本實(shí)用新型涉及超聲作動(dòng)領(lǐng)域，尤其涉及一種三自由度機(jī)器手關(guān)節(jié)。

背景技術(shù)：

隨著深海探測(cè)、航天技術(shù)、機(jī)械輔助醫(yī)療技術(shù)及自動(dòng)制造技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)機(jī)械手的需求日益迫切，傳統(tǒng)的機(jī)械手采用傳統(tǒng)的伺服電機(jī)及線纜結(jié)構(gòu)，存在易受磁場(chǎng)影響，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，線纜容易纏繞等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種三自由度機(jī)器手關(guān)節(jié)。

本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案

一種三自由度機(jī)器手關(guān)節(jié)，至少包括兩個(gè)關(guān)節(jié)單元，所述關(guān)節(jié)單元依次相連；

所述關(guān)節(jié)單元包含作動(dòng)頭、金屬質(zhì)量塊、底座、縱振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件、預(yù)緊螺栓、彈簧夾頭、底蓋、彈簧和接觸塊；

所述作動(dòng)頭包含驅(qū)動(dòng)頭、連接部、法蘭盤和圓柱，其中，所述驅(qū)動(dòng)頭為球形；所述連接部為連續(xù)變截面結(jié)構(gòu)，其截面為圓形，且其最小截面與驅(qū)動(dòng)頭的下端固定相連、最大截面與圓柱的上端固定相連；所述法蘭盤設(shè)置在所述連接部和圓柱的連接處；

所述作動(dòng)頭的軸線上設(shè)有和所述預(yù)緊螺栓相配合的螺紋孔；

所述彈簧夾頭為上端開口、內(nèi)部中空的圓柱體，其下端設(shè)有用于鎖住所述驅(qū)動(dòng)頭的圓孔；

所述底座包含主體、第一固定環(huán)和第二固定環(huán)，其中，所述主體為上端開口、下端封閉的圓柱體；所述第一固定環(huán)、第二固定環(huán)均為上下開口的圓柱體，所述第一固定環(huán)的半徑大于所述第二固定環(huán)；所述第一固定環(huán)和第二固定環(huán)的上端均和所述主體的底面固定相連，且主體、第一固定環(huán)、第二固定環(huán)同軸設(shè)置；

所述縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均為圓柱形，依次從上到下設(shè)置在所述底座的主體內(nèi)；

所述縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件、底座主體的底面同軸設(shè)置且在軸心均設(shè)有供預(yù)緊螺栓穿過(guò)的通孔；預(yù)緊螺栓依次穿過(guò)底座主體的底面、第二彎振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、縱振壓電陶瓷組件和作動(dòng)頭上的螺紋孔螺紋連接，將縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件夾緊在作動(dòng)頭和底座主體的底面之間；

所述底蓋包含第一套接環(huán)和凸環(huán)，所述第一套接環(huán)為上下開口的圓柱體，所述凸環(huán)設(shè)置在所述第一套接環(huán)的上端，和所述第一套接環(huán)固定相連；

所述底蓋的凸環(huán)設(shè)置在第一固定環(huán)、第二固定環(huán)之間，和第一固定環(huán)、第二固定環(huán)之間的凹槽過(guò)盈連接；

所述接觸塊包含連接板、第二套接環(huán)和接觸環(huán)，其中，所述第二套接環(huán)、接觸環(huán)均為上下開口的空心圓柱；所述第二套接環(huán)的下端通過(guò)連接板和所述接觸環(huán)的上端固定相連，且所述第二套接環(huán)、接觸環(huán)同軸設(shè)置；

所述第一套接環(huán)和第二套接環(huán)通過(guò)套接進(jìn)行間隙配合，使得接觸塊和底蓋之間能夠上下滑動(dòng)；

所述彈簧套在所述第一套接環(huán)和第二套接環(huán)外，一端和所述底蓋的凸環(huán)相抵，另一端和所述接觸塊的連接板相抵；

所述彈簧夾頭上端和所述作動(dòng)頭的法蘭盤固定相連，下端的圓孔鎖住與其相連的關(guān)節(jié)單元的驅(qū)動(dòng)頭；

所述接觸塊中接觸環(huán)的下端和所述彈簧夾頭鎖住的驅(qū)動(dòng)頭相抵；

所述縱振壓電陶瓷組件用于產(chǎn)生縱振傳播至所述驅(qū)動(dòng)頭；

所述第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均用于產(chǎn)生彎振傳播至所述驅(qū)動(dòng)頭，且第一彎振壓電陶瓷組件產(chǎn)生的彎振和第二彎振壓電陶瓷組件產(chǎn)生的彎振在空間上存在π/2相位差。

作為本實(shí)用新型一種三自由度機(jī)器手關(guān)節(jié)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述縱振壓電陶瓷組件包含兩片縱振陶瓷片和一片電極片，所述兩片縱振陶瓷片將電極片夾在中間，所述兩片縱振陶瓷片均為單一極化分區(qū)，極化方向分別垂直于電極片向外。

作為本實(shí)用新型一種三自由度機(jī)器手關(guān)節(jié)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均包含兩片彎振陶瓷片和一片電極片，所述兩片彎振陶瓷片將電極片夾在中間，每片彎振壓電陶瓷片均有左右兩個(gè)極化方向相反的極化分區(qū)，且兩片彎振陶瓷片在同一端的極化分區(qū)的極化方向相反。

本實(shí)用新型還公開了一種基于該三自由度機(jī)器手關(guān)節(jié)的工作方式，包含以下步驟：

對(duì)于每一個(gè)關(guān)節(jié)單元，令其驅(qū)動(dòng)頭的球心為原點(diǎn)、令其驅(qū)動(dòng)頭的球心為原點(diǎn)、作動(dòng)頭的軸線為Z軸、過(guò)原點(diǎn)且平行于其第一彎振壓電陶瓷組件中任一彎振陶瓷片的兩個(gè)極化分區(qū)之間的界限的直線為Y軸、過(guò)原點(diǎn)且平行于其第二彎振壓電陶瓷組件中任一彎振陶瓷片的兩個(gè)極化分區(qū)之間的界限的直線為X軸；

分別在其縱振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號(hào)，在定子模塊上激發(fā)出沿Z軸方向的縱向振動(dòng)和在XOZ平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)，縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的耦合使驅(qū)動(dòng)頭上的質(zhì)點(diǎn)在XOZ平面內(nèi)作橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)頭通過(guò)摩擦作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子模塊繞Y軸旋轉(zhuǎn)；

分別在其縱振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號(hào)，在定子模塊上激發(fā)出沿Z軸方向的縱向振動(dòng)和在YOZ平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)，縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的耦合使驅(qū)動(dòng)頭上的質(zhì)點(diǎn)在YOZ平面內(nèi)作橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)頭通過(guò)摩擦作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子模塊繞X軸旋轉(zhuǎn)；

分別在其第一彎振壓電陶瓷組件和第二彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號(hào)，將分別在定子模塊上激發(fā)出兩個(gè)在空間上具有π/2相位差的彎曲振動(dòng)模態(tài)，使得驅(qū)動(dòng)頭上的質(zhì)點(diǎn)在XOY平面內(nèi)作橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)頭通過(guò)摩擦作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子模塊繞Z軸作360°旋轉(zhuǎn)。

本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，精度高；

2. 易小型化，不受磁場(chǎng)干擾，在深海探測(cè)、航天技術(shù)、機(jī)械輔助醫(yī)療技術(shù)及自動(dòng)制造技術(shù)領(lǐng)域有廣闊前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型一種三自由度機(jī)器手關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型中作動(dòng)頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本實(shí)用新型中彈簧夾頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型中底蓋、彈簧與接觸塊的配合圖；

圖5是本實(shí)用新型中縱振壓電陶瓷組件中陶瓷片的極化方式示意圖；

圖6是本實(shí)用新型中第一彎振壓電陶瓷組件中陶瓷片的極化方式示意圖；

圖7是本實(shí)用新型中第二彎振壓電陶瓷組件中陶瓷片的極化方式示意圖；

圖8是本實(shí)用新型的彎曲振動(dòng)振型圖；

圖9是本實(shí)用新型的縱向振動(dòng)振型圖。

其中，1-作動(dòng)頭，1.1-驅(qū)動(dòng)頭，1.2-連接部，1.3-法蘭盤，1.4-圓柱，2-金屬質(zhì)量塊，3-底座，4-預(yù)緊螺栓，5-彈簧夾頭，6-底蓋，7-彈簧，8-接觸塊，9-縱振壓電陶瓷組件，10-第一彎振壓電陶瓷組件，11-和第二彎振壓電陶瓷片組，12-固定螺栓，13-電極片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

如圖1所示，本實(shí)用新型公開了一種三自由度機(jī)器手關(guān)節(jié)，至少包括兩個(gè)關(guān)節(jié)單元，所述關(guān)節(jié)單元依次相連。

所述關(guān)節(jié)單元包含作動(dòng)頭、金屬質(zhì)量塊、底座、縱振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件、預(yù)緊螺栓、彈簧夾頭、底蓋、彈簧和接觸塊。

如圖2所示，所述作動(dòng)頭包含驅(qū)動(dòng)頭、連接部、法蘭盤和圓柱，其中，所述驅(qū)動(dòng)頭為球形；所述連接部為連續(xù)變截面結(jié)構(gòu)，其截面為圓形，且其最小截面與驅(qū)動(dòng)頭的下端固定相連、最大截面與圓柱的上端固定相連；所述法蘭盤設(shè)置在所述連接部和圓柱的連接處。

所述作動(dòng)頭的軸線上設(shè)有和所述預(yù)緊螺栓相配合的螺紋孔。

如圖3所示，所述彈簧夾頭為上端開口、內(nèi)部中空的圓柱體，其下端設(shè)有用于鎖住所述驅(qū)動(dòng)頭的圓孔。

所述底座包含主體、第一固定環(huán)和第二固定環(huán)，其中，所述主體為上端開口、下端封閉的圓柱體；所述第一固定環(huán)、第二固定環(huán)均為上下開口的圓柱體，所述第一固定環(huán)的半徑大于所述第二固定環(huán)；所述第一固定環(huán)和第二固定環(huán)的上端均和所述主體的底面固定相連，且主體、第一固定環(huán)、第二固定環(huán)同軸設(shè)置。

所述縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均為圓柱形，依次從上到下設(shè)置在所述底座的主體內(nèi)。

所述縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件、底座主體的底面同軸設(shè)置且在軸心均設(shè)有供預(yù)緊螺栓穿過(guò)的通孔；預(yù)緊螺栓依次穿過(guò)底座主體的底面、第二彎振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、縱振壓電陶瓷組件和作動(dòng)頭上的螺紋孔螺紋連接，將縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件夾緊在作動(dòng)頭和底座主體的底面之間。

所述底蓋包含第一套接環(huán)和凸環(huán)，所述第一套接環(huán)為上下開口的圓柱體，所述凸環(huán)設(shè)置在所述第一套接環(huán)的上端，和所述第一套接環(huán)固定相連。

所述底蓋的凸環(huán)設(shè)置在第一固定環(huán)、第二固定環(huán)之間。

所述接觸塊包含連接板、第二套接環(huán)和接觸環(huán)，其中，所述第二套接環(huán)、接觸環(huán)均為上下開口的空心圓柱；所述第二套接環(huán)的下端通過(guò)連接板和所述接觸環(huán)的上端固定相連，且所述第二套接環(huán)、接觸環(huán)同軸設(shè)置。

所述第一套接環(huán)和第二套接環(huán)通過(guò)套接進(jìn)行間隙配合，使得接觸塊和底蓋之間能夠上下滑動(dòng)。

如圖4所示，所述彈簧套在所述第一套接環(huán)和第二套接環(huán)外，一端和所述底蓋的凸環(huán)相抵，另一端和所述接觸塊的連接板相抵。

所述彈簧夾頭上端和所述作動(dòng)頭的法蘭盤固定相連，可以采用固定螺栓來(lái)固定相連。所述彈簧夾頭下端的圓孔鎖住與其相連的關(guān)節(jié)單元的驅(qū)動(dòng)頭，并且在該關(guān)節(jié)單元的驅(qū)動(dòng)頭受力時(shí)不會(huì)脫離彈簧夾頭。

所述接觸塊中接觸環(huán)的下端和所述彈簧夾頭鎖住的驅(qū)動(dòng)頭相抵。

所述縱振壓電陶瓷組件用于產(chǎn)生縱振傳播至所述驅(qū)動(dòng)頭。

所述第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均用于產(chǎn)生彎振傳播至所述驅(qū)動(dòng)頭，且第一彎振壓電陶瓷組件產(chǎn)生的彎振和第二彎振壓電陶瓷組件產(chǎn)生的彎振在空間上存在π/2相位差。

如圖5所示，所述縱振壓電陶瓷組件包含兩片縱振陶瓷片和一片電極片，所述兩片縱振陶瓷片將電極片夾在中間，所述兩片縱振陶瓷片均為單一極化分區(qū)，極化方向分別垂直于電極片向外。

所述第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均包含兩片彎振陶瓷片和一片電極片，所述兩片彎振陶瓷片將電極片夾在中間，每片彎振壓電陶瓷片均有左右兩個(gè)極化方向相反的極化分區(qū)，且兩片彎振陶瓷片在同一端的極化分區(qū)的極化方向相反。

所述第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件的極化方向及組合方式分別如圖6、圖7所示。

對(duì)于每一個(gè)關(guān)節(jié)單元，令其驅(qū)動(dòng)頭的球心為原點(diǎn)、令其驅(qū)動(dòng)頭的球心為原點(diǎn)、作動(dòng)頭的軸線為Z軸、過(guò)原點(diǎn)且平行于其第一彎振壓電陶瓷組件中任一彎振陶瓷片的兩個(gè)極化分區(qū)之間的界限的直線為Y軸、過(guò)原點(diǎn)且平行于其第二彎振壓電陶瓷組件中任一彎振陶瓷片的兩個(gè)極化分區(qū)之間的界限的直線為X軸。

分別在其縱振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號(hào)，在定子模塊上激發(fā)出沿Z軸方向的縱向振動(dòng)和在XOZ平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)，縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的耦合使驅(qū)動(dòng)頭上的質(zhì)點(diǎn)在XOZ平面內(nèi)作橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)頭通過(guò)摩擦作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子模塊繞Y軸旋轉(zhuǎn)。

分別在其縱振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號(hào)，在定子模塊上激發(fā)出沿Z軸方向的縱向振動(dòng)和在YOZ平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)，縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的耦合使驅(qū)動(dòng)頭上的質(zhì)點(diǎn)在YOZ平面內(nèi)作橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)頭通過(guò)摩擦作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子模塊繞X軸旋轉(zhuǎn)。

分別在其第一彎振壓電陶瓷組件和第二彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號(hào)，將分別在定子模塊上激發(fā)出兩個(gè)在時(shí)間和空間上都具有π/2相位差的彎曲振動(dòng)模態(tài)，使得驅(qū)動(dòng)頭上的質(zhì)點(diǎn)在XOY平面內(nèi)作橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)頭通過(guò)摩擦作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子模塊繞Z軸作360°旋轉(zhuǎn)。

由以上可知本實(shí)用新型中關(guān)節(jié)單元通過(guò)三組陶瓷組件激勵(lì)出的三個(gè)振型之間的兩兩組合，可實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，彎曲振動(dòng)時(shí)使球形驅(qū)動(dòng)頭與連接部的連接處位于振型的節(jié)點(diǎn)處，以使球形驅(qū)動(dòng)頭獲得最大的振幅，彎曲振動(dòng)的振型圖如圖8所示（以二階彎振為例）?？v向振動(dòng)時(shí)使法蘭盤位于振型節(jié)點(diǎn)處方便夾持，使球形驅(qū)動(dòng)頭與連接部的連接處位于振幅最大處，以使球形驅(qū)動(dòng)頭獲得最大的縱向振幅，縱向振動(dòng)的振型圖如圖9所示（以一階縱振為例）。

本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，精度高，便于微型化，在深海探測(cè)、航天技術(shù)、機(jī)械輔助醫(yī)療技術(shù)及自動(dòng)制造技術(shù)領(lǐng)域有廣闊前景。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(yǔ)（包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)）具有與本實(shí)用新型所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過(guò)于正式的含義來(lái)解釋。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。