骤的一种惯性压电驱动的平面三自由度移动机器人及驱动方法，通过多个驱动器的并联协同运动可以使机器人的整体结构更为紧凑，同时多驱动器协同的模式有更大的运动控制能力，可以适应更复杂的应用环境。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为惯性致动型压电驱动器的工作原理示意图；
图2为本发明一种惯性压电驱动的平面三自由度移动机器人实施例的结构示意图；
图3本发明实施例的并联式压电驱动器的运动形式示意图，(a)表示向左侧偏移，(b)表示向右侧偏移，(c)表示径向伸长，(d)表示径向收缩；
图4为本发明实施例的并联式压电驱动器的象限划分示意图；
图5为本发明实施例的并驱动电压波形图；
图6为本发明实施例的X轴直线运动驱动过程图，(a)表示象限电压分布，(b)表示t1时刻机器人状态，(c)表示t2时刻机器人状态，(d)表示t3时刻机器人状态；
图7为本发明实施例的Y轴直线运动驱动过程图，(a)表示象限电压分布，(b)表示t1时刻机器人状态，(c)表示t2时刻机器人状态，(d)表示t3时刻机器人状态；
图8为本发明实施例的Z轴旋转运动驱动过程图，(a)表示象限电压分布，(b)表示t1时刻机器人状态，(c)表示t2时刻机器人状态，(d)表示t3时刻机器人状态。
附图标记
1、第一配重块；2、第一并联式压电驱动器；3、主体；4、第二并联式压电驱动器；5、第二配重块；6、滑块；7、压电致动器；8、惯性质量块。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例
如图2所示，一种惯性压电驱动的平面三自由度移动机器人，包括主体3、并联式压电驱动器和配重块，主体3的两侧分别与第一并联式压电驱动器2和第二并联式压电驱动器4相连接，第一配重块1设置于第一并联式压电驱动器2上远离主体3的一端，第二配重块5设置于第二并联式压电驱动器4上远离主体3的一端。第一配重块1和第二配重块5作为动子，第一并联式压电驱动器2和第二并联式压电驱动器4作为定子。在运动过程中，只有主体3的底面与接触面存在摩擦接触。
第一并联式压电驱动器2和第二并联式压电驱动器4均由两个径向伸长的压电陶瓷叠堆并联组成，压电陶瓷的并联部分采用刚性连接，刚度较大，迫使两压电陶瓷的并联位置形变保持一致。由此控制两压电陶瓷驱动信号的正负可以实现四种不同的运动形式，如图3所示。可以看到如果驱动信号异号驱动器将发生左右的偏移运动，如果驱动信号同号驱动器将发生径向的伸长或收缩运动。该驱动器相比于多个不同运动方向串联形式的驱动器有更高的切向刚度以及更大的切向与径向位移。
基于以上结构，提出一种惯性压电驱动的平面三自由度移动机器人的驱动方法。
首先按照位置分布对压电陶瓷划分象限，如图4所示，第一并联式压电驱动器2中的压电陶瓷划分为1、2象限，第二并联式压电驱动器4中的压电陶瓷划分为3、4象限，1、2、3、4象限按逆时针分布。
通过“+”表示象限内对应压电驱动器的伸长，“-”表示压电驱动器的收缩，+电压即表示可以使压电陶瓷伸长的电压，-电压即表示可以使压电陶瓷收缩的电压。+电压和-电压的区别在于施加于压电陶瓷上时的电压方向。
在驱动过程中使用的驱动电压波形如图5所示，对应基于惯性驱动去程与回程两个阶段。驱动过程使用的电压波形为折线形，按时间划分，以t1为起始时间，驱动电压的绝对值在t1-t2之间单调递增，t2-t3之间单调递减，t3时归零，满足：
t2-t1>t3-t2
t3>t2>t1
这代表回程时间远小于去程时间，以保证机器人整体由于配重块惯性产生目标方向的运动。
以每个自由度的正方向为例，三自由度驱动的过程分别如下：
X轴直线运动：如图6所示，按图5所示波形图的变化趋势向1、4象限施加+电压，2、3象限施加-电压，在t1-t2之间，1、4象限的压电陶瓷逐渐伸长，2、3象限的压电陶瓷逐渐缩短，作为动子的第一配重块1和第二配重块5向X轴负向偏移；在t2-t3之间，压电陶瓷复位，作为动子的第一配重块1和第二配重块5快速摆正，给与主体3的动力超过了主体3底面与接触面的摩擦力，使整个机器人产生向X轴正向直线移动的位移。
Y轴直线运动：如图7所示，按图5所示波形图的变化趋势向3、4象限施加+电压，1、2象限施加-电压，在t1-t2之间，3、4象限的压电陶瓷逐渐伸长，1、2象限的压电陶瓷逐渐缩短，作为动子的第一配重块1和第二配重块5向Y轴负向移动；在t2-t3之间，压电陶瓷复位，作为动子的第一配重块1和第二配重块5由于惯性快速向Y轴正向移动，且正向移动距离大于负向移动的距离，整个机器人产生向Y轴正向直线移动的位移。
Z轴旋转运动：如图8所示，按图5所示波形图的变化趋势向1、3象限施加+电压，2、4象限施加-电压，在t1-t2之间，1、3象限的压电陶瓷逐渐伸长，2、4象限的压电陶瓷逐渐缩短，第一配重块1和第二配重块5产生相反方向的偏移；在t2-t3之间，压电陶瓷复位，第一配重块1向X轴正向移动，第二配重块5向X轴负向移动，整个机器人受到一个力偶的作用，围绕Z轴发生旋转。
因此，本发明采用上述结构和步骤的一种惯性压电驱动的平面三自由度移动机器人及驱动方法，通过多个驱动器的并联协同运动可以使机器人的整体结构更为紧凑，同时多驱动器协同的模式有更大的运动控制能力，可以适应更复杂的应用环境。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种惯性压电驱动的平面三自由度移动机器人，其特征在于：包括主体、并联式压电驱动器、配重块、承载平台，主体的两侧分别与第一并联式压电驱动器和第二并联式压电驱动器相连接，第一配重块设置于第一并联式压电驱动器上远离主体的一端，第二配重块设置于第二并联式压电驱动器上远离主体的一端，第一配重块和第二配重块的上表面通过连接块与承载平台固定连接，第一并联式压电驱动器和第二并联式压电驱动器均由两个径向伸长的压电陶瓷叠堆并联组成，压电陶瓷之间采用刚性连接。
2.如权利要求1所述的一种惯性压电驱动的平面三自由度移动机器人的驱动方法，其特征在于：按照位置分布对压电陶瓷划分象限，第一并联式压电驱动器中的压电陶瓷划分为1、2象限，第二并联式压电驱动器中的压电陶瓷划分为3、4象限，1、2、3、4象限按逆时针分布；
通过“+”表示象限内对应压电驱动器的伸长，“-”表示压电驱动器的收缩，+电压即表示可以使压电陶瓷伸长的电压，-电压即表示可以使压电陶瓷收缩的电压；
驱动过程使用的电压波形为折线形，按时间划分，以t1为起始时间，驱动电压的绝对值在t1-t2之间单调递增，t2-t3之间单调递减，t3时归零，满足：
t2-t1>t3-t2
t3>t2>t1
三自由度驱动的过程分别如下：
X轴直线运动：按波形图向1、4象限施加+电压，2、3象限施加-电压，在t1-t2之间，1、4象限的压电陶瓷逐渐伸长，2、3象限的压电陶瓷逐渐缩短，作为动子的第一配重块和第二配重块向X轴负向偏移；在t2-t3之间，压电陶瓷复位，作为动子的第一配重块和第二配重块快速摆正，整个机器人具有向X轴正向直线移动的位移；
Y轴直线运动：按波形图向3、4象限施加+电压，1、2象限施加-电压，在t1-t2之间，3、4象限的压电陶瓷逐渐伸长，1、2象限的压电陶瓷逐渐缩短，作为动子的第一配重块和第二配重块向Y轴负向移动；在t2-t3之间，压电陶瓷复位，作为动子的第一配重块和第二配重块由于惯性快速向Y轴正向移动，且正向移动距离大于负向移动的距离，整个机器人具有向Y轴正向直线移动的位移；
Z轴旋转运动：按波形图向1、3象限施加+电压，2、4象限施加-电压，在t1-t2之间，1、3象限的压电陶瓷逐渐伸长，2、4象限的压电陶瓷逐渐缩短，第一配重块和第二配重块产生相反方向的偏移；在t2-t3之间，压电陶瓷复位，第一配重块向X轴正向移动，第二配重块向X轴负向移动，整个机器人围绕Z轴发生旋转。
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