專利名稱：履帶驅(qū)動(dòng)裝置、方法及履帶式行走機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種履帶驅(qū)動(dòng)裝置、方法及履帶式行走機(jī)構(gòu)，尤其涉及一種壓電驅(qū)動(dòng) 的履帶驅(qū)動(dòng)裝置、方法及履帶式行走機(jī)構(gòu)，屬于超聲電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的履帶行走系統(tǒng)的履帶由電磁電機(jī)或內(nèi)燃機(jī)等動(dòng)力裝置經(jīng)齒輪和凸輪等傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不利于小型化；傳動(dòng)鏈長、效率低、可靠性差；運(yùn)動(dòng)間隙帶來空程和 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的彈性變形導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)滯后和隨動(dòng)性差。超聲電機(jī)是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體在超聲頻段產(chǎn)生微幅振 動(dòng)，并通過定、動(dòng)子之間的摩擦將其轉(zhuǎn)換成動(dòng)子的回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)的新型電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡 單緊湊、無磁、響應(yīng)快、斷電自鎖、低速大扭矩、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。如果能夠利用超聲 電機(jī)的原理來進(jìn)行履帶行走系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，則可以克服上述傳統(tǒng)履帶行走系統(tǒng)的缺點(diǎn)。但目 前尚未發(fā)現(xiàn)類似應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、可靠性和可控 性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的履帶驅(qū)動(dòng)裝置。本發(fā)明的思路是根據(jù)超聲電機(jī)的基本原理，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)激發(fā)框架 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，經(jīng)摩擦作用直接驅(qū)動(dòng)壓在其外部的履帶，實(shí)現(xiàn)履帶的運(yùn)動(dòng)及方向控制。本發(fā)明的履帶驅(qū)動(dòng)裝置包括一個(gè)框架結(jié)構(gòu)及固定在該框架結(jié)構(gòu)上的壓電單元；所 述框架結(jié)構(gòu)由四個(gè)圓環(huán)和四根桿固定連接而成，四個(gè)圓環(huán)的圓心分別位于四根桿組成的 平行四邊形的頂點(diǎn)處；所述框架結(jié)構(gòu)具有兩種同頻的振動(dòng)模態(tài)，一種振動(dòng)模態(tài)在所述框架 結(jié)構(gòu)的一組對(duì)邊桿上呈現(xiàn)同階且為奇數(shù)的反對(duì)稱縱振振型；另一種振動(dòng)模態(tài)在所述框架 結(jié)構(gòu)的另外一組對(duì)邊桿上呈現(xiàn)同階且為奇數(shù)的反對(duì)稱縱振振型，這兩種振動(dòng)模態(tài)在所述 框架結(jié)構(gòu)的四個(gè)圓環(huán)處呈現(xiàn)同階的面內(nèi)彎振振型；所述平行四邊形的其中一個(gè)角的角度
5滿足J=,其中y為所述圓環(huán)的面內(nèi)彎振振型階數(shù)J為在區(qū)間??； 1中取值
的一個(gè)奇數(shù)；所述壓電單元包括至少兩片壓電材料，分別用于激發(fā)所述框架結(jié)構(gòu)的兩種振 動(dòng)模態(tài)，框架結(jié)構(gòu)的每組對(duì)邊桿中至少有一根固定有至少一片所述壓電材料。通過向所述壓電單元施加與所述框架結(jié)構(gòu)兩種振動(dòng)模態(tài)同頻的交流電壓，使所述
框架結(jié)構(gòu)的兩種振動(dòng)模態(tài)得到激發(fā)，并使兩種振動(dòng)在時(shí)間上具有=相位差。此時(shí)，兩種振動(dòng)
模態(tài)分別在圓環(huán)上呈現(xiàn)同階的面內(nèi)彎振型，這兩個(gè)面內(nèi)彎振型可以疊加出一個(gè)沿圓環(huán)行進(jìn) 的同向面內(nèi)彎曲行波，由于面內(nèi)彎曲行波的存在，使得圓環(huán)外壁的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生微幅橢 圓運(yùn)動(dòng)。四個(gè)圓環(huán)的外壁部分與履帶發(fā)生局部接觸并伴有摩擦作用，處于接觸區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)由于沿著微幅橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，在摩擦作用下即可推動(dòng)履帶運(yùn)動(dòng)。當(dāng)需反向行駛時(shí)，僅需要調(diào) 整交流電壓，使兩種振動(dòng)的相位差變?yōu)?-即可。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
一、結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于微、小型化；
二、無軸承，無潤滑劑，有利在真空環(huán)境中使用；
三、整個(gè)裝置中的多個(gè)熱源(壓電單元和摩擦界面)間的距離較為分散，這對(duì)于熱平衡， 緩減熱應(yīng)力都有好處，對(duì)空間探測等散熱條件較差的情況有一定意義；
四、框架結(jié)構(gòu)簡單，可采用普通線切割方法一次加工完成，沒有其他苛刻的制造精度要 求，便于制造加工。


圖1為本發(fā)明的履帶驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的履帶驅(qū)動(dòng)裝置中框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明的履帶驅(qū)動(dòng)裝置的四個(gè)圓環(huán)的面內(nèi)彎振振型位置圖，其中，(a)圖為A環(huán) 的面內(nèi)彎振振型位置圖，(b)圖為B環(huán)的面內(nèi)彎振振型位置圖，(c)圖為C環(huán)的面內(nèi)彎振振 型位置圖，(d)圖為D環(huán)的面內(nèi)彎振振型位置圖4為本發(fā)明具體實(shí)施方式
中所述履帶驅(qū)動(dòng)裝置工作狀態(tài)下兩種振動(dòng)模態(tài)示意圖，其 中(a)圖為水平桿的3階反對(duì)稱縱振振型，(b)圖為斜桿的1階反對(duì)稱縱振振型； 圖5為本發(fā)明具體實(shí)施方式
中所述履帶驅(qū)動(dòng)裝置中壓電單元安裝結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為本發(fā)明具體實(shí)施方式
中所述履帶式行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為本發(fā)明具體實(shí)施方式
中所述履帶式行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)爆炸圖； 圖8為本發(fā)明的履帶驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)履帶的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明
本發(fā)明的履帶驅(qū)動(dòng)裝置，如附圖1所示，包括一個(gè)框架結(jié)構(gòu)1及固定在該框架結(jié)構(gòu)上的 壓電單元2 ；所述框架結(jié)構(gòu)1由四個(gè)圓環(huán)和四根桿固定連接而成，四個(gè)圓環(huán)的圓心分別位于 四根桿組成的平行四邊形的頂點(diǎn)處。本發(fā)明技術(shù)方案中，將框架結(jié)構(gòu)中的圓環(huán)作為履帶的直接驅(qū)動(dòng)源，圓環(huán)的兩種面 內(nèi)彎振模態(tài)可以理解為一種由框架結(jié)構(gòu)的其中一組對(duì)邊桿的縱振激勵(lì)，另一種面內(nèi)彎振模 態(tài)由框架結(jié)構(gòu)的另外一組對(duì)邊桿的縱振激勵(lì)。為使四個(gè)圓環(huán)上疊加形成的面內(nèi)彎行波同 向，兩組對(duì)邊桿的縱振振型的設(shè)計(jì)也有一定的要求其中一組對(duì)邊桿選擇彼此同階且為奇 數(shù)的反對(duì)稱縱振振型，另外一組對(duì)邊桿也選擇彼此同階且為奇數(shù)的反對(duì)稱縱振振型，兩組 對(duì)邊桿之間振型的階數(shù)可以相同也可以不同，這兩種振動(dòng)模態(tài)在所述框架結(jié)構(gòu)的四個(gè)圓環(huán) 處呈現(xiàn)同階的面內(nèi)彎振振型。此外，對(duì)于確定的#階圓環(huán)面內(nèi)彎振振型，其面內(nèi)彎振振型是一條沿圓周分布的 正弦曲線，并呈現(xiàn)#個(gè)波峰和波谷，一個(gè)波長具有360/F度的圓周角。對(duì)圓環(huán)而言，能疊加 出面內(nèi)彎行波的一個(gè)前提是兩種面內(nèi)彎振振型在空間上正交，即相差的相位，亦即圓環(huán)的
4兩種面內(nèi)彎振振型在空間上應(yīng)相差度的相位。因此，平行四邊形的夾角需滿足一定 的關(guān)系，下面對(duì)其進(jìn)行簡要分析
本發(fā)明的履帶驅(qū)動(dòng)裝置中的框架結(jié)構(gòu)存在四個(gè)夾角，如圖2所示，分別記為4、^、4、
β。首先分析用水平桿縱振激勵(lì)的情況對(duì)于結(jié)構(gòu)中的A環(huán)，由于采用水平桿縱振激勵(lì)，水
平桿與圓環(huán)的連接處必處在波峰或波谷的位置，現(xiàn)假設(shè)(1)連接處處在波峰的位置；(2) 與A環(huán)連接的兩根桿之間的夾角沒f『1R0V如圖3 (a)所示，水平桿處在0度角的位
置，由于要與另一種振型差i相位，另一種面內(nèi)彎振振型用斜桿的縱振激勵(lì)，振型的波峰或 波谷出現(xiàn)在圓環(huán)與斜桿的連接處，因此，與其連接的斜桿必處在與波峰差9相位的角度
上，及,
GV為圓環(huán)面內(nèi)彎振振型的階數(shù)，s ,為自然數(shù))，為保證與波峰差 相
位,Mj 必須為奇數(shù)。 由于水平桿采用奇數(shù)階的縱振振型，則此時(shí)，B環(huán)與水平桿的連接處也處在波峰
處，其振型位置如圖3 (b)所示，同理，B環(huán)相對(duì)應(yīng)的夾角ft應(yīng)滿足代屮
2 2 2
n;為奇數(shù)。由于上下兩根水平桿的振型是反對(duì)稱的，因此，C環(huán)與水平桿的連接處處在波
A
谷的位置，如圖3 (c)所示，D環(huán)也是如此，如圖3 (d)所示。同理，相應(yīng)的夾角ft、崖應(yīng)滿
權(quán)利要求
一種履帶驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，包括一個(gè)框架結(jié)構(gòu)及固定在該框架結(jié)構(gòu)上的壓電單元；所述框架結(jié)構(gòu)由四個(gè)圓環(huán)和四根桿固定連接而成，四個(gè)圓環(huán)的圓心分別位于四根桿組成的平行四邊形的頂點(diǎn)處；所述框架結(jié)構(gòu)具有兩種同頻的振動(dòng)模態(tài)，一種振動(dòng)模態(tài)在所述框架結(jié)構(gòu)的一組對(duì)邊桿上呈現(xiàn)同階且為奇數(shù)的反對(duì)稱縱振振型；另一種振動(dòng)模態(tài)在所述框架結(jié)構(gòu)的另外一組對(duì)邊桿上呈現(xiàn)同階且為奇數(shù)的反對(duì)稱縱振振型，這兩種振動(dòng)模態(tài)在所述框架結(jié)構(gòu)的四個(gè)圓環(huán)處呈現(xiàn)同階的面內(nèi)彎振振型；所述平行四邊形的其中一個(gè)角的角度滿足，其中為所述圓環(huán)的面內(nèi)彎振振型階數(shù)，K為在區(qū)間中取值的一個(gè)奇數(shù)；所述壓電單元包括至少兩片壓電材料，分別用于激發(fā)所述框架結(jié)構(gòu)的兩種振動(dòng)模態(tài)，框架結(jié)構(gòu)的每組對(duì)邊桿中至少有一根固定有至少一片所述壓電材料。137846dest_path_image001.jpg,793824dest_path_image002.jpg,88540dest_path_image003.jpg,673236dest_path_image004.jpg
2.如權(quán)利要求1所述的履帶驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，所述壓電單元為分別粘貼在所述 框架結(jié)構(gòu)的四根桿上的矩形壓電陶瓷片，該矩形壓電陶瓷片具有橫向振動(dòng)效應(yīng)。
3.如權(quán)利要求2所述的履帶驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，矩形壓電陶瓷片以兩片一組的方 式對(duì)稱地粘貼在各根桿的縱振節(jié)面處兩側(cè)。
4.如權(quán)利要求3所述的履帶驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，每組中的兩片矩形壓電陶瓷片按 照相反的極化方向粘貼，每兩根對(duì)邊桿上的矩形壓電陶瓷片按照相反的極化方向粘貼。
5.一種使用如權(quán)利要求1所述履帶驅(qū)動(dòng)裝置的履帶式行走機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括兩 個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)裝置、分別張緊在所述履帶驅(qū)動(dòng)裝置上并與所述履帶驅(qū)動(dòng)裝置四個(gè)圓環(huán)的外圈 緊密接觸的履帶、以及位于兩個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)裝置之間并與兩個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)裝置通過銷釘分別連 接的車體。
6.如權(quán)利要求5所述的履帶式行走機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述履帶的內(nèi)圈附著有一層厚 度在0. 01-0. 5mm范圍內(nèi)的薄鋼片。
7.如權(quán)利要求5所述的履帶式行走機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述銷釘穿過履帶驅(qū)動(dòng)裝置中 框架結(jié)構(gòu)的其中一組對(duì)邊桿的縱振節(jié)面。
8.一種使用如權(quán)利要求1所述履帶驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)履帶的方法，其特征在于，向所述壓 電單元施加與所述框架結(jié)構(gòu)兩種振動(dòng)模態(tài)同頻的交流電壓，使所述框架結(jié)構(gòu)的兩種振動(dòng)模態(tài)得到激發(fā)，并使兩種振動(dòng)在時(shí)間上具有^相位差。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種履帶驅(qū)動(dòng)裝置及方法，屬于超聲電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，該履帶驅(qū)動(dòng)裝置包括一個(gè)框架結(jié)構(gòu)及固定在該框架結(jié)構(gòu)上的壓電單元；所述框架結(jié)構(gòu)由四個(gè)圓環(huán)和四根桿固定連接而成，四個(gè)圓環(huán)的圓心分別位于四根桿組成的平行四邊形的頂點(diǎn)處；所述框架結(jié)構(gòu)具有兩種同頻的振動(dòng)模態(tài)，分別由框架結(jié)構(gòu)的兩組對(duì)邊桿的縱向振動(dòng)模式激發(fā)，兩個(gè)模態(tài)在四個(gè)圓環(huán)上呈現(xiàn)同階且正交的面內(nèi)彎振振型；當(dāng)通過壓電單元激發(fā)兩種模態(tài)以或相位差振動(dòng)時(shí)，四個(gè)圓環(huán)產(chǎn)生同向面內(nèi)彎曲行波，通過摩擦驅(qū)動(dòng)張緊在框架上的履帶產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明還公開了一種履帶式行走機(jī)構(gòu)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)探月工程或其它空間探測計(jì)劃具有重要意義。
文檔編號(hào)H02N2/06GK101964600SQ20101051427
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者張建輝, 楊穎 , 金家楣, 錢富 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)