本發(fā)明涉及壓電驅(qū)動及機器人領(lǐng)域，具體是一種夾心式壓電驅(qū)動二自由度機械臂及其驅(qū)動方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有的傳統(tǒng)的機械臂利用電磁電機，液壓機為驅(qū)動源通過齒輪、帶輪等將驅(qū)動器的運動傳輸至驅(qū)動關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，速度精度不易控制，針對一些特殊環(huán)境應(yīng)用，如深海，外太空，高電磁干擾，高溫，極寒環(huán)境等難以滿足使用要求，且難以實現(xiàn)小型化結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計。

2、近年來逐步興起的利用壓電驅(qū)動的機械臂，利用異型模態(tài)的耦合作為驅(qū)動基礎(chǔ)，在設(shè)計過程中由于需要進行模態(tài)頻率一致性調(diào)節(jié),工作量大且復(fù)雜，并且對結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸提出了諸多限制，難以實現(xiàn)系列化，模塊化設(shè)計，且這類壓電作動器在工作過程出現(xiàn)的磨損情況，能夠造成兩相頻率漂移，增大兩相頻率差，使得機械臂驅(qū)動性能下降。

3、因此，目前的大部分方案中，由于機械臂的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不夠緊湊，難以實現(xiàn)微型化。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種夾心式壓電驅(qū)動二自由度機械臂及其驅(qū)動方法，其設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于實現(xiàn)微型化。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明的實施例提供一種夾心式壓電二自由度機械臂，所述夾心式壓電二自由度機械臂由至少2個依次相連的單元臂節(jié)組成，各個單元臂節(jié)之間通過連接組件相連；每個單元臂節(jié)包括兩個壓電振子和兩個關(guān)節(jié)部分；壓電振子包括：第一金屬基體、第二金屬基體和壓電驅(qū)動組件；第一金屬基體和第二金屬基體均為變直徑圓柱體，第一金屬基體靠近壓電驅(qū)動組件一端設(shè)有外螺紋，第二金屬基體靠近壓電驅(qū)動組件一端設(shè)有內(nèi)螺紋，每個單元臂節(jié)的兩個壓電振子兩端外螺紋依次穿過關(guān)節(jié)基體兩耳板上的通孔、壓片彈簧兩端通孔，并通過螺母及墊圈完成螺紋配合實現(xiàn)壓電振子與關(guān)節(jié)部分的連接；壓電驅(qū)動組件從左向右依次安裝了：第一電極片、第一壓電陶瓷片、第二電極片、第二壓電陶瓷片、第三電極片、第三壓電陶瓷片、第四電極片、第四壓電陶瓷片和第五電極片；壓電驅(qū)動組件的第一電極片、第三電極片和第五電極片接地，第二電極片和第四電極片通過電源輸入驅(qū)動信號。

4、關(guān)節(jié)部分由關(guān)節(jié)基體、螺母、墊圈組成，單元臂節(jié)兩端關(guān)節(jié)部分中配有兩個半圓耳和四個雙鉤彈簧，關(guān)節(jié)基體為圓柱旋鈕形結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)基體旋鈕結(jié)構(gòu)處設(shè)有通孔，半圓耳結(jié)構(gòu)的耳處設(shè)有通孔；一單元臂節(jié)配有兩個結(jié)構(gòu)半圓耳結(jié)構(gòu)和四個雙鉤彈簧與另一單元臂節(jié)配有兩個半圓耳結(jié)構(gòu)但未配有雙鉤彈簧一端關(guān)節(jié)部分相連；相連的兩單元臂節(jié)的關(guān)節(jié)部分的關(guān)節(jié)基體在空間上正交布置，四個雙鉤彈簧起到施加欲壓力的作用，兩正交布置的關(guān)節(jié)基體通過螺母和墊圈連接定位并與各自的單元臂節(jié)的兩壓電振子固定；壓電振子兩端外螺紋處與基體旋鈕結(jié)構(gòu)處的通孔間隙配合；兩個半圓耳結(jié)構(gòu)套在基體的圓柱部分上且四個雙鉤彈簧鉤子分別扣在兩個半圓耳結(jié)構(gòu)的通孔里。

5、在第一金屬基體中：

6、第一階梯圓柱直徑大于第二階梯圓柱；

7、沿第一金屬基體軸線方向，第一階梯圓柱長度小于第二階梯圓柱長度；

8、對于第二金屬基體，除靠近壓電組件一端設(shè)有與外螺紋相配合的內(nèi)螺紋外，其余部分與第一金屬基體完全相同。

9、第一壓電陶瓷片第二壓電陶瓷片、第三壓電陶瓷片和第四壓電陶瓷片，均為沿厚度方向極化的單分區(qū)的圓環(huán)形的壓電陶瓷片；

10、在所述單分區(qū)的圓環(huán)形的壓電陶瓷片中，相鄰兩壓電陶瓷片極化方向相反，即若第一壓電陶瓷片的極化方向為負(fù)，則第二壓電陶瓷片與第四壓電陶瓷片極化方向為正，第三壓電陶瓷片極化方向為負(fù)，反之同理。

11、第一壓電陶瓷片與第一電極片的一個面以及第二電極片的一個面接觸；

12、第二壓電陶瓷片與第二電極片的另一面以及第三電極片的一個面接觸；

13、第三壓電陶瓷片與第三電極片的另一面以及第四電極片的一個面接觸；

14、第四壓電陶瓷片與第四電極片的另一面以及第五電極片的一個面接觸；

15、第一電極片和第五電極片未與壓電陶瓷片接觸的一面分別與第一金屬基體第一階梯圓柱的端面和第二金屬基體第一階梯圓柱的端面接觸。

16、第一電極片、第二電極片、第三電極片、第四電極片和第五電極片，均為帶一個圓耳的圓環(huán)形電極片。

17、位于單元臂兩壓電振子兩端的外螺紋依次穿過關(guān)節(jié)基體旋鈕結(jié)構(gòu)處的通孔、墊圈，而后通過螺母與壓電振子兩端的外螺紋配合實現(xiàn)壓電振子與關(guān)節(jié)部分的組裝固連。

18、壓電驅(qū)動組件采用防水膠進行絕緣處理。

19、第二方面，本發(fā)明的實施例提供一種夾心式壓電二自由度機械臂的驅(qū)動過程，包括：

20、對單元臂節(jié)上兩壓電振子的壓電驅(qū)動組件的第二電極片和第四電極片施加簡諧驅(qū)動信號，使被施加簡諧驅(qū)動信號的壓電振子的單元臂節(jié)關(guān)節(jié)基體與其相鄰串聯(lián)的單元臂節(jié)的關(guān)節(jié)基體接觸的各點產(chǎn)生共兩次橢圓運動。

21、對于同一單元臂節(jié)的兩個壓電振子施加的簡諧驅(qū)動信號為具有π/2時間相位差的特定頻率的簡諧驅(qū)動信號，其中，所述特定頻率為預(yù)設(shè)的頻率值，同時激勵出兩個壓電振子的時間上具有π/2相位差的一階縱振模態(tài)。

22、分別對相鄰單元臂節(jié)的兩個壓電振子施加驅(qū)動信號，分別觸發(fā)單元臂節(jié)繞與之相鄰單元臂節(jié)關(guān)節(jié)基體接觸部位圓截面軸線方向的轉(zhuǎn)動；對兩個單元臂節(jié)的壓電振子分別施加驅(qū)動信號，觸發(fā)兩個單元臂節(jié)在正交平面內(nèi)的二自由度轉(zhuǎn)動，其中，單元臂節(jié)和相鄰單元臂節(jié)在空間上正交。

23、本發(fā)明有益效果在于：針對傳統(tǒng)電磁和液壓機驅(qū)動械臂存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制精度低問題，本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊簡單，易于實現(xiàn)微型化，且壓電驅(qū)動原理的斷電自鎖效應(yīng)使得本發(fā)明的機械臂控制精度高。相對于其他的壓電作動的機械臂，由于壓電振子利用一階縱振單模態(tài)作為驅(qū)動基礎(chǔ)，無需進行異型模態(tài)的頻率一致性調(diào)節(jié)，減少了對機械臂設(shè)計尺寸形狀等的限制，更易于實現(xiàn)系列化，模塊化的設(shè)計，且隨工程應(yīng)用場景的不同，機械臂的可調(diào)整尺寸多，工程應(yīng)用性強，具有重要的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種夾心式壓電驅(qū)動二自由度機械臂，其特征在于：包括至少2個依次相連的單元臂節(jié)，相鄰單元臂節(jié)之間通過關(guān)節(jié)部分（5）相連，每個單元臂節(jié)包括兩個壓電振子（4）和兩個分別位于壓電振子兩端的關(guān)節(jié)部分（5）；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夾心式壓電驅(qū)動二自由度機械臂，其特征在于：所述壓電振子（4）包括通過螺紋結(jié)構(gòu)依次連接的第一金屬基體（4.1）、壓電驅(qū)動組件（4.2）和第二金屬基體（4.3），其中，第一金屬基體（4.1）和第二金屬基體（4.3）均為變直徑圓柱體，壓電驅(qū)動組件（4.2）從左向右依次安裝了：第一電極片（4.2.5）、第一壓電陶瓷片（4.2.1）、第二電極片（4.2.6）、第二壓電陶瓷片（4.2.2）、第三電極片（4.2.7）、第三壓電陶瓷片（4.2.3）、第四電極片（4.2.8）、第四壓電陶瓷片（4.2.4）和第五電極片（4.2.9）；所述壓電驅(qū)動組件（4.2）的第一電極片（4.2.5）、第三電極片（4.2.7）和第五電極片（4.2.9）接地，第二電極片（4.2.6）和第四電極片（4.2.8）通過電源輸入驅(qū)動信號；所述第一金屬基體（4.1）包括第一階梯圓柱（4.1.1）和第二階梯圓柱（4.1.2），第一階梯圓柱（4.1.1）直徑大于第二階梯圓柱（4.1.2）沿第一金屬基體（4.1）軸線方向，第一階梯圓柱（4.1.1）長度小于第二階梯圓柱（4.1.2）長度。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的夾心式壓電驅(qū)動二自由度機械臂，其特征在于：所述第一壓電陶瓷片（4.2.1）第二壓電陶瓷片（4.2.2）、第三壓電陶瓷片（4.2.3）和第四壓電陶瓷片（4.2.4），均為沿厚度方向極化的單分區(qū)的圓環(huán)形的壓電陶瓷片；上述壓電陶瓷片中，相鄰兩壓電陶瓷片極化方向相反。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的夾心式壓電驅(qū)動二自由度機械臂，其特征在于：所述第一壓電陶瓷片（4.2.1）與第一電極片（4.2.5）的一個面以及第二電極片（4.2.6）的一個面接觸；

5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的夾心式壓電驅(qū)動二自由度機械臂，其特征在于：?所述第一電極片（4.2.5）、第二電極片（4.2.6）、第三電極片（4.2.7）、第四電極片（4.2.8）和第五電極片（4.2.9），均為帶一個圓耳的圓環(huán)形電極片。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夾心式壓電驅(qū)動二自由度機械臂，其特征在于：所述單元臂節(jié)兩壓電振子（4）兩端設(shè)置有外螺紋，外螺紋依次穿過關(guān)節(jié)基體（5.1）耳板處的通孔、墊圈（5.3）和螺母（5.2），而后通過螺母（5.2）與壓電振子（4）兩端的外螺紋配合實現(xiàn)壓電振子（4）與關(guān)節(jié)部分（5）的組裝固連。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夾心式壓電驅(qū)動二自由度機械臂，其特征在于：所述壓電驅(qū)動組件（4.2）采用防水膠進行絕緣處理。

8.一種權(quán)利要求1-7中任意一項所述夾心式壓電驅(qū)動二自由度機械臂的驅(qū)動方法，其特征在于包括以下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述夾心式壓電驅(qū)動二自由度機械臂的驅(qū)動方法，其特征在于：對于同一單元臂節(jié)的兩個壓電振子施加的簡諧驅(qū)動信號為具有π/2時間相位差的特定頻率的簡諧驅(qū)動信號，其中，所述特定頻率為預(yù)設(shè)的頻率值，同時激勵出兩個壓電振子（4）的時間上具有π/2相位差的一階縱振模態(tài)。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述夾心式壓電驅(qū)動二自由度機械臂的驅(qū)動方法，其特征在于：分別對相鄰單元臂節(jié)的兩個壓電振子（4）施加驅(qū)動信號，分別觸發(fā)單元臂節(jié)繞與之相鄰單元臂節(jié)關(guān)節(jié)基體（5.1）接觸部位圓截面軸線方向的轉(zhuǎn)動；對兩個單元臂節(jié)的壓電振子（4）分別施加驅(qū)動信號，觸發(fā)兩個單元臂節(jié)在正交平面內(nèi)的二自由度轉(zhuǎn)動，其中，單元臂節(jié)和相鄰單元臂節(jié)在空間上正交。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種夾心式壓電驅(qū)動二自由度機械臂及其驅(qū)動方法，涉及壓電驅(qū)動及機器人領(lǐng)域，包括機械臂包括若干個依次相連的單元臂節(jié)和臂節(jié)之間的連接組件；每個單元臂節(jié)包括兩個壓電振子；每一個單元臂節(jié)和相鄰單元臂節(jié)的壓電振子空間位置相互正交，通過臂節(jié)間連接組件實現(xiàn)單元臂節(jié)與單元臂節(jié)的正交連接與和預(yù)壓力的施加。本結(jié)構(gòu)緊湊簡單，易于實現(xiàn)微型化，且壓電驅(qū)動原理的斷電自鎖效應(yīng)使得本發(fā)明的機械臂控制精度高。

技術(shù)研發(fā)人員：葉海洋,王澤,蔡洛峰,張一馳,卞侃,金家楣
受保護的技術(shù)使用者：南京工程學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30