一种贴片式关节压电作动器及其工作方法

本发明涉及压电驱动技术和机器人关节，尤其涉及一种贴片式关节压电作动器及其工作方法。

背景技术：

1、随着特种环境作业的机器人需求越来越多，其非常规和极端环境的特点对机器人提出了更高的要求，诸如轻量化、小型化、控制简单、环境适应性好等。关节是机器人的关键核心部件，它决定着机器人的传力大小和运动精度，其性能的好坏直接影响着机器人的性能。当前，机器人关节驱动主要有电磁电机驱动、液压驱动、气动驱动以及形状记忆合金驱动等。电磁电机驱动一般都需要配合齿轮减速机构，结构复杂，同时容易受电磁环境的干扰。液压驱动不仅需要添加一个或多个液压源，而且导管接头处容易产生液体泄漏，引起环境污染，通常液压驱动用于特大负载的机械结构中。气动驱动的功率密度比小，驱动器速度难以控制，精度较低。形状记忆合金驱动方式对环境温度的稳定性要求较高，同时驱动力相对较小。以上驱动方式，均无法保证其在极端环境下正常工作。基于逆压电效应和摩擦驱动原理而发展起来的压电驱动技术，由于其自身的特点，使其在关节驱动方面具有绝对的优势。面向极端环境服役的需求，针对当前关节驱动方式所面临的问题，本发明提出了一种贴片式关节压电作动器及其工作方法，具有控制简单、结构紧凑、响应快、驱动精度高、运转稳定、结构功能一体化设计、断电自锁、电磁兼容性强以及环境适应性好等特点，能够满足特种环境机器人关节驱动的需求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种贴片式关节压电作动器及其工作方法。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种贴片式关节压电作动器，包含转子组件和定子组件；

4、所述定子组件包含驱动环、连接杆、弹性梁、第一固定耳片、第二固定耳片、第一至第二纵振压电陶瓷片、以及第一至第四弯振压电陶瓷片；

5、所述弹性梁为长方体，包含第一端面、第二端面、以及首尾相连的第一至第四侧面；

6、所述驱动环为两端开口的空心圆柱体；

7、所述连接杆一端和所述弹性梁的第一端面同轴固连，另一端呈弧面，和所述驱动环的外壁固连；所述连接杆的轴线经过驱动环的中心，驱动环的两个端面和弹性梁的第一、第三侧面平行；

8、所述第一至第二纵振压电陶瓷片对称设置在弹性梁的第二、第四侧面中心，均沿厚度方向极化且极化方向相反；

9、第一、第三弯振压电陶瓷片设置在弹性梁的第二侧面上，位于第一纵振压电陶瓷片两侧，第一弯振压电陶瓷片、第一纵振压电陶瓷片、第三弯振压电陶瓷片的中心共线且所在直线平行于连接杆的轴线；

10、第二、第四弯振压电陶瓷片设置在弹性梁的第四侧面上，位于第二纵振压电陶瓷片两侧，第二弯振压电陶瓷片、第二纵振压电陶瓷片、第四弯振压电陶瓷片的中心共线且所在直线平行于连接杆的轴线；

11、所述第一至第四弯振压电陶瓷片均沿厚度方向极化，其中，第一、第二弯振压电陶瓷片对称设置，极化方向相同；第三、第四弯振压电陶瓷片对称设置，极化方向相同；第一、第三弯振压电陶瓷片的极化方向相反；

12、所述第一固定耳片、第二固定耳片结构相同，对称设置在弹性梁的第一、第三侧面，位于关节压电作动器纵向振动模态和弯曲振动模态的公共节点处，用于将定子组件和外界固连；

13、所述驱动环的内壁上沿周向均匀设有k个驱动齿，k为大于等于3的自然数；

14、所述驱动齿呈条状，平行于驱动环的轴线设置，驱动齿两端均设有倒角，形成用于和所述转子组件相抵的接触面；

15、所述转子组件包含第一转子、第二转子、预紧弹簧、调节螺母和输出轴；

16、所述输出轴包含依次同轴固连的第一固定部、调节部、限位部和第二固定部，其中，第一固定部、第二固定部用于将转子组件和外界固连；调节部为和所述调节螺母相配合的螺纹柱；限位部为正四棱柱；

17、所述第一转子、第二转子结构相同，均呈圆台状，且中心均设有用于和所述输出轴相配合的方形限位滑孔；

18、所述第一转子、第二转子均套在输出轴的限位部上，能够沿输出轴的限位部自由滑动；第一转子、第二转子面积较小的一端相对，第二转子位于第一转子和第二固定部之间；所述输出轴的第二固定部上设有用于防止第二转子脱离限位部的环形凸起；

19、所述输出轴和所述驱动环同轴，第二转子的侧壁和k个驱动齿同一侧的接触面相抵，第一转子的侧壁和k个驱动齿另一侧的接触面相抵；所述调节螺母和输出轴的调节部螺纹相连；所述预紧弹簧套在输出轴的调节部外，一端和所述第一转子相抵，另一端和所述调节螺母相抵。

20、作为本发明一种贴片式关节压电作动器进一步的优化方案，所述第一至第二纵振压电陶瓷片、第一至第四弯振压电陶瓷片为大小相同的正方形压电陶瓷片。

21、作为本发明一种贴片式关节压电作动器进一步的优化方案，所述连接杆由远离驱动环的一端至和驱动环相连的一端的横截面面积逐渐减小。

22、本发明还公开了一种该贴片式关节压电作动器的单相电压信号单模态驱动方法，包括如下步骤：

23、步骤a.1），如果需要驱动第一转子、第二转子正向旋转，对第一、第二纵振压电陶瓷片施加第一简谐电压信号，激发出弹性梁的2n+1阶纵向振动模态，n为大于等于0的正整数，诱发驱动环的k阶面内弯曲振动模态a，在简谐振动下每个驱动齿的运动轨迹均为一个尖椭圆，在摩擦力作用下，驱动第一转子、第二转子正向旋转；

24、步骤a.2），如果需要驱动第一转子、第二转子反向旋转，停止对第一、第二纵振压电陶瓷片施加第一简谐电压信号，对第一至第四弯振压电陶瓷片施加第二简谐电压信号，激发出弹性梁的2n+2阶弯曲振动模态，激励驱动环产生k阶面内弯曲振动模态b，k阶面内弯曲振动模态b与k阶面内弯曲振动模态a在空间上存在π/2的相位差，此时驱动齿的运动轨迹为一个反向的尖椭圆，在摩擦力作用下，驱动第一转子、第二转子反向旋转。

25、本发明还公开了一种该贴片式关节压电作动器的两相简谐电压信号复合模态作动方法，包括如下步骤：

26、步骤b.1），如果需要驱动第一转子、第二转子正向旋转，对第一、第二纵振压电陶瓷片施加第一简谐电压信号，对第一至第四弯振压电陶瓷片施加第二简谐电压信号，第一、第二简谐电压信号在时间上的相位差为π/2，使得驱动环产生的两个具有π/2空间相位差的面内弯曲振动模态被同时激励出，此驱动环的两个面内弯曲振动模态叠加成一个行波，在行波的作用下驱动齿做椭圆运动，在摩擦作用下驱动第一转子、第二转子正向旋转；

27、步骤b.2），如果需要实现转子组件反向旋转，将第一、第二简谐电压信号在时间上的相位差变更为-π/2，使得驱动齿的椭圆轨迹反向运动，在摩擦作用下驱动第一转子、第二转子反向旋转。

28、本发明还公开了另一种贴片式关节压电作动器，包含转子组件和定子组件；

29、所述定子组件包含驱动环、连接杆、弹性梁、第一固定耳片、第二固定耳片、第一至第二纵振压电陶瓷片、以及第一至第四弯振压电陶瓷片；

30、所述弹性梁为长方体，包含第一端面、第二端面、以及首尾相连的第一至第四侧面；

31、所述驱动环为两端开口的空心圆柱体；

32、所述连接杆一端和所述弹性梁的第一端面同轴固连，另一端呈弧面，和所述驱动环的外壁固连；所述连接杆的轴线经过驱动环的中心，驱动环的两个端面和弹性梁的第一、第三侧面平行；

33、所述第一至第二纵振压电陶瓷片对称设置在弹性梁的第一、第三侧面中心，均沿厚度方向极化且极化方向相反；

34、第一、第三弯振压电陶瓷片设置在弹性梁的第二侧面上，第一弯振压电陶瓷片、第三弯振压电陶瓷片的中心所在直线平行于连接杆的轴线；

35、第二、第四弯振压电陶瓷片设置在弹性梁的第四侧面上，第二弯振压电陶瓷片、第四弯振压电陶瓷片的中心所在直线平行于连接杆的轴线；

36、所述第一至第四弯振压电陶瓷片均沿厚度方向极化，其中，第一、第二弯振压电陶瓷片对称设置，极化方向相同；第三、第四弯振压电陶瓷片对称设置，极化方向相同；第一、第三弯振压电陶瓷片的极化方向相反；

37、所述第一固定耳片、第二固定耳片结构相同，对称设置在弹性梁的第二、第四侧面，位于关节压电作动器纵向振动模态和弯曲振动模态的公共节点处，用于将定子组件和外界固连；

38、所述驱动环的内壁上沿周向均匀设有k个驱动齿，k为大于等于3的自然数；

39、所述驱动齿呈条状，平行于驱动环的轴线设置，驱动齿两端均设有倒角，形成用于和所述转子组件相抵的接触面；

40、所述转子组件包含第一转子、第二转子、预紧弹簧、调节螺母和输出轴；

41、所述输出轴包含依次同轴固连的第一固定部、调节部、限位部和第二固定部，其中，第一固定部、第二固定部用于将定子组件和和外界固连；调节部为和所述调节螺母相配合的螺纹柱；限位部为正四棱柱；

42、所述第一转子、第二转子结构相同，均呈圆台状，且中心均设有用于和所述输出轴相配合的方形限位滑孔；

43、所述第一转子、第二转子均套在输出轴的限位部上，能够沿输出轴的限位部自由滑动；第一转子、第二转子面积较小的一端相对，第二转子位于第一转子和第二固定部之间；所述输出轴的第二固定部上设有用于防止第二转子脱离限位部的环形凸起；

44、所述输出轴和所述驱动环同轴，第二转子的侧壁和k个驱动齿同一侧的接触面相抵，第一转子的侧壁和k个驱动齿另一侧的接触面相抵；所述调节螺母和输出轴的调节部螺纹相连；所述预紧弹簧套在输出轴的调节部外，一端和所述第一转子相抵，另一端和所述调节螺母相抵。

45、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

46、1. 本发明通过激励弹性梁进而诱发驱动环的面内弯曲模态，环上的驱动齿摩擦带动转子组件旋转，能够减少零件之间的能量损耗，较少的零件就可实现驱动关节，具有结构紧凑、结构功能一体化的优势。

47、2. 本发明中驱动环内表面驱动齿通过摩擦力带动转子组件旋转，驱动齿数目多，可提升转动的精度；同时转子上、下呈对称结构，始终与驱动齿保持良好接触，具有驱动精度高、运动稳定等优势。