CN208723808U - 一种夹心式压电机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种夹心式压电机械臂，夹心式压电机械臂第一纵振关节、弯振关节和第二纵振关节；第一纵振关节、弯振关节、第二纵振关节均包含第一至第二圆柱销、两个轴承、前金属基体、第一至第二压电陶瓷片、电极片、夹持板、后金属基体和预紧螺栓。第一纵振关节、弯振关节、第二纵振关节依次通过橡胶圈预紧固定预紧。通过对纵振关节和弯振关节上的压电陶瓷片施加一定频率的具有π/2相位差的的驱动信号，使纵振关节处于一阶纵振，弯振关节处于一阶弯振，从而使接触界面质点产生相对椭圆运动，在摩擦作用下所述的相连关节产生相对转动。本实用新型采用夹心式结构，功率密度高，结构简单紧凑、易于微型化。

Description

一种夹心式压电机械臂

技术领域

本实用新型涉及压电驱动及机械人领域，尤其涉及一种夹心式压电机械臂。

背景技术

现有机械臂常采用液压式结构，结构庞大负载、功率要求高，难以微型化，或者是采用电磁电机的驱动结构，关节内置驱动器框架将驱动器置于关节内部，在面临微型化时同样面临结构复杂、功率密度低等问题。压电驱动器是利用压电体逆效应形成机械驱动或控制的一类装置，具有反应快、精度高和抗干扰等优点,因而由其所构造的驱动与控制装置结构简单、反应敏捷，受到国内外科学家的广泛关注。而现有用于驱动机械臂的多自由度电机在施加稳定可调预压力和可靠输出能力还存在一些问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种夹心式压电机械臂。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种夹心式压电机械臂，包含第一纵振关节、弯振关节和第二纵振关节；

所述第一纵振关节、弯振关节、第二纵振关节均包含第一至第二圆柱销、两个轴承、前金属基体、第一至第二压电陶瓷片、电极片、夹持板、后金属基体和预紧螺栓；

所述前金属基体包含驱动头、连接部和结合部，所述驱动头为圆柱体，所述结合部为长方体，所述驱动头的外壁通过所述连接部和结合部一端的端面固连，所述结合部另一端端面的中心设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹孔；所述驱动头两侧端面的中心均设有阶梯通孔；

所述两个轴承分别对应设置在所述驱动头两个端面的阶梯通孔中、外圈和所述驱动头固连；

所述第一、第二圆柱销的一端分别对应固定设置在所述两个轴承的内圈中，另一端伸出其对应的轴承；

所述后金属基体为长方体，其一端端面设有梯形凹槽，所述梯形凹槽中心设有贯穿后金属基体、供所述预紧螺栓穿过的通孔；

所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片、电极片、夹持板的中心均设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；

所述预紧螺栓从后金属基体梯形凹槽一侧依次穿过后金属基体、夹持板、第一压电陶瓷片、电极片、第二压电陶瓷片后和所述前金属基体的螺纹孔螺纹连接，通过施加预紧力形成夹心式结构；

所述夹持板两侧分别设有第一固定柱、第二固定柱；

所述第一纵振关节、第二纵振关节中的第一至第二压电陶瓷片均采用纵振压电陶瓷片，所述弯振关节中的第一至第二压电陶瓷片均双分区压电陶瓷片；

所述第二纵振关节的驱动头伸入弯振关节的梯形凹槽，且第二纵振关节驱动头的侧壁和弯振关节梯形凹槽的三个面均相抵；第二纵振关节的第一圆柱销和弯振关节的第一固定柱之间、第二纵振关节的第二圆柱销和弯振关节的第二固定柱之间均设有橡胶圈，通过橡胶圈弹性变形预紧固定第二纵振关节和弯振关节；

所述弯振关节的驱动头伸入第一纵振关节的梯形凹槽，且弯振关节驱动头的侧壁和第一纵振关节梯形凹槽的三个面均相抵；弯振关节的第一圆柱销和第一纵振关节的第一固定柱之间、弯振关节的第二圆柱销和第一纵振关节的第二固定柱之间均设有橡胶圈，通过橡胶圈弹性变形预紧固定弯振关节和第一纵振关节。

作为本实用新型一种夹心式压电机械臂进一步的优化方案，所述第一纵振关节、弯振关节、第二纵振关节中的后金属基体、夹持板、第一压电陶瓷片、电极片、第二压电陶瓷片、前金属基体之间均通过环氧树脂胶粘结在一起。

本实用新型还公开了一种该夹心式压电机械臂的驱动方法，包含以下步骤：

通过对第一纵振关节中的纵振压电陶瓷片和弯振关节中的双分区压电陶瓷片施加同频率、相位差相差π/2的激励信号，激励出第一纵振关节的一阶纵振模态和弯振关节的一阶弯振模态，此时，第一纵振关节和弯振关节接触界面质点的相对运动轨迹为椭圆，在摩擦作用下第一纵振关节和弯振关节之间产生相对转动，令此时弯振关节相对第一纵振关节的转动方向为正向；

则通过对第一纵振关节中的纵振压电陶瓷片和弯振关节中的双分区压电陶瓷片施加同频率、相位差相差-π/2的激励信号，弯振关节相对第一纵振关节产生反向转动；

通过对弯振关节中的双分区压电陶瓷片和第二纵振关节中的纵振压电陶瓷片施加同频率、相位差相差π/2的激励信号，第二纵振关节相对弯振关节产生正向转动；

通过对弯振关节中的双分区压电陶瓷片和第二纵振关节中的纵振压电陶瓷片施加同频率、相位差相差-π/2的激励信号，第二纵振关节相对弯振关节产生反向转动。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

依靠摩擦力驱动不需要内置驱动器，所以可实现小型化设计，拟人程度高，而且具有压电驱动的快速响应、断电自锁等优点。本实用新型采用夹心式结构，由于螺栓的预紧作用，使压电陶瓷片的抗张强度得到提高，从而提高了压电换能器的功率密度比。此外，本实用新型还具有压电驱动的快速响应、断电自锁等优点，而且结构简单紧凑、易于微型化，使用灵活，可增加或减少纵振、弯振关节和相应的预紧组件来满足实际需求。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中第一、第二纵振关节的结构示意图；

图3是本实用新型中弯振关节的结构示意图；

图4是本实用新型对第一纵振关节和弯振关节施加激励信号的原理示意图；

图5为本实用新型中第一纵振关节纵振模态的示意图；

图6为本实用新型中弯振关节一阶弯振的示意图；

图7为本实用新型夹心式压电机械臂的驱动原理示意图。

其中，1-第一纵振关节，2-弯振关节，3-第二纵振关节，4-橡胶圈，5-圆柱销，6-纵振压电陶瓷片，7-双分区压电陶瓷片，8-轴承，9-前金属基体，10-预紧螺栓，11-电极片，12-夹持板，13-后金属基体。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型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实用新型的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本实用新型公开了一种夹心式压电机械臂，包含第一纵振关节、弯振关节和第二纵振关节。

如图2所示，所述第一纵振关节、弯振关节、第二纵振关节均包含第一至第二圆柱销、两个轴承、前金属基体、第一至第二压电陶瓷片、电极片、夹持板、后金属基体和预紧螺栓；

所述前金属基体包含驱动头、连接部和结合部，所述驱动头为圆柱体，所述结合部为长方体，所述驱动头的外壁通过所述连接部和结合部一端的端面固连，所述结合部另一端端面的中心设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹孔；所述驱动头两侧端面的中心均设有阶梯通孔；

所述两个轴承分别对应设置在所述驱动头两个端面的阶梯通孔中、外圈和所述驱动头固连；

所述第一、第二圆柱销的一端分别对应固定设置在所述两个轴承的内圈中，另一端伸出其对应的轴承；

所述后金属基体为长方体，其一端端面设有梯形凹槽，所述梯形凹槽中心设有贯穿后金属基体、供所述预紧螺栓穿过的通孔；

所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片、电极片、夹持板的中心均设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；

所述预紧螺栓从后金属基体梯形凹槽一侧依次穿过后金属基体、夹持板、第一压电陶瓷片、电极片、第二压电陶瓷片后和所述前金属基体的螺纹孔螺纹连接，通过施加预紧力形成夹心式结构；

所述夹持板两侧分别设有第一固定柱、第二固定柱；

如图2、图3所示，所述第一纵振关节、第二纵振关节中的第一至第二压电陶瓷片均采用纵振压电陶瓷片，所述弯振关节中的第一至第二压电陶瓷片均双分区压电陶瓷片；

所述第二纵振关节的驱动头伸入弯振关节的梯形凹槽，且第二纵振关节驱动头的侧壁和弯振关节梯形凹槽的三个面均相抵；第二纵振关节的第一圆柱销和弯振关节的第一固定柱之间、第二纵振关节的第二圆柱销和弯振关节的第二固定柱之间均设有橡胶圈，通过橡胶圈弹性变形预紧固定第二纵振关节和弯振关节；

所述弯振关节的驱动头伸入第一纵振关节的梯形凹槽，且弯振关节驱动头的侧壁和第一纵振关节梯形凹槽的三个面均相抵；弯振关节的第一圆柱销和第一纵振关节的第一固定柱之间、弯振关节的第二圆柱销和第一纵振关节的第二固定柱之间均设有橡胶圈，通过橡胶圈弹性变形预紧固定弯振关节和第一纵振关节。

图4是本实用新型一种施加激励信号的示例，通过同时对所述第一纵振关节中的纵振压电陶瓷片施加sin(ωt)，对弯振关节中的双分区压电陶瓷片施加cos(ωt)激励信号，将激励出所述第一纵振关节的一阶纵振模态和弯振关节的一阶弯振模态，如图5和图6所示。

本实用新型还公开了一种该夹心式压电机械臂的驱动方法，包含以下步骤：

通过对第一纵振关节中的纵振压电陶瓷片和弯振关节中的双分区压电陶瓷片施加同频率、相位差相差π/2的激励信号，激励出第一纵振关节的一阶纵振模态和弯振关节的一阶弯振模态，此时，第一纵振关节和弯振关节接触界面质点的相对运动轨迹为椭圆，在摩擦作用下第一纵振关节和弯振关节之间产生相对转动，令此时弯振关节相对第一纵振关节的转动方向为正向；

则通过对第一纵振关节中的纵振压电陶瓷片和弯振关节中的双分区压电陶瓷片施加同频率、相位差相差-π/2的激励信号，弯振关节相对第一纵振关节产生反向转动；

通过对弯振关节中的双分区压电陶瓷片和第二纵振关节中的纵振压电陶瓷片施加同频率、相位差相差π/2的激励信号，第二纵振关节相对弯振关节产生正向转动；

通过对弯振关节中的双分区压电陶瓷片和第二纵振关节中的纵振压电陶瓷片施加同频率、相位差相差-π/2的激励信号，第二纵振关节相对弯振关节产生反向转动。

现以第一纵振关节和弯振关节为例，利用图4的激励信号施加方式，说明具体的驱动原理，如图7所示。当t=0时，第一纵振关节处于零变形状态，弯振关节处于一阶弯振最大变形状态，弯振关节的圆弧驱动头与第一纵振关节的梯形凹槽下壁接触；当t=π/2时，第一纵振关节逐渐伸长至最长状态，弯振关节由最大变形状态逐渐变回至零变形状态，梯形凹槽下壁在摩擦力的作用下驱动圆弧驱动头逆时针转动；当t=π时，第一纵振关节逐渐缩短至零变形状态，弯振关节由零变形状态逐渐变回至最大变形状态，圆弧驱动头与梯形凹槽上壁开始接触，与梯形下壁分离，梯形凹槽上壁在摩擦力的作用下驱动圆弧驱动头逆时针转动；当t=3π/2时，第一纵振关节逐渐缩短至最短状态，弯振关节由最大变形状态逐渐变回至零变形状态，梯形凹槽上壁对圆弧驱动头转动发生阻碍作用并逐渐分离；当t=2π时，第一纵振关节逐渐伸长至零变形状态，弯振关节逐渐变形至最大变形状态，梯形凹槽下壁开始与圆弧驱动头逐渐接触，进入下一个循环。同理，若对所述第一纵振关节中的纵振压电陶瓷片施加cos(ωt)，对弯振关节中的双分区压电陶瓷片施加s(ωt)激励信号，将使弯振关节绕第一纵振关节顺时针转动。三个及三个以上关节的驱动原理与上述原理类似，此处不再进行累述。

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）具有与本实用新型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，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种夹心式压电机械臂，其特征在于，包含第一纵振关节、弯振关节和第二纵振关节；

所述第一纵振关节、弯振关节、第二纵振关节均包含第一至第二圆柱销、两个轴承、前金属基体、第一至第二压电陶瓷片、电极片、夹持板、后金属基体和预紧螺栓；

所述前金属基体包含驱动头、连接部和结合部，所述驱动头为圆柱体，所述结合部为长方体，所述驱动头的外壁通过所述连接部和结合部一端的端面固连，所述结合部另一端端面的中心设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹孔；所述驱动头两侧端面的中心均设有阶梯通孔；

所述两个轴承分别对应设置在所述驱动头两个端面的阶梯通孔中、外圈和所述驱动头固连；

所述第一、第二圆柱销的一端分别对应固定设置在所述两个轴承的内圈中，另一端伸出其对应的轴承；

所述后金属基体为长方体，其一端端面设有梯形凹槽，所述梯形凹槽中心设有贯穿后金属基体、供所述预紧螺栓穿过的通孔；

所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片、电极片、夹持板的中心均设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；

所述预紧螺栓从后金属基体梯形凹槽一侧依次穿过后金属基体、夹持板、第一压电陶瓷片、电极片、第二压电陶瓷片后和所述前金属基体的螺纹孔螺纹连接，通过施加预紧力形成夹心式结构；

所述夹持板两侧分别设有第一固定柱、第二固定柱；

所述第一纵振关节、第二纵振关节中的第一至第二压电陶瓷片均采用纵振压电陶瓷片，所述弯振关节中的第一至第二压电陶瓷片均双分区压电陶瓷片；

所述第二纵振关节的驱动头伸入弯振关节的梯形凹槽，且第二纵振关节驱动头的侧壁和弯振关节梯形凹槽的三个面均相抵；第二纵振关节的第一圆柱销和弯振关节的第一固定柱之间、第二纵振关节的第二圆柱销和弯振关节的第二固定柱之间均设有橡胶圈，通过橡胶圈弹性变形预紧固定第二纵振关节和弯振关节；

所述弯振关节的驱动头伸入第一纵振关节的梯形凹槽，且弯振关节驱动头的侧壁和第一纵振关节梯形凹槽的三个面均相抵；弯振关节的第一圆柱销和第一纵振关节的第一固定柱之间、弯振关节的第二圆柱销和第一纵振关节的第二固定柱之间均设有橡胶圈，通过橡胶圈弹性变形预紧固定弯振关节和第一纵振关节。

2.根据权利要求1所述的夹心式压电机械臂，其特征在于，所述第一纵振关节、弯振关节、第二纵振关节中的后金属基体、夹持板、第一压电陶瓷片、电极片、第二压电陶瓷片、前金属基体之间均通过环氧树脂胶粘结在一起。