本發(fā)明提出了一種夾心式壓電驅動四輪行星探測機器人及其工作方法，屬于壓電驅動技術和行星探測機器人技術領域。

背景技術：
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輪式結構的移動系統(tǒng)作為目前行星探測機器人最青睞的系統(tǒng)，一直在結構設計和驅動方式上進行各種新的嘗試。鏤空拓撲結構的車輪設計、高性能的電磁電機的研究等不斷使得輪式行星探測機器人朝著智能化、微型化方向發(fā)展。但是，采用電磁電機來驅動車輪始終需要借助減速機構來實現(xiàn)運動控制，因此無法完全消除冗余機構實現(xiàn)輕巧化。中國的玉兔月球車采用六輪的移動系統(tǒng)方案，雖然已成功登月并在月球表面留下了足跡，但在第二次月夜休眠之前出現(xiàn)了機構控制異常，整個月球車都無法實現(xiàn)移動，經過地面科研人員的搶修被喚醒，但是仍然無法移動，截止目前為止，玉兔號月球車的移動系統(tǒng)仍處于癱瘓狀態(tài)。雖然六輪結構的移動系統(tǒng)有著機動性能優(yōu)異以及越障性能好的特性，但是復雜的驅動機構仍然是其應用的壁壘。若能采用單一的驅動源實現(xiàn)多輪協(xié)同驅動，并且避免使用減速機構等裝置，不僅大大減小了整個機器人系統(tǒng)的結構復雜程度，同時也降低了控制系統(tǒng)的復雜程度。夾心式壓電換能器作為一種電能轉換至機械能的器件，在作動器領域被廣泛應用，最典型的就是直線型超聲電機。本發(fā)明以精簡機構、降低控制系統(tǒng)復雜程度、提高系統(tǒng)可靠度和實現(xiàn)微型化為目標，提出了基于逆壓電效應和摩擦作用驅動的夾心式壓電驅動四輪行星探測機器人及其工作方法，可實現(xiàn)輪式移動系統(tǒng)的結構緊湊、簡單、控制系統(tǒng)簡單、直接驅動、無電磁干擾、易于小型化等特點，并且可在月面或者火星表面等極端環(huán)境下工作。

技術實現(xiàn)要素：
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針對傳統(tǒng)機器人移動系統(tǒng)需要復雜的傳動和減速機構致使其難以實現(xiàn)小型化設計的問題，本發(fā)明提出了一種夾心式壓電驅動四輪行星探測機器人及其工作方法，利用壓電材料的逆壓電效應將電能轉化為機械能，依靠摩擦作用直接驅動車輪旋轉，不需要復雜的傳動和減速機構，結構簡單緊湊，易于實現(xiàn)小型化。

本發(fā)明采用如下技術方案：一種夾心式壓電驅動四輪行星探測機器人，包括矩形框架結構、驅動螺栓和車輪組件；所述矩形框架結構包括第一縱振梁、第二縱振梁、第一彎振梁、第二彎振梁、連接梁以及安裝螺栓，所述第一縱振梁和第二縱振梁平行設置，并且兩端與第一彎振梁、第二彎振梁通過安裝螺栓正交固定，所述第一縱振梁和第二縱振梁安裝在第一彎振梁和第二彎振梁的振動節(jié)點位置，連接梁安裝在第一縱振梁和第二縱振梁對應的振動節(jié)點位置，并且與第一彎振梁和第二彎振梁平行；所述驅動螺栓通過螺紋連接設置在第一彎振梁和第二彎振梁的兩端，所述驅動螺栓設置有兩個用于安裝與驅動車輪組件的驅動斜面；所述車輪組件包括兩片車輪、若干個調節(jié)螺栓和若干根彈簧，所述調節(jié)螺栓和彈簧將兩片車輪固定在驅動螺栓的兩個驅動斜面，調節(jié)彈簧的伸長長度以調節(jié)兩片車輪與驅動螺栓的驅動斜面之間的預壓力。

進一步地，所述連接梁包括有兩根，所述第一縱振梁和第二縱振梁均由兩根一端設置有連續(xù)變截面、另一端設置有凸出螺栓的端部圓柱、兩端設有螺紋孔的中間圓柱和若干設有中心孔的圓形縱振壓電陶瓷片組成，其中一個端部圓柱的連續(xù)變截面端與第一彎振梁或第二彎振梁連接，凸出螺栓端分別依次通過連接梁和一組縱振壓電陶瓷片的中心孔固定在中間圓柱的一端螺紋孔內，另一根端部圓柱的凸出螺栓端沿著相反的方向依次通過另外一根連接梁和另一組縱振壓電陶瓷片的中心孔固定在中間圓柱的另一端螺紋孔內。

進一步地，一組縱振壓電陶瓷片由兩片沿厚度方向極化且極化方向相反的圓形帶孔壓電陶瓷片組成，所述第一縱振梁上的兩組縱振壓電陶瓷片的極化方向相反，所述第二縱振梁上的兩組縱振壓電陶瓷片的極化方向相反，所述第一縱振梁和第二縱振梁對應位置設置的縱振壓電陶瓷片的極化方向相同。

進一步地，所述第一彎振梁或者第二彎振梁由端部設置有連續(xù)變截面和螺紋孔、中間部分上下表面均設置有矩形凹槽的矩形梁、四組彎振壓電陶瓷片和預緊裝置組成，四組彎振壓電陶瓷片通過預緊裝置固定在矩形凹槽內，并且位于矩形凹槽的兩端。

進一步地，一組彎振壓電陶瓷片由兩片沿著厚度方向極化且極化方向相反的矩形壓電陶瓷片組成。

進一步地，所述預緊裝置包括兩塊沿厚度方向設置有螺紋孔的梯形鍥形塊、四塊輔助鍥形塊和一個預緊螺栓組成，其中一塊梯形鍥形塊與兩塊輔助鍥形塊配合構成一個矩形塊；所述矩形塊與設置在其兩端的兩組彎振壓電陶瓷片填滿矩形梁的矩形凹槽，位于矩形梁上表面的矩形凹槽與位于下表面的矩形凹槽對應位置設置的彎振壓電陶瓷片的極化方向相反。

本發(fā)明還采用如下技術方案：一種夾心式壓電驅動四輪行星探測機器人的工作方法，包括如下步驟：

1)對4組縱振壓電陶瓷片施加第一簡諧電壓信號激勵出第一縱振梁和第二縱振梁的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)，即第一縱振梁和第二縱振梁的一端伸長而另一端縮短，此時第一彎振梁和第四彎振梁將隨著第一縱振梁和第二縱振梁的縱向伸長或者縮短而水平向前或者向后剛性平移，即端部的驅動螺栓沿著第一縱振梁和第二縱振梁的伸長或者縮短方向水平剛性平移；

2)對第一彎振梁和第二彎振梁上的8組彎振壓電陶瓷片同時施加第二簡諧電壓信號，激勵出第一彎振梁和第二彎振梁的2n+1(n≥0，n為整數(shù))階彎曲振動模態(tài)，振動方向垂直于水平面，即第一彎振梁和第二彎振梁上設置的驅動螺栓同時做垂直于水平方向的運動，因此第一縱振梁和第二縱振梁上的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)和第一彎振梁和第二彎振梁的2n+1(n≥0，n為整數(shù))階彎曲振動模態(tài)同時被激勵出來并在驅動螺栓上進行耦合，四個驅動螺栓同時具有兩個空間上垂直的振動位移；

3)調整第一簡諧電壓信號和第二簡諧電壓信號在時間上具有π/2的相位差，使得驅動螺栓上的任意質點均做方向相同的橢圓運動，進而通過摩擦作用驅動與驅動螺栓上的兩個驅動斜面接觸的車輪轉動，實現(xiàn)夾心式壓電驅動四輪行星探測機器人向前移動；

4)調整第一簡諧電壓信號和第二簡諧電壓信號的相位差為-π/2，即可實現(xiàn)夾心式壓電驅動四輪行星探測機器人向后移動。

進一步地，包括如下步驟：

1)對第一縱振梁上的兩組縱振壓電陶瓷片施加第一簡諧電壓信號，同時對第二縱振梁上的兩組縱振壓電陶瓷片施加與第一簡諧電壓信號具有π的相位差的第三簡諧電壓信號，激勵出第一縱振梁和第二縱振梁的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)，第一縱振梁和第二縱振梁將激發(fā)出同頻且具有π的空間相位差的二階縱振，即第一縱振梁的伸長端與第一縱振梁的縮短端對應，第一縱振梁的縮短端與第二縱振梁的縮伸長端對應，此時，第一彎振梁和第二彎振梁的左端向前水平剛性平移，而右端向后水平剛性平移，即第一彎振梁和第二彎振梁左邊的驅動螺栓向前水平剛性平移，右邊的驅動螺栓則向后水平剛性平移；

2)對第一彎振梁和第二彎振梁上的8組彎振壓電陶瓷片同時施加第二簡諧電壓信號，激勵出第一彎振梁和第二彎振梁的2n+1(n≥0，n為整數(shù))階彎曲振動模態(tài)，振動方向垂直于水平面，即第一彎振梁和第二彎振梁上設置的驅動螺栓同時做垂直于水平方向的運動；若第一簡諧電壓信號、第二簡諧電壓信號和第三簡諧電壓信號同時激勵出第一縱振梁和第二縱振梁的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)和第一彎振梁和第二彎振梁的2n+1(n≥0，n為整數(shù))階彎曲振動模態(tài)，則同一根縱振梁上的兩個驅動螺栓上的表面質點的橢圓運動軌跡的方向相反，并且兩根縱振梁同一邊的兩個驅動螺栓的橢圓運動軌跡相同，通過摩擦作用驅動車輪旋轉，從而驅動整個貼片式壓電驅動四輪行星探測機器人進行轉彎運動；

3)改變第一簡諧電壓信號和第二簡諧電壓信號的相位差，實現(xiàn)貼片式壓電驅動四輪行星探測機器人進行雙向轉彎。

本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明提出的夾心式壓電驅動四輪行星探測機器人利用壓電材料的逆壓電效應將電能轉化為機械能，經摩擦直接驅動車輪轉動，不需要復雜的傳動和減速機構，結構簡單緊湊，易于控制，在微小型機器人移動系統(tǒng)領域具有巨大的應用前景。

附圖說明：

圖1是夾心式壓電驅動行星探測機器人的結構示意圖。

圖2是第一縱振梁和第二縱振梁的結構示意圖。

圖3是縱振壓電陶瓷片的極化方向示意圖。

圖4是第一彎振梁和第二彎振梁在XOZ平面內的結構示意圖。

圖5是第一彎振梁和第二彎振梁在ZOY平面內的結構示意圖。

圖6是彎振壓電陶瓷片的極化方向示意圖。

圖7是驅動螺栓的結構示意圖。

圖8是車輪組件在驅動螺栓上的安裝示意圖。

圖9是第一縱振梁和第二縱振梁的工作模態(tài)。

圖10是第一彎振梁和第二彎振梁的工作模態(tài)。

圖11是第一縱振梁和第二縱振梁的轉彎模態(tài)。

其中：

1-第一縱振梁，2-第二縱振梁，3-第一彎振梁，4-第二彎振梁，5-驅動螺栓，6-端部圓柱，7-連接梁，8-縱振壓電陶瓷片，9-中間圓柱，10-矩形梁，11-彎振壓電陶瓷片，12-梯形鍥形塊，13-輔助鍥形塊，14-安裝螺栓，15-預緊螺栓，16-彈簧，17-車輪，18-調節(jié)螺栓。

具體實施方式：

本發(fā)明一種夾心式壓電驅動四輪行星探測機器人的結構如圖1所示，包括矩形框架結構、四個驅動螺栓和車輪組件；矩形框架結構包括第一縱振梁1、第二縱振梁2、第一彎振梁3、第二彎振梁4、兩根連接梁7以及四個安裝螺栓14，其中第一縱振梁1和第二縱振梁2平行設置，并且兩端與第一彎振梁3、第二彎振梁4通過四個安裝螺栓14正交固定；第一縱振梁1和第二縱振梁2安裝在第一彎振梁3和第二彎振梁4的振動節(jié)點位置；兩根連接梁7分別安裝在第一縱振梁1和第二縱振梁2對應的振動節(jié)點位置，并且與第一彎振梁3和第二彎振梁4平行。

第一縱振梁1和第二縱振梁2均由兩根一端設置有連續(xù)變截面、另一端設置了凸出螺栓的端部圓柱6、兩端設有螺紋孔的中間圓柱9和若干設有中心孔的圓形縱振壓電陶瓷片8組成，其中一個端部圓柱6的連續(xù)變截面端與第一彎振梁3或第二彎振梁4連接，凸出螺栓端分別依次通過連接梁7和一組縱振壓電陶瓷片8的中心孔固定在中間圓柱9的一端螺紋孔內，另一根端部圓柱6的凸出螺栓端沿著相反的方向依次通過另外一根連接梁7和另一組縱振壓電陶瓷片8的中心孔固定在中間圓柱9的另一端螺紋孔內，從而構成了具有兩組縱振壓電陶瓷片的縱振梁，如圖2所示。

一組縱振壓電陶瓷片8由兩片沿厚度方向極化且極化方向相反的圓形帶孔壓電陶瓷片組成；第一縱振梁1和第二縱振梁2上的兩組縱振壓電陶瓷片的極化方向相反，如圖3所示。

第一彎振梁3或者第二彎振梁4由端部設置了連續(xù)變截面和螺紋孔、中間部分上下表面均設置了矩形凹槽的矩形梁10、四組彎振壓電陶瓷片11和預緊裝置組成，其中四組彎振壓電陶瓷片11通過預緊裝置固定在矩形凹槽內，并且位于矩形凹槽的兩端，如圖4和圖5所示。

一組彎振壓電陶瓷片11由兩片沿著厚度方向極化且極化方向相反的矩形壓電陶瓷片組成；預緊裝置包括兩塊沿厚度方向設置有螺紋孔的梯形鍥形塊12、四塊輔助鍥形塊13和一個預緊螺栓15組成，其中一塊梯形鍥形塊12與兩塊輔助鍥形塊13配合構成一個矩形塊；矩形塊與設置在其兩端的兩組彎振壓電陶瓷片11恰好填滿矩形梁10的矩形凹槽，通過調節(jié)預緊螺栓15可改變梯形楔形塊12和輔助鍥形塊13之間的距離，即可調節(jié)施加在彎振壓電陶瓷片11上的預緊力；通過預緊螺栓15施加在上下梯形楔形塊12上力的平衡以及預緊裝置結構的對稱，施加在彎振陶瓷片11上的力在理論上相等，更有利于彎振模態(tài)的激勵；位于矩形梁上表面的矩形凹槽與下表面的矩形凹槽對應位置設置的彎振壓電陶瓷片11的極化方向相反，如圖6所示。

驅動螺栓5通過螺紋連接設置在第一彎振梁3和第二彎振梁4的兩端，其中驅動螺栓5設置有兩個具有一定傾角的驅動斜面，用于安裝與驅動車輪組件，如圖7所示。

車輪組件包括兩片車輪17、若干個調節(jié)螺栓18和若干根彈簧16；調節(jié)螺栓18和彈簧16將兩片車輪17固定在驅動螺栓的兩個驅動斜面，調節(jié)彈簧16的伸長長度即可同時調節(jié)兩片車輪17與驅動螺栓5的驅動斜面之間的預壓力，如圖8所示。

對4組縱振壓電陶瓷片8施加第一簡諧電壓信號可激勵出第一縱振梁1和第二縱振梁2的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)。以sin(ωt)作為激勵信號，并以縱振梁的二階縱振為例進行說明，即第一縱振梁1和第二縱振梁2的一端伸長而另一端縮短，此時第一彎振梁3和第四彎振梁4將隨著第一縱振梁1和第二縱振梁2的縱向伸長或者縮短而水平向前或者向后剛性平移，即端部的驅動螺栓5沿著第一縱振梁1和第二縱振梁2的伸長或者縮短方向水平剛性平移，且兩根連接梁7恰好位于第一縱振梁1和第二縱振梁2的二階縱振節(jié)點位置，如圖9所示。

當對第一彎振梁3和第二彎振梁4上的8組彎振壓電陶瓷片11同時施加第二簡諧電壓信號，可激勵出第一彎振梁3和第二彎振梁4的2n+1(n≥0，n為整數(shù))階彎曲振動模態(tài)。以cos(ωt)作為激勵信號，并以彎振梁的一階彎振為例進行說明，第一彎振梁3和第二彎振梁4具有同形同頻的一階彎振，且振動方向垂直于水平面(如圖10所示的XOZ平面)，即第一彎振梁3和第二彎振梁4上設置的驅動螺栓5同時做垂直于XOZ平面的運動。因此第一縱振梁1和第二縱振梁2上的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)和第一彎振梁3和第二彎振梁4的2n+1(n≥0，n為整數(shù))階彎曲振動模態(tài)同時被激勵出來并在驅動螺栓5上進行耦合，四個驅動螺栓5同時具有兩個空間上垂直的振動位移，只要保證第一簡諧電壓信號和第二簡諧電壓信號在時間上具有π/2的相位差，可使得驅動螺栓5上的任意質點均做方向相同的橢圓運動，進而通過摩擦作用驅動與驅動螺栓5上的兩個驅動斜面接觸的車輪轉動，實現(xiàn)夾心式壓電驅動四輪行星探測機器人向前移動；調整第一簡諧電壓信號和第二簡諧電壓信號的相位差為-π/2，即可實現(xiàn)夾心式壓電驅動四輪行星探測機器人向后移動。

對第一縱振梁1上的2組縱振壓電陶瓷片8施加第一簡諧電壓信號，同時對第二縱振梁2上的2組縱振壓電陶瓷片8施加與第一簡諧電壓信號具有π的相位差的第三簡諧電壓信號，可激勵出所述的第一縱振梁1和第二縱振梁2的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)。如圖11所示，以sin(ωt)和-sin(ωt)信號為例，第一縱振梁1和第二縱振梁2將激發(fā)出同頻且具有π的空間相位差的二階縱振，即第一縱振梁1的伸長端與第一縱振梁2的縮短端對應，第一縱振梁1的縮短端與第二縱振梁2的縮伸長端對應，此時，第一彎振梁3和第二彎振梁4的左端向前水平剛性平移，而右端向后水平剛性平移，即第一彎振梁3和第二彎振梁4左邊的驅動螺栓5向前水平剛性平移，右邊的驅動螺栓5則向后水平剛性平移。

若對第一彎振梁3和第二彎振梁4仍采用圖10的激勵方式，當對第一彎振梁3和第二彎振梁4上的8組彎振壓電陶瓷片11同時施加第二簡諧電壓信號，可激勵出第一彎振梁3和第二彎振梁4的2n+1(n≥0，n為整數(shù))階彎曲振動模態(tài)。以cos(ωt)作為激勵信號，并以彎振梁的一階彎振為例進行說明，第一彎振梁3和第二彎振梁4具有同形同頻的一階彎振，且振動方向垂直于水平面，即第一彎振梁1和第二彎振梁4上設置的驅動螺栓5同時做垂直于水平方向的運動；若第一簡諧電壓信號、第二簡諧電壓信號和第三簡諧電壓信號同時激勵出第一縱振梁1和第二縱振梁2的同頻不同形的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)和第一彎振梁3和第二彎振梁4的2n+1(n≥0，n為整數(shù))階彎曲振動模態(tài)，即可實現(xiàn)同一根縱振梁上的兩個驅動螺栓上的表面質點的橢圓運動軌跡的方向相反，并且兩根縱振梁同一邊的兩個驅動螺栓的橢圓運動軌跡相同，通過摩擦作用驅動車輪旋轉，從而驅動整個貼片式壓電驅動四輪行星探測機器人進行轉彎運動；當改變縱振壓電陶瓷片和彎振壓電陶瓷片的激勵信號的相位差，可實現(xiàn)貼片式壓電驅動四輪行星探測機器人進行雙向轉彎。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。