專利名稱：履帶驅(qū)動裝置及履帶式行走機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種履帶驅(qū)動裝置、方法及履帶式行走機構(gòu)，尤其涉及一種壓電驅(qū)動的履帶驅(qū)動裝置、方法及履帶式行走機構(gòu)，屬于超聲電機技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的履帶行走系統(tǒng)的履帶由電磁電機或內(nèi)燃機等動力裝置經(jīng)齒輪和凸輪等傳動機構(gòu)驅(qū)動，結(jié)構(gòu)復雜、不利于小型化；傳動鏈長、效率低、可靠性差；運動間隙帶來空程和傳動機構(gòu)的彈性變形導致運動滯后和隨動性差。超聲電機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，并通過定、動子之間的摩擦將其轉(zhuǎn)換成動子的回轉(zhuǎn)或直線運動的新型電機，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)能力強等優(yōu)點。如果能夠利用超聲電機的原理來進行履帶行走系統(tǒng)的驅(qū)動，則可以克服上述傳統(tǒng)履帶行走系統(tǒng)的缺點。但目前尚未發(fā)現(xiàn)類似應(yīng)用。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(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)性強的履帶驅(qū)動裝置。本實用新型的思路是根據(jù)超聲電機的基本原理，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，經(jīng)摩擦作用直接驅(qū)動壓在其外部的履帶，實現(xiàn)履帶的運動及方向控制。本實用新型的履帶驅(qū)動裝置包括一個框架結(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)由四個圓環(huán)和四根桿固定連接而成，四個圓環(huán)的圓心分別位于四根桿組
成的平行四邊形的頂點處；所述框架結(jié)構(gòu)具有兩種同頻的振動模態(tài)，一種振動模態(tài)在所述
框架結(jié)構(gòu)的一組對邊桿上呈現(xiàn)同階且為奇數(shù)的反對稱縱振振型；另一種振動模態(tài)在所述框
架結(jié)構(gòu)的另外一組對邊桿上呈現(xiàn)同階且為奇數(shù)的反對稱縱振振型，這兩種振動模態(tài)在所述
框架結(jié)構(gòu)的四個圓環(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角的角度 90
θ滿足0 = VxX，其中N為所述圓環(huán)的面內(nèi)彎振振型階數(shù)，K為在區(qū)間[Ν，2Ν)中取值
的一個奇數(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)的兩種振動模態(tài)，框架結(jié)構(gòu)的每組對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)兩種振動模態(tài)同頻的交流電壓，使所述
框架結(jié)構(gòu)的兩種振動模態(tài)得到激發(fā)，并使兩種振動在時間上具有f相位差。此時，兩種振
動模態(tài)分別在圓環(huán)上呈現(xiàn)同階的面內(nèi)彎振型，這兩個面內(nèi)彎振型可以疊加出一個沿圓環(huán)行進的同向面內(nèi)彎曲行波，由于面內(nèi)彎曲行波的存在，使得圓環(huán)外壁的每一個質(zhì)點產(chǎn)生微幅橢圓運動。四個圓環(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)點由于沿著微幅橢圓軌跡運動，在摩擦作用下即可推動履帶運動。當需反向行駛時，僅需要調(diào)整交流電壓，使兩種振動的相位差變?yōu)開f即可。本實用新型的履帶式行走機構(gòu)，包括兩個上述履帶驅(qū)動裝置、分別張緊在所述履帶驅(qū)動裝置上并與所述履帶驅(qū)動裝置四個圓環(huán)的外圈緊密接觸的履帶、以及位于兩個履帶驅(qū)動裝置之間并與兩個履帶驅(qū)動裝置通過銷釘分別連接的車體。相比現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有以下優(yōu)點一、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、整個裝置中的多個熱源(壓電單元和摩擦界面)間的距離較為分散，這對于熱平衡，緩減熱應(yīng)力都有好處，對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為本實用新型的履帶驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型的履帶驅(qū)動裝置中框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型的履帶驅(qū)動裝置的四個圓環(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；圖4為本實用新型具體實施方式
中所述履帶驅(qū)動裝置工作狀態(tài)下兩種振動模態(tài)示意圖，其中(a)圖為水平桿的3階反對稱縱振振型，(b)圖為斜桿的1階反對稱縱振振型；圖5為本實用新型具體實施方式
中所述履帶驅(qū)動裝置中壓電單元安裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本實用新型具體實施方式
中所述履帶式行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本實用新型具體實施方式
中所述履帶式行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)爆炸圖；圖8為本實用新型的履帶驅(qū)動裝置驅(qū)動履帶的原理示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的技術(shù)方案進行詳細說明本實用新型的履帶驅(qū)動裝置，如附圖1所示，包括一個框架結(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由四個圓環(huán)和四根桿固定連接而成，四個圓環(huán)的圓心分別位于四根桿組成的平行四邊形的頂點處。本實用新型技術(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)的其中一組對邊桿的縱振激勵，另一種面內(nèi)彎振模態(tài)由框架結(jié)構(gòu)的另外一組對邊桿的縱振激勵。為使四個圓環(huán)上疊加形成的面內(nèi)彎行波同向，兩組對邊桿的縱振振型的設(shè)計也有一定的要求其中一組對邊桿選擇彼此同階且為奇數(shù)的反對稱縱振振型，另外一組對邊桿也選擇彼此同階且為奇數(shù)的反對稱縱振振型，兩組對邊桿之間振型的階數(shù)可以相同也可以不同，這兩種振動模態(tài)在所述框架結(jié)構(gòu)的四個圓環(huán)處呈現(xiàn)同階的面內(nèi)彎振振型。[0025]此外，對于確定的N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)N個波峰和波谷，一個波長具有360/N度的圓周角。對圓環(huán)而言，能疊加出面內(nèi)彎行波的一個前提是兩種面內(nèi)彎振振型在空間上正交，即相差η/2的相位，亦即圓環(huán)的兩種面內(nèi)彎振振型在空間上應(yīng)相差90/Ν度的相位。因此，平行四邊形的夾角需滿足一定的關(guān)系，下面對其進行簡要分析本實用新型的履帶驅(qū)動裝置中的框架結(jié)構(gòu)存在四個夾角，如圖2所示，分別記為 θρ θ2、θ3、θ4。首先分析用水平桿縱振激勵的情況對于結(jié)構(gòu)中的A環(huán)，由于采用水平桿縱振激勵，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Q1 e [90，180)。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f相位，另一種面內(nèi)彎振振型用斜桿的縱振激
勵，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 η /2相位的角度上，及θ工=90/ΝXM1 (N為圓環(huán)面內(nèi)彎振振型的階數(shù)，M1為自然數(shù))，為保
證與波峰差f相位，M1還必須為奇數(shù)。由于水平桿采用奇數(shù)階的縱振振型，則此時，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)相對應(yīng)的夾角θ2應(yīng)滿足θ2 = 90/ΝΧΜ2，其中 M2為奇數(shù)。由于上下兩根水平桿的振型是反對稱的，因此，C環(huán)與水平桿的連接處處在波谷的位置，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93、94應(yīng)滿足 θ 3 = 90/ΝXM3, θ 4 = 90/NXM4，其中 M3、M4 為奇數(shù)。根據(jù)平行四邊形的性質(zhì)有
'θχ +θ2 =180"110 0"-M1 _ θ, + θ, =18010 10M711 3 =i>=2N6>3 +θ4 =1800 0 11M31θ2 +^4 =1800 10 1M4 _1 其通解為
Χ _“1 ““0 “M7-1rIN=K+M3-1rINM4 _10
由假設(shè)可知
90 幺 90/TV XM1 <180 M1 e [ TV, 27V)，并為奇數(shù)
由上式結(jié)果可知平行四邊形的其中一個角的角度θ需要滿足
η 90 ^
θ = — χ足，其 N
中N為所述圓環(huán)的面內(nèi)彎振振型階數(shù)，K為在區(qū)間[Ν，2Ν)中取值的一個奇數(shù)。由此可見， 對于具有N階面內(nèi)彎振振型的確定的圓環(huán)，水平桿與斜桿之間的夾角關(guān)系并不是唯一確定的。對于另一種用斜對邊桿的縱振來激勵的結(jié)構(gòu)振型只需將A、B環(huán)的振型按逆時針旋轉(zhuǎn)90/Ν的相位，將C、D環(huán)的振型按順時針旋轉(zhuǎn)90/Ν的相位，就可得到，并滿足要求。根據(jù)以上分析可知，本實用新型的履帶驅(qū)動裝置中的框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)在振型設(shè)計上其實是一個組合，圓環(huán)的面內(nèi)彎振振型階數(shù)決定了平行四邊形的夾角，且并不唯一；水平對邊桿和斜對邊桿的縱振振型分別滿足奇數(shù)階及反對稱即可。因此，可根據(jù)實際需要設(shè)計出不同的履帶驅(qū)動裝置。為方便說明，以下僅以圓環(huán)的3階面內(nèi)彎振、水平桿的3階縱振和斜桿的1階縱振的組合為例進一步闡述本實用新型的履帶驅(qū)動裝置的工作原理及具體實施方案。根據(jù)以上分析可知，此時K的取值為[3，6)中的奇數(shù)，有兩個3和5，對應(yīng)的θ工可選取的角度分別為90°和150°。這里又僅以Q1 = 150°的情況為例加以說明。此時，框架結(jié)構(gòu)的一種振動模態(tài)如圖4 (a)所示，上下兩根水平桿呈現(xiàn)反對稱的3階縱振振型，上邊伸長的時候，下邊則縮短，在兩根水平桿上共有六個縱振節(jié)面，即圖4中的E、F、G、H、I、J截面，此時，四個圓環(huán)呈現(xiàn)3階面內(nèi)彎振振型，其中C環(huán)的一個波峰與水平成60° ；圖4(b)為框架結(jié)構(gòu)的另一種振動模態(tài)，左、右斜桿呈現(xiàn)反對稱的1階縱振振型，此時，四個圓環(huán)也呈現(xiàn)3階面內(nèi)彎振振型，與前者不同的是，C環(huán)的一個波峰與水平成30°。四個圓環(huán)處的振型都差30°，即在
空間上滿足f的相位差。本實施例中四個圓環(huán)的兩種振動模態(tài)的振型在空間上已相差*的相位，為達到在圓環(huán)上兩種振動疊加形成同向面內(nèi)彎曲行波的目的，還要求這兩種振動在時間上滿足 f的相位差，此時，可向壓電單元施加與所述框架結(jié)構(gòu)兩種振動模態(tài)同頻的交流激勵電壓，
使所述框架結(jié)構(gòu)設(shè)定的這兩種振動在時間上相差f的相位。本實施例中，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效應(yīng)，即其極化方向和振動方向垂直；為了減小對金屬框架振動模態(tài)的影響，及使激勵效果最大化，將壓電陶瓷片以兩片一組的方式對稱地粘貼在各條邊的縱振節(jié)面處兩側(cè)；為了便于施加激勵電壓，降低整個裝置的復雜度，，每組中的兩片矩形壓電陶瓷片按照相反的極化方向粘貼(極化方向同時向里或向外，如附圖5所示)，此外，將每兩條對邊上的矩形壓電陶瓷片按照相反的極化方向粘貼(一條邊上的壓電陶瓷片極化方向同時向里或向外，此時其對邊上的壓電陶瓷片極化方向同時向外或向里， 如附圖5所示)，然后在一組對邊的壓電晶片上施加一路交流電壓激勵信號Vsin(Cot)，其中，V為電壓值，ω為交流電壓的頻率，它與框架結(jié)構(gòu)兩種振動模態(tài)的頻率相同，t為時間； 在另外一組對邊的壓電晶片上施加另一路交流激勵電壓+妁，其中，ρ為兩路信號
的相位差，取值為f;彈性金屬框架接地。當對壓電陶瓷片施加上述交流電壓時，壓電陶瓷片由于逆壓電效應(yīng)發(fā)生微幅振動，將框架結(jié)構(gòu)的兩種設(shè)定的振動模態(tài)同時激勵出來，此時，上下兩根水平桿呈現(xiàn)反對稱的 3階縱振振型，左、右斜桿呈現(xiàn)反對稱的1階縱振振型，并分別在每個圓環(huán)上呈現(xiàn)出一個3 階面內(nèi)彎振振型，每個圓環(huán)上的兩個3階面內(nèi)彎振振型在空間上滿足正交的條件，在時間
上相位相差f，因而可以疊加形成同向面內(nèi)彎曲行波；當面內(nèi)彎曲行波在圓環(huán)上傳播時，
圓環(huán)外壁的每一個質(zhì)點產(chǎn)生微幅橢圓運動。四個圓環(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)點由于沿著微幅橢圓軌跡運動，在摩擦作用下即可推動履帶運動。當兩路電壓信號的相位差-由f改為_f時，圓環(huán)處疊加出的面內(nèi)彎曲行波將反向，從而驅(qū)動履帶向反方向運動。本實用新型的履帶式行走機構(gòu)，包括兩個上述履帶驅(qū)動裝置、分別張緊在所述履帶驅(qū)動裝置上并與所述履帶驅(qū)動裝置四個圓環(huán)的外圈緊密接觸的履帶、以及位于兩個履帶驅(qū)動裝置之間并與兩個履帶驅(qū)動裝置通過銷釘分別連接的車體。整個履帶式行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如附圖6及附圖7所示，其中1為框架結(jié)構(gòu)，2為壓電單元，3為履帶，5為銷釘，6為車體， 7為與銷釘配套使用的墊圈。為了提高履帶與框架結(jié)構(gòu)之間的摩擦驅(qū)動效果，可以在履帶內(nèi)圈附著一層薄鋼片 4，薄鋼片4的厚度在0. 01-0. 5mm范圍內(nèi)，從而在不影響履帶柔性的條件下，提高履帶內(nèi)表面的硬度。優(yōu)選地，所述連接車體與履帶驅(qū)動裝置的銷釘穿過履帶驅(qū)動裝置中框架結(jié)構(gòu)的其中一組對邊桿的縱振節(jié)面，從而降低對振動模態(tài)的影響。當對壓電單元施加激勵電壓時，框架結(jié)構(gòu)中的每個圓環(huán)疊加形成同向面內(nèi)彎曲行波；當面內(nèi)彎曲行波在圓環(huán)上傳播時，將使圓環(huán)發(fā)生彈性變形，使圓環(huán)外壁上的每一個質(zhì)點都沿著各自的橢圓軌跡運動。當圓環(huán)上的一個波峰行進到接觸區(qū)域時，即接觸區(qū)域的某些質(zhì)點運動到橢圓形軌跡的頂端時，如附圖8所示(圖中1為框架結(jié)構(gòu)，2為壓電單元，3為履帶，4為薄鋼片)，此時K點附近的質(zhì)點都具有一定的切向速度，同時點K處由于與履帶接觸必然伴有摩擦力，切向速度和摩擦力的存在就可推動履帶運動。隨著波峰在接觸區(qū)域行進， 接觸區(qū)域的質(zhì)點將呈現(xiàn)交替推動履帶的工作方式。本實用新型的履帶驅(qū)動裝置及履帶式行走機構(gòu)利用壓電驅(qū)動的框架結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)的電機及多齒輪傳動機構(gòu)，在充分發(fā)揮超聲電機優(yōu)勢的同時，進一步精簡機構(gòu)、縮短傳動鏈，使可靠性、可控性、驅(qū)動效率得以進一步提高，且未使用軸承、導軌等運動部件，因而無空程現(xiàn)象，尤其無需潤滑劑，避免了在真空或氣體稀薄環(huán)境潤滑劑揮發(fā)問題，適于苛刻環(huán)境下的使用，尤其對探月工程或其它空間探測計劃具有重要意義。
權(quán)利要求1.一種履帶驅(qū)動裝置，其特征在于，包括一個框架結(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)由四個圓環(huán)和四根桿固定連接而成，四個圓環(huán)的圓心分別位于四根桿組成的平行四邊形的頂點處；所述框架結(jié)構(gòu)具有兩種同頻的振動模態(tài)，一種振動模態(tài)在所述框架結(jié)構(gòu)的一組對邊桿上呈現(xiàn)同階且為奇數(shù)的反對稱縱振振型；另一種振動模態(tài)在所述框架結(jié)構(gòu)的另外一組對邊桿上呈現(xiàn)同階且為奇數(shù)的反對稱縱振振型，這兩種振動模態(tài)在所述框架結(jié)構(gòu)的四個圓環(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角的角度5滿足其中為所述圓環(huán)的面內(nèi)彎振振型階數(shù)J為在區(qū)間[J^2,)中取值的一個奇數(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)的兩種振動模態(tài)，框架結(jié)構(gòu)的每組對邊桿中至少有一根固定有至少一片所述壓電材料。
2.如權(quán)利要求1所述的履帶驅(qū)動裝置，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效應(yīng)。
3.如權(quán)利要求2所述的履帶驅(qū)動裝置，其特征在于，矩形壓電陶瓷片以兩片一組的方式對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)動裝置的履帶式行走機構(gòu)，其特征在于，包括兩個履帶驅(qū)動裝置、分別張緊在所述履帶驅(qū)動裝置上并與所述履帶驅(qū)動裝置四個圓環(huán)的外圈緊密接觸的履帶、以及位于兩個履帶驅(qū)動裝置之間并與兩個履帶驅(qū)動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構(gòu)，其特征在于，所述銷釘穿過履帶驅(qū)動裝置中框架結(jié)構(gòu)的其中一組對邊桿的縱振節(jié)面。
專利摘要本實用新型公開了一種履帶驅(qū)動裝置，屬于超聲電機技術(shù)領(lǐng)域，該履帶驅(qū)動裝置包括一個框架結(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)由四個圓環(huán)和四根桿固定連接而成，四個圓環(huán)的圓心分別位于四根桿組成的平行四邊形的頂點處；所述框架結(jié)構(gòu)具有兩種同頻的振動模態(tài)，分別由框架結(jié)構(gòu)的兩組對邊桿的縱向振動模式激發(fā)，兩個模態(tài)在四個圓環(huán)上呈現(xiàn)同階且正交的面內(nèi)彎振振型；當通過壓電單元激發(fā)兩種模態(tài)以或相位差振動時，四個圓環(huán)產(chǎn)生同向面內(nèi)彎曲行波，通過摩擦驅(qū)動張緊在框架上的履帶產(chǎn)生運動。本實用新型還公開了一種履帶式行走機構(gòu)。本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、適應(yīng)性強等優(yōu)點，對探月工程或其它空間探測計劃具有重要意義。
文檔編號H02N2/06GK201937497SQ201020570338
公開日2011年8月17日 申請日期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 申請人:南京航空航天大學