CN211220707U - 一种平面型超冗余度机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种平面型超冗余度机械臂，包括机械臂本体机构、滑移机构和压电电机机构，所述机械臂本体机构包括多个依次连接的杆件，相邻两个杆件的连接处设置有转轴和关节锁紧机构，所述杆件为中空结构，所述杆件的长度方向设置有滑槽，所述压电电机机构包括电机固定座、压电电机和预压力调整机构。本实用新型仅使用单套压电电机驱动，没有复杂的驱动和减速系统，避免了传统超冗余度机械臂一个自由度一般需要引进一套电机和一套减速系统，重量轻、体积小、鲁棒性好。

Description

一种平面型超冗余度机械臂

技术领域

本实用新型属于平面型超冗余度机械臂技术领域，具体涉及一种平面型超冗余度机械臂。

背景技术

压电电机(又称为压电驱动器)是一种利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能的新型电机，压电电机相对于传统的电磁电机具有无需润滑和减速装置、推力密度高、无电磁干扰、结构设计灵活和易于实现多自由度驱动等优点。

随着生产力和科学技术的发展，机械臂的工作环境和工作任务日趋复杂，机械臂的研究也从定点作业扩展到自主作业(如抢险救灾、航空航天和军事侦察等)。在工业机械臂的基础上增加冗余自由度，此时机械臂关节空间的维数多于任务空间的维数，即冗余自由度机械臂的概念。超冗余度机械臂是一类自由度数远大于完成作业任务所需的最少自由度数的机械臂，其中，超冗余度机械臂作为串联连接的机械臂具有灵活度高、回避障碍、克服奇异和运动空间大等优点，能够在复杂环境或者狭小有限的空间执行任务，在特殊环境探测、机器人手术、农业和搜寻救援等领域有巨大应用前景。然而，超冗余度机械臂在引入大量自由度的同时，也引入了大量的驱动电机和复杂的减速系统等，这导致超冗余度机械臂的结构复杂、体积大、质量增加和鲁棒性变差。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种平面型超冗余度机械臂，其结构简单，设计合理且可靠性高，仅使用单套压电电机驱动，没有复杂的驱动和减速系统，避免了传统超冗余度机械臂一个自由度一般需要引进一套电机和一套减速系统，使平面型超冗余度机械臂重量轻、体积小、鲁棒性好。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种平面型超冗余度机械臂，其特征在于：包括机械臂本体机构、套装在机械臂本体机构上且能沿机械臂本体机构滑移的滑移机构和安装在滑移机构上的压电电机机构，所述机械臂本体机构包括多个依次连接的杆件，相邻两个杆件的连接处设置有转轴和用于锁紧转轴与杆件的关节锁紧机构，所述杆件上设置有卡孔，所述杆件为中空结构，所述杆件的长度方向设置有滑槽，所述压电电机机构的数量为两个，两个所述压电电机机构的结构相同，所述压电电机机构包括电机固定座、安装在电机固定座上的压电电机和调节压电电机与杆件之间预压力的预压力调整机构；

所述压电电机包括连接板、安装在连接板上的后基体、套设在后基体上的绝缘套和套设在所述绝缘套上的压电陶瓷，以及安装在后基体远离连接板端部的变幅杆，所述变幅杆的端部设置有驱动足，所述压电陶瓷的数量为多片，所述后基体与压电陶瓷之间和相邻两片压电陶瓷之间均设置有电极片，相邻两片压电陶瓷的极化方向相反，所述驱动足的圆弧面与杆件的外表面接触。

上述的一种平面型超冗余度机械臂，其特征在于：所述电极片包括正电极片和负电极片，相邻两个负电极片之间设置有正电极片，后基体与压电陶瓷之间的电极片为负电极片，所述负电极片的数量等于正电极片的数量。

上述的一种平面型超冗余度机械臂，其特征在于：所述电机固定座包括水平板和两个与所述水平板一体成型的倾斜板，所述倾斜板与水平板形成的夹角为钝角，两个倾斜板之间设置有间隙，所述水平板通过螺栓安装在滑移机构上；

所述预压力调整机构包括穿设在连接板与倾斜板中的连接螺栓、套设在连接螺栓上且位于连接板一侧面的第一碟簧和套设在连接螺栓上且位于连接板与倾斜板之间的第二碟簧。

上述的一种平面型超冗余度机械臂，其特征在于：所述滑移机构包括滑移本体和设置在滑移本体内的滑轮部件，所述滑移本体包括底板、顶板和两个对称连接于底板与顶板之间的连接板，所述滑移本体为中空结构，两个所述连接板的内侧面上分别设置有滑块凸起，所述滑轮部件包括设置在滑块凸起上靠近顶板布设的上排滑轮和靠近底板布设的下排滑轮，所述上排滑轮和下排滑轮均包括两个沿滑块凸起滑动方向布设的滑轮，所述滑轮的边缘伸出滑块凸起的边缘，所述滑轮伸入杆件的滑槽，且所述滑轮能沿滑槽滑动，所述连接板靠近滑行方向的一侧设置有压块。

上述的一种平面型超冗余度机械臂，其特征在于：所述杆件包括杆件本体、设置在杆件本体一端的圆弧连接部和设置在杆件本体另一端的连接关节，所述杆件本体为中空结构，所述圆弧连接部包括两个对称布设且与杆件本体一端一体成型的圆弧部，两个所述圆弧部上分别设置有转轴孔，所述连接关节为中空结构，所述连接关节设置有关节孔和矩形窗口，一个杆件的连接关节卡装在下一个杆件的圆弧连接部中，一个杆件的转轴孔和下一个杆件的关节孔内穿设有转轴，一个杆件的转轴孔和下一个杆件的关节孔同轴布设。

上述的一种平面型超冗余度机械臂，其特征在于：所述关节锁紧机构包括第一锁紧杠杆和第二锁紧杠杆，以及连接于第一锁紧杠杆和第二锁紧杠杆之间的弹簧和供第一锁紧杠杆和第二锁紧杠杆套装的固定轴，所述第一锁紧杠杆和第二锁紧杠杆靠近弹簧的一端设置有锁紧顶杆，所述锁紧顶杆的端部能穿出或者缩入卡孔。

上述的一种平面型超冗余度机械臂，其特征在于：所述第一锁紧杠杆和第二锁紧杠杆的结构相同，且所述第一锁紧杠杆和第二锁紧杠杆均包括一体成型的锁紧柄、圆弧过渡段和圆弧夹，所述圆弧过渡段和圆弧夹的弯曲方向相反，所述圆弧过渡段上设置有套装在固定轴上的套环，所述圆弧夹上设置有用于锁紧转轴的刹车片，所述刹车片通过螺栓与圆弧夹可拆卸连接。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型所采用的机械臂本体机构的自由度调节过程中，仅设置一套压电电机驱动，没有复杂的驱动和减速系统，避免了传统超冗余度机械臂一个自由度一般需要引进一套电机和一套减速系统，使平面型超冗余度机械臂重量轻、体积小、鲁棒性好。

2、本实用新型所采用的滑移机构，是为了使滑移机构沿机械臂本体机构滑移，以使滑移机构能给关节锁紧机构中的锁紧顶杆施加压力，从而实现转轴与杆件的锁紧或者打开。

3、本实用新型所采用的关节锁紧机构，是为了在锁紧顶杆施压时，第一锁紧杠杆和第二锁紧杠杆之间的弹簧收缩，在弹簧收缩过程中，锁紧顶杆的端部缩入卡孔，同时，第一锁紧杠杆和第二锁紧杠杆中的圆弧夹打开，解除转轴和杆件的锁紧，锁紧顶杆不受压时，圆弧夹收缩，实现转轴和杆件的锁紧。

4、本实用新型所采用的压电电机，压电陶瓷收缩或者伸长，压电电机的驱动足产生斜线运动轨迹，压电电机的驱动足在斜线运动冲击作用下，推动滑移机构沿机械臂本体机构滑移，可以实现滑移机构沿机械臂本体机构的滑移运动自由度；另一方面压电陶瓷产生弯曲运动，在驱动足处形成椭圆运动轨迹，实现杆件旋转自由度，从而改变相邻两个杆件的角度。

综上所述，本实用新型设计合理且可靠性高，仅使用单套压电电机驱动，没有复杂的驱动和减速系统，避免了传统超冗余度机械臂一个自由度一般需要引进一套电机和一套减速系统，使平面型超冗余度机械臂重量轻、体积小、鲁棒性好。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型平面型超冗余度机械臂的结构示意图。

图2为本实用新型压电电机与电机固定座的结构示意图。

图3为本实用新型压电电机的结构示意图。

图4为本实用新型电机固定座的结构示意图。

图5为本实用新型滑移机构的结构示意图。

图6为本实用新型杆件的结构示意图。

图7为本实用新型关节锁紧机构的结构示意图。

图8为本实用新型关节锁紧机构、转轴和杆件的位置示意图。

图9为本实用新型压电陶瓷的结构示意图。

图10为本实用新型正电极片的结构示意图。

图11为本实用新型负电极片的结构示意图。

附图标记说明:

1—机械臂本体机构； 2—压电电机；

2-1—第一连接板； 2-2—后基体； 2-3—压电陶瓷；

2-4—正电极片； 2-4-1—连接端； 2-4-2—接触端；

2-5—负电极片； 2-6—变幅杆；

2-7—驱动足； 3—电机固定座； 3-1—水平板；

3-2—倾斜板； 3-3—倾斜板安装孔； 3-4—水平板安装孔；

4—滑移机构； 4-1—底板；

4-2—顶板； 4-3—上安装孔； 4-4—滑轮；

4-5—滑块凸起； 4-6—压块； 4-7—第二连接板；

5—预压力调整机构； 5-1—连接螺栓； 5-2—第一碟簧；

5-3—第二碟簧； 6—关节锁紧机构； 6-1—第一锁紧杠杆；

6-2—第二锁紧杠杆； 6-3—固定轴； 6-4—弹簧；

6-5—锁紧顶杆； 6-6—刹车片； 6-7—套环；

6-8—锁紧柄； 6-9—圆弧过渡段； 6-10—圆弧夹；

6-11—螺栓； 7—转轴； 8—杆件；

8-1—杆件本体； 8-2—圆弧连接部； 8-3—转轴孔；

8-4—卡孔； 8-5—滑槽； 8-6—矩形窗口；

8-7—关节孔； 8-8—连接关节； 8-9—限位孔。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括机械臂本体机构1、套装在机械臂本体机构1上且能沿机械臂本体机构1滑移的滑移机构4和安装在滑移机构4上的压电电机机构，所述机械臂本体机构1包括多个依次连接的杆件8，相邻两个杆件8的连接处设置有转轴7和用于锁紧转轴7与杆件8的关节锁紧机构 6，所述杆件8为中空结构，所述杆件8的长度方向设置有滑槽8-5，所述压电电机机构的数量为两个，两个所述压电电机机构的结构相同，所述压电电机机构包括电机固定座3、安装在电机固定座3上的压电电机2和调节压电电机2与杆件8之间预压力的预压力调整机构5；

所述压电电机2包括第一连接板2-1、安装在第一连接板2-1上的后基体2-2、套设在后基体2-2上的绝缘套和套设在所述绝缘套上的压电陶瓷2-3，以及安装在后基体2-2远离第一连接板2-1端部的变幅杆2-6，所述变幅杆 2-6的端部设置有驱动足2-7，所述压电陶瓷2-3的数量为多片，所述后基体 2-2与压电陶瓷2-3之间和相邻两片压电陶瓷2-3之间均设置有电极片，相邻两片压电陶瓷2-3的极化方向相反，所述驱动足2-7的圆弧面与杆件8的外表面接触。

如图2和图3所示，本实施例中，所述电极片包括正电极片2-4和负电极片2-5，相邻两个负电极片2-5之间设置有正电极片2-4，后基体2-2与压电陶瓷2-3之间的电极片为负电极片2-5，所述负电极片2-5的数量等于正电极片2-4的数量。

如图2和图4所示，本实施例中，所述电机固定座3包括水平板3-1 和两个与所述水平板3-1一体成型的倾斜板3-2，所述倾斜板3-2与水平板 3-1形成的夹角为钝角，两个倾斜板3-2之间设置有间隙，所述水平板3-1 通过螺栓安装在滑移机构4上；

所述预压力调整机构5包括穿设在第一连接板2-1与倾斜板3-2中的连接螺栓5-1、套设在连接螺栓5-1上且位于第一连接板2-1一侧面的第一碟簧5-2和套设在连接螺栓5-1上且位于第一连接板2-1与倾斜板3-2之间的第二碟簧5-3。

如图5所示，本实施例中，所述滑移机构4包括滑移本体和设置在滑移本体内的滑轮部件，所述滑移本体包括底板4-1、顶板4-2和两个对称连接于底板4-1与顶板4-2之间的第二连接板4-7，所述滑移本体为中空结构，两个所述第二连接板4-7的内侧面上分别设置有滑块凸起4-5，所述滑轮部件包括设置在滑块凸起4-5上靠近顶板4-2布设的上排滑轮和靠近底板4-1 布设的下排滑轮，所述上排滑轮和下排滑轮均包括两个沿滑块凸起4-5滑动方向布设的滑轮4-4，所述滑轮4-4的边缘伸出滑块凸起4-5的边缘，所述滑轮4-4伸入杆件8的滑槽8-5，且所述滑轮4-4能沿滑槽8-5滑动，所述第二连接板4-7靠近滑行方向的一侧设置有压块4-6。

本实施例中，水平板3-1上设置有水平板安装孔3-4，所述倾斜板3-2 上设置有倾斜板安装孔3-3，所述顶板4-2上设置有上安装孔4-3，便于螺栓连接安装。

如图6所示，本实施例中，所述杆件8包括杆件本体8-1、设置在杆件本体8-1一端的圆弧连接部8-2和设置在杆件本体8-1另一端的连接关节 8-8，所述杆件本体8-1为中空结构，所述圆弧连接部8-2包括两个对称布设且与杆件本体8-1一端一体成型的圆弧部，两个所述圆弧部上分别设置有转轴孔8-3，所述连接关节8-8为中空结构，所述连接关节8-8设置有关节孔 8-7和矩形窗口8-6，一个杆件8的连接关节8-8卡装在下一个杆件8的圆弧连接部8-2中，一个杆件8的转轴孔8-3和下一个杆件8的关节孔8-7内穿设有转轴7，一个杆件8的转轴孔8-3和下一个杆件8的关节孔8-7同轴布设。

如图7所示，本实施例中，所述关节锁紧机构6包括第一锁紧杠杆6-1 和第二锁紧杠杆6-2，以及连接于第一锁紧杠杆6-1和第二锁紧杠杆6-2之间的弹簧6-4和供第一锁紧杠杆6-1和第二锁紧杠杆6-2套装的固定轴6-3，所述第一锁紧杠杆6-1和第二锁紧杠杆6-2靠近弹簧6-4的一端设置有锁紧顶杆6-5，所述锁紧顶杆6-5的端部能穿出或者缩入卡孔8-4。

本实施例中，所述第一锁紧杠杆6-1和第二锁紧杠杆6-2的结构相同，且所述第一锁紧杠杆6-1和第二锁紧杠杆6-2均包括一体成型的锁紧柄6-8、圆弧过渡段6-9和圆弧夹6-10，所述圆弧过渡段6-9和圆弧夹6-10的弯曲方向相反，所述圆弧过渡段6-9上设置有套装在固定轴6-3上的套环6-7，所述圆弧夹6-10上设置有用于锁紧转轴7的刹车片6-6，所述刹车片6-6通过螺栓6-11与圆弧夹6-10可拆卸连接。

本实施例中，设置负电极片2-5和正电极片2-4且相邻两个负电极片 2-5之间设置有正电极片2-4，是为了给压电陶瓷2-3施加正向或者负向电压，实现压电陶瓷2-3的交替伸缩或者弯曲，进而使得压电电机2能沿长度方向纵向伸长缩短，或者使压电电机的驱动足处产生横截面方向的椭圆运动轨迹，来达到滑移机构沿机械臂本体机构的滑移或者驱动杆件8旋转的目的。

本实施例中，所述变幅杆2-6由后基体2-2端部向驱动足2-7横截面逐渐减少，所述驱动足2-7为圆柱体，且所述驱动足2-7的圆弧面与杆件 8的外表面接触；变幅杆2-6和驱动足2-7一体成型，减少纵向伸缩能量损失，且加工制作便捷；变幅杆2-6由后基体2-2端部向驱动足2-7横截面逐渐减少，第一是为了便于变幅杆2-6端部的驱动足2-7能与杆件8的外表面接触，从而给变幅杆2-6的纵向伸缩提供预留空间；第二，是为了将振动的振幅放大。

本实施例中，设置驱动足2-7的外表面呈弧形，是为了保证驱动足2-7 和杆件8进行平滑接触，提高杆件8旋转的稳定性。

本实施例中，压电陶瓷2-3，是为了当对压电陶瓷2-3施加正向或者负向电压，基于逆压电效应，压电陶瓷2-3就会时而变薄时而变厚，产生纵向振动或者弯曲运动，进而将振动传递至驱动足2-7，实现对杆件8的驱动；绝缘套的设置，是为了避免后基体2-2和压电陶瓷2-3与电极片导电。

本实施例中，倾斜板3-2的设置，是为了便于压电电机2的安装，实现压电电机2能倾斜布设，进而便于压电电机2的驱动足2-7的圆弧面与杆件8的表面接触，另外两个倾斜板3-2之间设置有间隙，便于压电电机 2中的第一连接板2-1的安装。

本实施例中，设置第一碟簧5-2和第二碟簧5-3，是为了调节压电电机2的驱动足2-7和机械臂本体机构1中杆件8之间的预压力。

本实施例中，在机械臂本体机构1上套设滑移机构4的目的是，第一，是为了使滑移机构4沿机械臂本体机构1滑移，以使滑移机构4能给关节锁紧机构6中的锁紧顶杆6-5施加压力，从而实现转轴7与杆件8的锁紧或者打开；第二，是为了使滑移机构4沿机械臂本体机构1滑移，从而实现不同处的杆件8的转动调节，进而实现整个机械臂本体机构1的调节；第三，是为了便于电机固定座3和压电电机2的安装。

本实施例中，相邻两个杆件8的连接处设置有关节锁紧机构的目的：第一，是为了在锁紧顶杆6-5受压，第一锁紧杠杆6-1和第二锁紧杠杆6-2 之间的弹簧6-4收缩，在弹簧6-4收缩过程中，锁紧顶杆6-5的端部缩入卡孔8-4，同时，第一锁紧杠杆6-1和第二锁紧杠杆6-2中的圆弧夹6-10 打开，解除转轴7和杆件8的锁紧，锁紧顶杆6-5不受压时，圆弧夹6-10 收缩，实现转轴7和杆件8的锁紧；第二，是为了实现某些杆件8的转动调节。

本实施例中，设置压电电机2，压电电机2收缩或者伸长，压电电机2 的驱动足2-7产生斜线运动轨迹，在驱动足2-7的冲击作用下，可以实现滑移机构沿机械臂本体机构的滑移运动自由度；另一方面压电陶瓷2-3产生弯曲运动，在驱动足2-7处形成椭圆运动轨迹，实现杆件旋转自由度，从而改变相邻两个杆件的角度。

本实施例中，在滑移本体内设置滑轮4-4的目的，第一，是为了滑轮 4-4的边缘伸出滑块凸起4-5的边缘，以使滑轮4-4伸入杆件8的滑槽8-5，便于滑轮4-4能沿滑槽8-5滑动；第二是为了通过滑轮4-4伸入杆件8的滑槽8-5，实现滑移本体的限位，确保滑移本体能沿滑槽8-5滑移；第三，是为了减少滑移的摩擦力。

本实施例中，锁紧顶杆6-5的伸出端为弧形。

本实施例中，在第二连接板4-7靠近滑行方向的一侧设置压块4-6的目的，是为了给锁紧顶杆6-5的端部提供预压力，以使锁紧顶杆6-5的端部缓缓承受压力，直至滑移本体全部压住锁紧顶杆6-5的端部时，则锁紧顶杆6-5的端部承受压力稳定，便于进一步地调节杆件8。

如图8所示，本实施例中，所述连接杆关节9上设置有限位孔8-9，所述固定轴6-3的两端穿设在限位孔8-9内，限制固定轴6-3的径向运动。

本实施例中，设置固定轴6-3，第一是为了第一锁紧杠杆6-1上的套环6-7和第二锁紧杠杆6-2上的套环6-7的安装，从而实现第一锁紧杠杆 6-1和第二锁紧杠杆6-1的相对布设；第二是为了第一锁紧杠杆6-1和第二锁紧杠杆6-1沿长度方向的位置的固定，仅能实现第一锁紧杠杆6-1和第二锁紧杠杆6-1之间的宽度方向的调节。

本实施例中，需要说明的是，第一锁紧杠杆6-1上的套环6-7的下表面与第二锁紧杠杆6-2上的套环6-7的上表面相贴合，且所述第一锁紧杠杆6-1和第二锁紧杠杆6-2呈相对布设。

本实施例中，设置刹车片6-6，是为了增大刹车片6-6与转轴7之间的摩擦力，实现刹车片6-6与转轴7的锁紧，从而实现杆件8与转轴7的锁紧。

本实用新型具体使用时，包括以下步骤：

步骤一、机械臂本体机构的装配：机械臂本体机构1包括多个依次连接的杆件8，相邻两个杆件8的连接过程均相同，其中，对第j个杆件8 和对第j+1个杆件8的连接具体过程如下：

步骤101、在第j+1个杆件8内安装关节锁紧机构6；其中，关节锁紧机构6中的锁紧顶杆6-5端部穿出卡孔8-4，关节锁紧机构6中的圆弧夹 6-10位于第j+1个杆件8的连接关节8-8内部，关节锁紧机构6中的固定轴6-3穿过第j+1个杆件8的连接关节8-8中的限位孔8-9；

步骤102、第j+1个杆件8的连接关节8-8卡装在第j个杆件8的圆弧连接部8-2中，且在第j个杆件8的转轴孔8-3和第j+1个杆件8的关节孔 8-7内穿设转轴7；其中，转轴7穿过圆弧夹6-10，第j个杆件8的转轴孔8-3和第j+1个杆件8的关节孔8-7同轴布设；

步骤103、按照步骤101所述的方法，在第j+2个杆件8内安装关节锁紧机构6；

步骤104、按照步骤102所述的方法，将第j+2个杆件8的连接关节 8-8卡装在第j+1个杆件8的圆弧连接部8-2中，且在第j+1个杆件8的转轴孔8-3和第j+2个杆件8的关节孔8-7内穿设转轴7；其中，j为正整数，且1≤j≤n，n表示杆件8的总数，且n为大于等于3的正整数；

步骤二、压电电机机构的装配：

步骤201、将滑移机构4安装在机械臂本体机构1的第j个杆件8上；其中，滑移机构4的滑轮4-4伸入杆件8的滑槽8-5中；

步骤202、在滑移机构4的顶部和底部分别安装电机固定座3；

步骤203、在电机固定座3上安装压电电机2；其中，压电电机2和电机固定座3的连接处安装预压力调整机构5，压电电机2驱动足2-7的圆弧面与杆件8的外表面接触；

步骤三、平面型超冗余度机械臂的调节：

步骤301、给压电电机机构中压电陶瓷2-3施加方波激励电压，压电陶瓷2-3伸缩，压电陶瓷2-3的伸缩传递至驱动足2-7，驱动足2-7伸缩推动滑移机构4沿机械臂本体机构1滑移，当滑移机构4滑移至第j+1个杆件8上时，且滑移机构4接触关节锁紧机构6中的锁紧顶杆6-5时，滑移机构4致锁紧顶杆6-5受压，第一锁紧杠杆6-1和第二锁紧杠杆6-2之间的弹簧6-4收缩，在弹簧6-4收缩过程中，锁紧顶杆6-5的端部缩入卡孔8-4，同时，第一锁紧杠杆6-1和第二锁紧杠杆6-2中的圆弧夹6-10 打开，解除转轴7和杆件8的锁紧；

步骤302、给压电电机机构中压电陶瓷2-3施加正弦激励电压，压电陶瓷2-3产生弯曲运动，压电电机2驱动足2-7产生椭圆运动轨迹，压电电机2驱动足2-7驱动第j个杆件8旋转，调节第j个杆件8和第j+1个杆件8之间的夹角。

如图9所示，本实施例中，每个压电陶瓷2-3包括两个正向极化区和两个负向极化区，正向激励电压的两个输入端通过正电极片从而将正向激励电压加载在正向极化区，负向激励电压的两个输入端也通过正电极片将负向激励电压加载在负向极化区。

如图10和图11所示，本实施例中，所述正电极片2-4包括四个连接端2-4-1，便于正向激励电压和负向激励电压的连接，所述负电极片2-5 具有一个连接端，从而与正向激励电压和负向激励电压的负极输入端连接。

本实施例中，需要说明的是，压电电机机构的装配完成之后，压电电机机构运动之前，需要将正电极片2-4的四个接触端2-4-2沿图中虚线方向剪断。

本实施例中，需要说明的是，两个正向极化区的连接处、两个负向极化区的连接处以及正向极化区与负向极化区的连接处不极化。

本实施例中，步骤301中压电电机2的驱动足2-7伸缩推动滑移机构 4沿机械臂本体机构1滑移，具体过程如下：

给压电陶瓷2-3中两个正向极化区施加正向方波激励电压，给压电陶瓷2-3中两个负向极化区施加负向方波激励电压，压电陶瓷2-3伸缩，压电电机2的驱动足2-7产生斜线运动轨迹的冲击，推动滑移机构4沿机械臂本体机构1滑移；

步骤302中调节第j个杆件8和第j+1个杆件8之间的夹角，具体过程如下：

给压电陶瓷2-3中一个正向极化区和一个负向极化区施加第一正弦激励电压，给压电陶瓷2-3中另一个正向极化区和另一个负向极化区施加第二正弦激励电压，压电陶瓷2-3产生弯曲运动，压电电机2驱动足2-7产生椭圆运动轨迹，调节第j个杆件8和第j+1个杆件8之间的夹角。

本实施例中，所述正向方波激励电压的频率大于20kHz，正向方波激励电压的有效值为10V～200V；

所述负向方波激励电压的频率大于20kHz，负向方波激励电压的有效值为-200V～-10V；

所述第一正弦激励电压为

所述第二正弦激励电压为

其中，V_r表示电压有效值，单位为V；f表示频率，单位为Hz，t表示时间，单位为s，f的取值范围为大于20kHz，V_r的取值范围为10V≤V_r≤200V。

综上所述，本实用新型设计合理且可靠性高，仅使用单套压电电机驱动，没有复杂的驱动和减速系统，避免了传统超冗余度机械臂一个自由度一般需要引进一套电机和一套减速系统，使平面型超冗余度机械臂重量轻、体积小、鲁棒性好。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种平面型超冗余度机械臂，其特征在于：包括机械臂本体机构(1)、套装在机械臂本体机构(1)上且能沿机械臂本体机构(1)滑移的滑移机构(4)和安装在滑移机构(4)上的压电电机机构，所述机械臂本体机构(1)包括多个依次连接的杆件(8)，相邻两个杆件(8)的连接处设置有转轴(7)和用于锁紧转轴(7)与杆件(8)的关节锁紧机构(6)，所述杆件(8)上设置有卡孔(8-4)，所述杆件(8)为中空结构，所述杆件(8)的长度方向设置有滑槽(8-5)，所述压电电机机构的数量为两个，两个所述压电电机机构的结构相同，所述压电电机机构包括电机固定座(3)、安装在电机固定座(3)上的压电电机(2)和调节压电电机(2)与杆件(8)之间预压力的预压力调整机构(5)；

所述压电电机(2)包括第一连接板(2-1)、安装在第一连接板(2-1)上的后基体(2-2)、套设在后基体(2-2)上的绝缘套和套设在所述绝缘套上的压电陶瓷(2-3)，以及安装在后基体(2-2)远离第一连接板(2-1)端部的变幅杆(2-6)，所述变幅杆(2-6)的端部设置有驱动足(2-7)，所述压电陶瓷(2-3)的数量为多片，所述后基体(2-2)与压电陶瓷(2-3)之间和相邻两片压电陶瓷(2-3)之间均设置有电极片，相邻两片压电陶瓷(2-3)的极化方向相反，所述驱动足(2-7)的圆弧面与杆件(8)的外表面接触。

2.按照权利要求1所述的一种平面型超冗余度机械臂，其特征在于：所述电极片包括正电极片(2-4)和负电极片(2-5)，相邻两个负电极片(2-5)之间设置有正电极片(2-4)，后基体(2-2)与压电陶瓷(2-3)之间的电极片为负电极片(2-5)，所述负电极片(2-5)的数量等于正电极片(2-4)的数量。

3.按照权利要求1所述的一种平面型超冗余度机械臂，其特征在于：所述电机固定座(3)包括水平板(3-1)和两个与所述水平板(3-1)一体成型的倾斜板(3-2)，所述倾斜板(3-2)与水平板(3-1)形成的夹角为钝角，两个倾斜板(3-2)之间设置有间隙，所述水平板(3-1)通过螺栓安装在滑移机构(4)上；

所述预压力调整机构(5)包括穿设在第一连接板(2-1)与倾斜板(3-2)中的连接螺栓(5-1)、套设在连接螺栓(5-1)上且位于第一连接板(2-1)一侧面的第一碟簧(5-2)和套设在连接螺栓(5-1)上且位于第一连接板(2-1)与倾斜板(3-2)之间的第二碟簧(5-3)。

4.按照权利要求1所述的一种平面型超冗余度机械臂，其特征在于：所述滑移机构(4)包括滑移本体和设置在滑移本体内的滑轮部件，所述滑移本体包括底板(4-1)、顶板(4-2)和两个对称连接于底板(4-1)与顶板(4-2)之间的第二连接板(4-7)，所述滑移本体为中空结构，两个所述第二连接板(4-7)的内侧面上分别设置有滑块凸起(4-5)，所述滑轮部件包括设置在滑块凸起(4-5)上靠近顶板(4-2)布设的上排滑轮和靠近底板(4-1)布设的下排滑轮，所述上排滑轮和下排滑轮均包括两个沿滑块凸起(4-5)滑动方向布设的滑轮(4-4)，所述滑轮(4-4)的边缘伸出滑块凸起(4-5)的边缘，所述滑轮(4-4)伸入杆件(8)的滑槽(8-5)，且所述滑轮(4-4)能沿滑槽(8-5)滑动，所述第二连接板(4-7)靠近滑行方向的一侧设置有压块(4-6)。

5.按照权利要求1所述的一种平面型超冗余度机械臂，其特征在于：所述杆件(8)包括杆件本体(8-1)、设置在杆件本体(8-1)一端的圆弧连接部(8-2)和设置在杆件本体(8-1)另一端的连接关节(8-8)，所述杆件本体(8-1)为中空结构，所述圆弧连接部(8-2)包括两个对称布设且与杆件本体(8-1)一端一体成型的圆弧部，两个所述圆弧部上分别设置有转轴孔(8-3)，所述连接关节(8-8)为中空结构，所述连接关节(8-8)设置有关节孔(8-7)和矩形窗口(8-6)，一个杆件(8)的连接关节(8-8)卡装在下一个杆件(8)的圆弧连接部(8-2)中，一个杆件(8)的转轴孔(8-3)和下一个杆件(8)的关节孔(8-7)内穿设有转轴(7)，一个杆件(8)的转轴孔(8-3)和下一个杆件(8)的关节孔(8-7)同轴布设。

6.按照权利要求1所述的一种平面型超冗余度机械臂，其特征在于：所述关节锁紧机构(6)包括第一锁紧杠杆(6-1)和第二锁紧杠杆(6-2)，以及连接于第一锁紧杠杆(6-1)和第二锁紧杠杆(6-2)之间的弹簧(6-4)和供第一锁紧杠杆(6-1)和第二锁紧杠杆(6-2)套装的固定轴(6-3)，所述第一锁紧杠杆(6-1)和第二锁紧杠杆(6-2)靠近弹簧(6-4)的一端设置有锁紧顶杆(6-5)，所述锁紧顶杆(6-5)的端部能穿出或者缩入卡孔(8-4)。

7.按照权利要求6所述的一种平面型超冗余度机械臂，其特征在于：所述第一锁紧杠杆(6-1)和第二锁紧杠杆(6-2)的结构相同，且所述第一锁紧杠杆(6-1)和第二锁紧杠杆(6-2)均包括一体成型的锁紧柄(6-8)、圆弧过渡段(6-9)和圆弧夹(6-10)，所述圆弧过渡段(6-9)和圆弧夹(6-10)的弯曲方向相反，所述圆弧过渡段(6-9)上设置有套装在固定轴(6-3)上的套环(6-7)，所述圆弧夹(6-10)上设置有用于锁紧转轴(7)的刹车片(6-6)，所述刹车片(6-6)通过螺栓(6-11)与圆弧夹(6-10)可拆卸连接。

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