CN209273460U - 一种贴片式压电驱动的机械手关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种贴片式压电驱动的机械手关节，包含若干活动单元和若干驱动单元，活动单元和驱动单元依次交替设置，且活动单元和驱动单元之间均通过两根弹性带连接；驱动单元包含贴片式压电振子、第一固定板、第二固定板、第一连接轴和第二连接轴；贴片式压电振子包含金属基体和四个压电陶瓷片；金属基体包含第一作动头、第二作动头、第一振动梁、第二振动梁和夹持机构；活动单元包含第一转子、第二转子；第一转子、第二转子均呈船锚状，均包含抵板和横梁。工作时，驱动单元的贴片式压电振子被激励，其两端圆弧形作动头产生转向相反的椭圆运动，通过摩擦作用驱动活动单元转动。

Description

一种贴片式压电驱动的机械手关节

技术领域

本实用新型涉及压电作动和机器人领域，尤其涉及一种贴片式压电驱动的机械手关节。

背景技术

由于海洋资源勘探和开采的需要，水下机器人得到了很大发展。自治水下机器人是水下机器人的一种，因智能化程度高、体积小、隐蔽性好而受到广泛关注。但是现有的自治水下机器人并没有装备机械手，只能执行有限的水下观察任务。

现有的水下机械手多采用液压和电磁电机驱动。继续增加下潜深度，水下机器手将难以适应高水压条件，还需在密封、压力补偿等方面作深入研究。同时，电磁电机尺寸缩小后效率急剧下降，难以满足小型化的需要；液压装置重量大，难以达到轻量化的要求。

压电作动是在定子作动头的表面质点产生微米级的椭圆运动，并通过摩擦作用实现定子动子之间的运动传递。采用压电作动技术将机械手设计成开放式结构，保证水下机械手在高水压环境下各个部件没有压差、结构上不会发生破坏。直接驱动无需传动机构有利于轻量化、小型化。装备了压电驱动的全开放式机械手的自治水下机器人将具备一定的水下作业能力。

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，提供一种贴片式压电驱动的机械手关节。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种贴片式压电驱动的机械手关节，包含若干活动单元和若干驱动单元，所述活动单元和驱动单元依次交替设置，且活动单元和驱动单元之间均通过两根弹性带连接；

所述驱动单元包含贴片式压电振子、第一固定板、第二固定板、第一连接轴和第二连接轴；

所述贴片式压电振子包含金属基体和四个压电陶瓷片；

所述金属基体包含第一作动头、第二作动头、第一振动梁、第二振动梁和夹持机构；

所述第一振动梁、第二振动梁均为长方体，均包含第一至第四侧面；所述第一振动梁的第一侧面、第一振动梁的第三侧面、第二振动梁的第一侧面、第二振动梁的第三侧面相互平行；第一振动梁的第二侧面和第二振动梁的第二侧面在同一平面，第一振动梁的第四侧面和第二振动梁的第四侧面在同一平面；

所述第一作动头、第二作动头均呈单孔拱桥状；第一作动头的两端分别和第一振动梁的一端、第二振动梁的一端固连；第二作动头的两端分别和第一振动梁的另一端、第二振动梁的另一端固连；

所述夹持机构设置在所述第一振动梁的第三侧面、第二振动梁的第一侧面之间，呈十字架状，包含相互垂直的第一面板和第二面板；所述第一面板两端分别和第一振动梁的第三侧面、第二振动梁的第一侧面垂直固连；所述第二面板上设有两个轴线垂直于第一振动梁第二侧面的安装孔；

所述金属基体关于所述夹持机构的中心呈中心对称；

所述四个压电陶瓷片分别粘贴在第一振动梁的第二侧面、第一振动梁的第四侧面、第二振动梁的第二侧面和第二振动梁的第四侧面，均沿厚度方向极化，且位于同一振动梁上的压电陶瓷片的极化方向相反、位于同一平面上的压电陶瓷片的极化方向相同；

所述第一固定板、第二固定板均呈长条状，两端沿其长度方向分别设有第一开口槽、第二开口槽；

所述第一固定板、第二固定板中间均设有凸台，且凸台上均设有和所述夹持机构上两个安装孔对应的固定孔；

所述第一固定板、第二固定板在其凸台两侧都设有相互对称的第一连接孔、第二连接孔，分别用于安装所述第一连接轴和第二连接轴；

所述贴片式压电振子通过其夹持机构上两个安装孔和第一固定板中间的两个固定孔、第二固定板中间的两个固定孔采用螺栓固定相连，使得贴片式压电振子固定在第一固定板的凸台、第二固定板的凸台之间；

所述第一连接轴、第二连接轴两端都设有螺纹，其中，第一连接轴两端通过螺母固定在第一固定板、第二固定板的第一连接孔中；第二连接轴两端通过螺母固定在第一固定板、第二固定板的第二连接孔中；且第一连接轴、第二连接轴的两端均分别伸出第一固定板、第二固定板；

所述活动单元包含第一转子、第二转子；

所述第一转子、第二转子均呈船锚状，均包含抵板和横梁，其中，所述抵板呈圆弧状；横梁的一端和抵板内壁的中点固连，且横梁两侧在所述抵板圆心处分别设有和抵板所在平面垂直的第一转轴、第二转轴；

所述第一转子横梁的另一端和第二转子横梁的另一端固连，使得第一转子抵板所在平面和第二转子抵板所在平面垂直；

所述活动单元第一转子的第一转轴、第二转轴分别置于活动单元一侧相邻驱动单元第一固定板、第二固定板的第一开口槽中，形成空间滑动铰，且第一转子的第一转轴、第二转轴和该相邻驱动单元第一连接轴的两端通过弹性带对应连接，使得活动单元第一转子的抵板和该相邻驱动单元的第一作动头相抵；

所述活动单元第二转子的第一转轴、第二转轴分别置于活动单元另一侧相邻驱动单元第一固定板、第二固定板的第一开口槽中，形成空间滑动铰，且第二转子的第一转轴、第二转轴和该相邻驱动单元第二连接轴的两端通过弹性带对应连接，使得活动单元第二转子的抵板和该相邻驱动单元的第二作动头相抵。

作为本实用新型一种贴片式压电驱动的机械手关节进一步的优化方案，所述驱动单元的第一固定板、第二固定板在凸台两侧还设有若干对称的用于安装第一连接轴和第二连接轴的调节孔，通过调节第一连接轴、第二连接轴的位置对活动单元和驱动单元之间弹性带的预紧力进行调节。

作为本实用新型一种贴片式压电驱动的机械手关节进一步的优化方案，所述活动单元第一转子、第二转子的抵板两端均设有限位凸起，以限定第一转子、第二转子抵板的最大转动角度。

作为本实用新型一种贴片式压电驱动的机械手关节进一步的优化方案，所述驱动单元的四个压电陶瓷片上均涂有硅橡胶或DP460环氧胶水。

本实用新型还公开了一种该贴片式压电驱动的机械手关节的工作方法进一步的优化方案，所述驱动单元驱动相邻活动单元的具体过程如下：

对驱动单元第一振动梁上的两个压电陶瓷片施加第一信号、对第二振动梁上的两个压电陶瓷片施加第二信号，第一信号、第二信号在时间相位上相差π/2，使得第一作动头、第二作动头产生时间上具有90度相位差的纵向振动模态和横向振动模态，进而使得第一作动头、第二作动头上表面质点产生转向相反的微幅椭圆运动；第一作动头、第二作动头又分别驱动两侧相邻活动单元做转向相反的转动；

通过改变第一信号、第二信号的时间相位差的先后顺序，改变驱动单元第一作动头、第二作动头上表面质点微幅椭圆运动的转向，进而改变两侧相邻活动单元转动的方向。

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：

1. 开放式结构，增加机械手的下潜深度。采用压电驱动技术，水下机械手被设计成开放式结构，增加机械手水下的下潜深度，缓解和摆脱海水水压的束缚。

2. 隔水方式简单且可靠。在水中，封闭式结构要水密，开放式结构要隔水。产生驱动力的贴片式压电振子是由金属基体和压电陶瓷片组成，压电陶瓷片一面粘贴在金属基体上、另一面被施加交流电信号。金属基体可以暴露在海水中，压电陶瓷片上被施加交流电信号的一面需要隔水处理。硅橡胶或者DP460环氧胶水涂抹在压电陶瓷片上，实现海水与压电陶瓷片隔绝，隔水方式简单且可靠。

3. 轻量化、小型化。压电作动技术是利用逆压电效应和摩擦驱动原理的作动方式，可以直接驱动无需传动机构，而且压电作动效率对尺寸不敏感，有利于机器人的轻量化和小型化。

4. 利于预压力的调节。驱动单元的第一固定板、第二固定板在凸台两侧还设有若干对称的用于安装第一连接轴和第二连接轴的调节孔，通过调节第一连接轴、第二连接轴的位置，弹性带的形变量可变、预压力可调，便于最佳预压力的寻找。

附图说明

图1是本实用新型一种贴片式压电驱动的机械手关节的结构示意图；

图2是本实用新型中驱动单元的结构示意图；

图3是本实用新型驱动单元中压电振子的结构示意图；

图4是本实用新型压电振子中金属基体的结构示意图；

图5是本实用新型压电振子中压电陶瓷片组极化方向和施加电信号示意图；

图6是本实用新型驱动单元中第一固定板的结构示意图；

图7是本实用新型中活动单元的结构示意图；

图8是本实用新型驱动单元中贴片式压电振子的作动头纵向振动模态的示意图；

图9是本实用新型驱动单元中贴片式压电振子的作动头横向振动模态的示意图；

图10是本实用新型驱动单元中贴片式压电振子的圆弧形作动头表面质点产生椭圆运动的示意图；

图11是本实用新型的运动原理示意图。

图中，1-活动单元，2-驱动单元，3-弹性带，2.1-金属基体，2.2-压电陶瓷片，2.3-第一固定板，2.4-第一连接轴，2.5-第二连接轴，2.1.1-第一作动头，2.1.2-第二振动梁，2.1.3-夹持机构，2.3.1-第一固定板的第一开口槽，2.3.2-第一固定板的凸台，2.3.3-第一固定板上的一个固定孔，2.3.4-第一固定板上的第二连接孔，2.3.5-第一固定板上的调节孔，1.1-第一转子的抵板，1.2-第一转子的第一转轴，1.3-第二转子的抵板，1.4-第二转子的第一转轴，1.5-第二转子的第二转轴，1.6-第一转子抵板上的限位凸起。

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贴片式压电驱动的机械手关节，包含若干活动单元和若干驱动单元，活动单元和驱动单元依次交替设置，且活动单元和驱动单元之间均通过两根弹性带连接。

如图2所示，驱动单元包含贴片式压电振子、第一固定板、第二固定板、第一连接轴和第二连接轴。

如图3、图4所示，贴片式压电振子包含金属基体和四个压电陶瓷片；金属基体包含第一作动头、第二作动头、第一振动梁、第二振动梁和夹持机构；第一振动梁、第二振动梁均为长方体，均包含第一至第四侧面；第一振动梁的第一侧面、第一振动梁的第三侧面、第二振动梁的第一侧面、第二振动梁的第三侧面相互平行；第一振动梁的第二侧面和第二振动梁的第二侧面在同一平面，第一振动梁的第四侧面和第二振动梁的第四侧面在同一平面；第一作动头、第二作动头均呈单孔拱桥状；第一作动头的两端分别和第一振动梁的一端、第二振动梁的一端固连；第二作动头的两端分别和第一振动梁的另一端、第二振动梁的另一端固连；夹持机构设置在第一振动梁的第三侧面、第二振动梁的第一侧面之间，呈十字架状，包含相互垂直的第一面板和第二面板；第一面板两端分别和第一振动梁的第三侧面、第二振动梁的第一侧面垂直固连；第二面板上设有两个轴线垂直于第一振动梁第二侧面的安装孔；金属基体关于夹持机构的中心呈中心对称。

四个压电陶瓷片分别粘贴在第一振动梁的第二侧面、第一振动梁的第四侧面、第二振动梁的第二侧面和第二振动梁的第四侧面，均沿厚度方向极化，且位于同一振动梁上的压电陶瓷片的极化方向相反、位于同一平面上的压电陶瓷片的极化方向相同，如图5所示。

如图6所示，第一固定板、第二固定板均呈长条状，两端沿其长度方向分别设有第一开口槽、第二开口槽；第一固定板、第二固定板中间均设有凸台，且凸台上均设有和夹持机构上两个安装孔对应的固定孔；第一固定板、第二固定板在其凸台两侧都设有相互对称的第一连接孔、第二连接孔，分别用于安装第一连接轴和第二连接轴。

贴片式压电振子通过其夹持机构上两个安装孔和第一固定板中间的两个固定孔、第二固定板中间的两个固定孔采用螺栓固定相连，使得贴片式压电振子固定在第一固定板的凸台、第二固定板的凸台之间。

第一连接轴、第二连接轴两端都设有螺纹，其中，第一连接轴两端通过螺母固定在第一固定板、第二固定板的第一连接孔中；第二连接轴两端通过螺母固定在第一固定板、第二固定板的第二连接孔中；且第一连接轴、第二连接轴的两端均分别伸出第一固定板、第二固定板。

如图7所示，活动单元包含第一转子、第二转子；第一转子、第二转子均呈船锚状，均包含抵板和横梁，其中，抵板呈圆弧状；横梁的一端和抵板内壁的中点固连，且横梁两侧在抵板圆心处分别设有和抵板所在平面垂直的第一转轴、第二转轴；第一转子横梁的另一端和第二转子横梁的另一端固连，使得第一转子抵板所在平面和第二转子抵板所在平面垂直。

活动单元第一转子的第一转轴、第二转轴分别置于活动单元一侧相邻驱动单元第一固定板、第二固定板的第一开口槽中，形成空间滑动铰，且第一转子的第一转轴、第二转轴和该相邻驱动单元第一连接轴的两端通过弹性带对应连接，使得活动单元第一转子的抵板和该相邻驱动单元的第一作动头相抵；

活动单元第二转子的第一转轴、第二转轴分别置于活动单元另一侧相邻驱动单元第一固定板、第二固定板的第一开口槽中，形成空间滑动铰，且第二转子的第一转轴、第二转轴和该相邻驱动单元第二连接轴的两端通过弹性带对应连接，使得活动单元第二转子的抵板和该相邻驱动单元的第二作动头相抵。

驱动单元的第一固定板、第二固定板在凸台两侧还设有若干对称的用于安装第一连接轴和第二连接轴的调节孔，通过调节第一连接轴、第二连接轴的位置对活动单元和驱动单元之间弹性带的预紧力进行调节。

活动单元第一转子、第二转子的抵板两端均设有限位凸起，以限定第一转子、第二转子抵板的最大转动角度。

驱动单元的四个压电陶瓷片上均涂有硅橡胶或DP460环氧胶水。

本实用新型还公开了一种该贴片式压电驱动的机械手关节的工作方法进一步的优化方案，驱动单元驱动相邻活动单元的具体过程如下：

如图8、图9、图10所示，对驱动单元第一振动梁上的两个压电陶瓷片施加第一信号、对第二振动梁上的两个压电陶瓷片施加第二信号，第一信号、第二信号在时间相位上相差π/2，使得第一作动头、第二作动头产生时间上具有90度相位差的纵向振动模态和横向振动模态，进而使得第一作动头、第二作动头上表面质点产生转向相反的微幅椭圆运动。第一作动头、第二作动头又分别驱动两侧相邻活动单元做转向相反的转动，如图11所示。

通过改变第一信号、第二信号的时间相位差的先后顺序，改变驱动单元第一作动头、第二作动头上表面质点微幅椭圆运动的转向，进而改变两侧相邻活动单元转动的方向。

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 (4)

1.一种贴片式压电驱动的机械手关节，其特征在于，包含若干活动单元和若干驱动单元，所述活动单元和驱动单元依次交替设置，且活动单元和驱动单元之间均通过两根弹性带连接；

所述驱动单元包含贴片式压电振子、第一固定板、第二固定板、第一连接轴和第二连接轴；

所述贴片式压电振子包含金属基体和四个压电陶瓷片；

所述金属基体包含第一作动头、第二作动头、第一振动梁、第二振动梁和夹持机构；

所述第一振动梁、第二振动梁均为长方体，均包含第一至第四侧面；所述第一振动梁的第一侧面、第一振动梁的第三侧面、第二振动梁的第一侧面、第二振动梁的第三侧面相互平行；第一振动梁的第二侧面和第二振动梁的第二侧面在同一平面，第一振动梁的第四侧面和第二振动梁的第四侧面在同一平面；

所述第一作动头、第二作动头均呈单孔拱桥状；第一作动头的两端分别和第一振动梁的一端、第二振动梁的一端固连；第二作动头的两端分别和第一振动梁的另一端、第二振动梁的另一端固连；

所述夹持机构设置在所述第一振动梁的第三侧面、第二振动梁的第一侧面之间，呈十字架状，包含相互垂直的第一面板和第二面板；所述第一面板两端分别和第一振动梁的第三侧面、第二振动梁的第一侧面垂直固连；所述第二面板上设有两个轴线垂直于第一振动梁第二侧面的安装孔；

所述金属基体关于所述夹持机构的中心呈中心对称；

所述四个压电陶瓷片分别粘贴在第一振动梁的第二侧面、第一振动梁的第四侧面、第二振动梁的第二侧面和第二振动梁的第四侧面，均沿厚度方向极化，且位于同一振动梁上的压电陶瓷片的极化方向相反、位于同一平面上的压电陶瓷片的极化方向相同；

所述第一固定板、第二固定板均呈长条状，两端沿其长度方向分别设有第一开口槽、第二开口槽；

所述第一固定板、第二固定板中间均设有凸台，且凸台上均设有和所述夹持机构上两个安装孔对应的固定孔；

所述第一固定板、第二固定板在其凸台两侧都设有相互对称的第一连接孔、第二连接孔，分别用于安装所述第一连接轴和第二连接轴；

所述贴片式压电振子通过其夹持机构上两个安装孔和第一固定板中间的两个固定孔、第二固定板中间的两个固定孔采用螺栓固定相连，使得贴片式压电振子固定在第一固定板的凸台、第二固定板的凸台之间；

所述第一连接轴、第二连接轴两端都设有螺纹，其中，第一连接轴两端通过螺母固定在第一固定板、第二固定板的第一连接孔中；第二连接轴两端通过螺母固定在第一固定板、第二固定板的第二连接孔中；且第一连接轴、第二连接轴的两端均分别伸出第一固定板、第二固定板；

所述活动单元包含第一转子、第二转子；

所述第一转子、第二转子均呈船锚状，均包含抵板和横梁，其中，所述抵板呈圆弧状；横梁的一端和抵板内壁的中点固连，且横梁两侧在所述抵板圆心处分别设有和抵板所在平面垂直的第一转轴、第二转轴；

所述第一转子横梁的另一端和第二转子横梁的另一端固连，使得第一转子抵板所在平面和第二转子抵板所在平面垂直；

所述活动单元第一转子的第一转轴、第二转轴分别置于活动单元一侧相邻驱动单元第一固定板、第二固定板的第一开口槽中，形成空间滑动铰，且第一转子的第一转轴、第二转轴和该相邻驱动单元第一连接轴的两端通过弹性带对应连接，使得活动单元第一转子的抵板和该相邻驱动单元的第一作动头相抵；

所述活动单元第二转子的第一转轴、第二转轴分别置于活动单元另一侧相邻驱动单元第一固定板、第二固定板的第一开口槽中，形成空间滑动铰，且第二转子的第一转轴、第二转轴和该相邻驱动单元第二连接轴的两端通过弹性带对应连接，使得活动单元第二转子的抵板和该相邻驱动单元的第二作动头相抵。

2.根据权利要求1所述的贴片式压电驱动的机械手关节，其特征在于，所述驱动单元的第一固定板、第二固定板在凸台两侧还设有若干对称的用于安装第一连接轴和第二连接轴的调节孔，通过调节第一连接轴、第二连接轴的位置对活动单元和驱动单元之间弹性带的预紧力进行调节。

3.根据权利要求1所述的贴片式压电驱动的机械手关节，其特征在于，所述活动单元第一转子、第二转子的抵板两端均设有限位凸起，以限定第一转子、第二转子抵板的最大转动角度。

4.根据权利要求1所述的贴片式压电驱动的机械手关节，其特征在于，所述驱动单元的四个压电陶瓷片上均涂有硅橡胶或DP460环氧胶水。