本發(fā)明涉及壓電驅(qū)動(dòng)及機(jī)器人領(lǐng)域，具體是一種貼片式壓電二自由度機(jī)械臂及其驅(qū)動(dòng)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著人類(lèi)探索太空的深入，對(duì)太空中進(jìn)行維修、裝配和操作的需求日益增加。太空機(jī)械臂作為一種靈活的工具，可以執(zhí)行各種任務(wù)，如衛(wèi)星維修、空間站組裝、貨物搬運(yùn)等，因此受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)太空機(jī)械臂通常使用液壓或電動(dòng)馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)源，通過(guò)液壓系統(tǒng)或電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，而在外太空中，溫度變化幅度大無(wú)規(guī)律，溫度變化可能導(dǎo)致材料膨脹和收縮，從而影響機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和性能。太空中幾乎是真空，缺乏大氣層的支撐和阻力，這意味著機(jī)械臂在太空中運(yùn)行時(shí)不會(huì)受到空氣阻力的影響，無(wú)需考慮潤(rùn)滑油揮發(fā)和材料老化等問(wèn)題。

2、近年來(lái)逐步興起的利用壓電驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂，利用異型模態(tài)的耦合作為驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中由于需要進(jìn)行模態(tài)頻率一致性調(diào)節(jié),工作量大且復(fù)雜，并且對(duì)結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸提出了諸多限制，難以實(shí)現(xiàn)系列化，模塊化設(shè)計(jì)，且這類(lèi)壓電作動(dòng)器在工作過(guò)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(jī)械臂驅(qū)動(dòng)性能下降。

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

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，提供了一種貼片式壓電二自由度機(jī)械臂及其驅(qū)動(dòng)方法，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易于實(shí)現(xiàn)微型化?；趬弘娞沾沈?qū)動(dòng)的機(jī)械臂，不需要潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，體型小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，不受電磁干擾，能斷電自鎖，控制精度高。

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

3、第一方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種貼片式壓電二自由度機(jī)械臂，所述貼片式壓電二自由度機(jī)械臂由至少2個(gè)依次相連的單元臂節(jié)組成，各個(gè)單元臂節(jié)之間通過(guò)連接組件相連；每個(gè)單元臂節(jié)包括兩個(gè)壓電振子和兩個(gè)關(guān)節(jié)部分；壓電振子包括：第一金屬基體和壓電驅(qū)動(dòng)組件；第一金屬基體兩端打通孔，第一金屬基體中心兩側(cè)設(shè)有完全對(duì)稱(chēng)矩形貼片槽；每個(gè)單元臂節(jié)兩端的兩螺釘?shù)耐饴菁y兩端外螺紋依次穿過(guò)墊圈、壓電振子處的第一圓孔，而后通過(guò)螺釘與定子基體外側(cè)的內(nèi)螺紋配合實(shí)現(xiàn)壓電振子與關(guān)節(jié)部分的組裝固連；壓電驅(qū)動(dòng)組件從左向右依次安裝了：第一壓電陶瓷片、第二壓電陶瓷片、第三壓電陶瓷片、第四壓電陶瓷片；每個(gè)壓電振子上的第一金屬基體接地，第二電極片和第四電極片通過(guò)電源輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)；關(guān)節(jié)部分由關(guān)節(jié)基體、螺釘和墊圈組成，單元臂節(jié)兩端關(guān)節(jié)部分中的一個(gè)配有壓片彈簧，關(guān)節(jié)基體為異形圓截面半圓箍形結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)基體兩側(cè)設(shè)有通孔；一單元臂節(jié)未配有壓片彈簧一端關(guān)節(jié)部分與另一單元臂節(jié)配有壓片彈簧一端關(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，壓片彈簧起到施加預(yù)壓力的作用；兩正交布置的關(guān)節(jié)基體通過(guò)螺釘及墊圈連接定位并與各自單元臂節(jié)的兩壓電振子固定；螺釘外螺紋處與壓電振子通孔間隙配合；壓電振子通孔處與定子基體外側(cè)打孔處內(nèi)螺紋通過(guò)螺釘連接；壓電振子打孔處無(wú)需螺紋，關(guān)節(jié)基體打孔處設(shè)有內(nèi)螺紋，通過(guò)螺釘連接；關(guān)節(jié)基體內(nèi)側(cè)處設(shè)有與壓片彈簧相對(duì)應(yīng)的矩形挖槽。

4、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)的矩形的壓電陶瓷片；在所述單分區(qū)的圓形的壓電陶瓷片中，相鄰兩壓電陶瓷片極化方向相反，每個(gè)關(guān)節(jié)兩側(cè)的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?yàn)檎?，則第二壓電陶瓷片為負(fù)，若第三壓電陶瓷片極化方向?yàn)樨?fù)，第四壓電陶瓷片極化方向?yàn)檎?，反之同理?/p>

5、第一壓電陶瓷片與第一矩形貼片槽貼合；第二壓電陶瓷片與第二矩形貼片槽貼合；第三壓電陶瓷片與第三矩形貼片槽貼合；第四壓電陶瓷片與第四矩形貼片槽貼合。

6、位于單元臂節(jié)兩端的兩螺釘?shù)耐饴菁y依次穿過(guò)墊圈、壓電振子處的第一圓孔孔，而后通過(guò)螺釘與定子基體外側(cè)的內(nèi)螺紋配合實(shí)現(xiàn)壓電振子與關(guān)節(jié)部分的組裝固連。

7、壓電驅(qū)動(dòng)組件采用防水膠進(jìn)行絕緣處理。

8、第二方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種貼片式壓電二自由度機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)過(guò)程，包括：

9、對(duì)單元臂節(jié)上兩壓電振子的壓電驅(qū)動(dòng)組件的第一壓電陶瓷片和第二壓電陶瓷片施加簡(jiǎn)諧驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)單元臂節(jié)的第三壓電陶瓷片、第四壓電陶瓷片施加和所述第一簡(jiǎn)諧驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同頻率且具有π/2時(shí)間相位差的第二簡(jiǎn)諧驅(qū)動(dòng)信號(hào)，激勵(lì)出第一、第二壓電振子兩個(gè)時(shí)間和空間相互正交的一階縱振模態(tài)，使被施加簡(jiǎn)諧驅(qū)動(dòng)信號(hào)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)基接觸的各點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)。

10、分別對(duì)相鄰單元臂節(jié)的兩個(gè)壓電振子施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(dòng)；對(duì)兩個(gè)單元臂節(jié)的壓電振子分別施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，觸發(fā)兩個(gè)單元臂節(jié)在正交平面內(nèi)的二自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，其中，單元臂節(jié)和相鄰單元臂節(jié)在空間上正交。

11、本發(fā)明有益效果在于：

12、1、針對(duì)傳統(tǒng)電磁和液壓機(jī)驅(qū)動(dòng)械臂存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制精度低問(wèn)題，本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)微型化，且壓電驅(qū)動(dòng)原理的斷電自鎖效應(yīng)使得本發(fā)明的機(jī)械臂控制精度高。

13、2、相對(duì)于其他的壓電作動(dòng)的機(jī)械臂，由于壓電振子利用一階縱振單模態(tài)作為驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)，無(wú)需進(jìn)行異型模態(tài)的頻率一致性調(diào)節(jié)，減少了對(duì)機(jī)械臂設(shè)計(jì)尺寸形狀等的限制，更易于實(shí)現(xiàn)系列化，模塊化的設(shè)計(jì)，且隨工程應(yīng)用場(chǎng)景的不同，機(jī)械臂的可調(diào)整尺寸多，工程應(yīng)用性強(qiáng)，具有重要的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種貼片式壓電二自由度機(jī)械臂，其特征在于：包括至少2個(gè)依次相連的單元臂節(jié)，相鄰單元臂節(jié)之間通過(guò)關(guān)節(jié)部分（5）相連，每個(gè)單元臂節(jié)包括兩個(gè)壓電振子（4）和兩個(gè)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所述的貼片式壓電二自由度機(jī)械臂，其特征在于：所述第一金屬基體（4.1）為完全軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，第一金屬基體（4.1）兩端分別開(kāi)有第一圓孔（4.1.1）與第二圓孔（4.1.2），第一圓孔（4.1.1）與第二圓孔（4.1.2）孔徑孔深完全相同；第一矩形貼片槽（4.2.5）與第二矩形貼片槽（4.2.6）尺寸完全相同，位于第一金屬基體（4.1）中心處。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的貼片式壓電二自由度機(jī)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)的矩形的壓電陶瓷片，其中，每個(gè)關(guān)節(jié)兩側(cè)的兩壓電陶瓷片極化方向相反。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的貼片式壓電二自由度機(jī)械臂，其特征在于：所述單元臂節(jié)上從左到右四個(gè)矩形貼片槽依次為第一矩形貼片槽（4.2.5）、第二矩形貼片槽（4.2.6）、第三矩形貼片槽（4.2.7）、第四矩形貼片槽（4.2.8）；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的貼片式壓電二自由度機(jī)械臂，其特征在于：位于單元臂節(jié)兩端的兩螺釘（5.2）的外螺紋依次穿過(guò)墊圈（5.3）、壓電振子（4）處的第一圓孔（4.1.1）孔，而后通過(guò)螺釘（5.2）與定子基體（5.1）外側(cè)的通孔內(nèi)螺紋（5.1.1）配合實(shí)現(xiàn)壓電振子（4）與關(guān)節(jié)部分（5）的組裝固連。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的貼片式壓電二自由度機(jī)械臂，其特征在于：所述壓電驅(qū)動(dòng)組件（4.2）采用防水膠進(jìn)行絕緣處理。

7.一種權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述貼片式壓電二自由度機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于包括以下步驟：對(duì)單元臂節(jié)上兩壓電振子（4）的壓電驅(qū)動(dòng)組件（4.2）的第一壓電陶瓷片（4.2.1）和第二壓電陶瓷片（4.2.2）施加第一簡(jiǎn)諧驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)單元臂節(jié)的第三壓電陶瓷片（4.2.3）、第四壓電陶瓷片（4.2.4）施加和所述第一簡(jiǎn)諧驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同頻率且具有π/2時(shí)間相位差的第二簡(jiǎn)諧驅(qū)動(dòng)信號(hào)，激勵(lì)出第一、第二壓電振子兩個(gè)時(shí)間和空間相互正交的一階縱振模態(tài)，使被施加簡(jiǎn)諧驅(qū)動(dòng)信號(hào)的壓電振子（4）的單元臂節(jié)關(guān)節(jié)基體（5.1）與其相鄰串聯(lián)的單元臂節(jié)的關(guān)節(jié)基（5.1）接觸的各點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)。

8.根據(jù)權(quán)利要求8所述貼片式壓電二自由度機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于：對(duì)于同一單元臂節(jié)的兩個(gè)壓電振子施加的簡(jiǎn)諧驅(qū)動(dòng)信號(hào)為具有π/2時(shí)間相位差的特定頻率的簡(jiǎn)諧驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其中，所述特定頻率為預(yù)設(shè)的頻率值，同時(shí)激勵(lì)出兩個(gè)壓電振子（4）的時(shí)間上具有π/2相位差的一階縱振模態(tài)。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述貼片式壓電二自由度機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于：分別對(duì)相鄰單元臂節(jié)的兩個(gè)壓電振子（4）施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(dòng)；對(duì)兩個(gè)單元臂節(jié)的壓電振子（4）分別施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，觸發(fā)兩個(gè)單元臂節(jié)在正交平面內(nèi)的二自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，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)明提供了一種貼片式壓電二自由度機(jī)械臂及其驅(qū)動(dòng)方法，涉及壓電驅(qū)動(dòng)及機(jī)器人領(lǐng)域，包括機(jī)械臂包括若干個(gè)依次相連的單元臂節(jié)；每個(gè)單元臂節(jié)包括兩個(gè)壓電振子及兩個(gè)關(guān)節(jié)部分；相鄰單元臂節(jié)的關(guān)節(jié)部分空間位置相互正交，通過(guò)單元臂節(jié)間關(guān)節(jié)部分實(shí)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。本發(fā)明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易于實(shí)現(xiàn)微型化。基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂，不需要潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，體型小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，不受電磁干擾，能斷電自鎖，控制精度高。

技術(shù)研發(fā)人員：張一馳,王澤,蔡洛峰,葉海洋,卞侃,金家楣
受保護(hù)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