一种压电驱动二自由度深海机械臂及其驱动方法与流程

本发明涉及压电驱动及机器人领域，尤其涉及一种压电驱动二自由度深海机械臂及其驱动方法。

背景技术：

深海机械手是深海作业技术的重要装备，轻量化、精密化、智能化是其未来的发展趋势。现有深海机械手驱动多以采用液压杠杆结构，以内部液压平衡海水压力，结构庞大且伴有油液泄漏、海水入侵带来的海洋污染和装置失效的风险。利用无刷电机和充油补偿海水压力的驱动方式，可大幅减小结构尺寸和重量、提高灵活性，但要彻底消除油液泄漏、海水入侵导致电机失效风险还有很多工作要做。如何缓解、摆脱深海高水压的限制，构建一种能适应深海水压、功率密度大、结构简单的机械手驱动器，是深海机械手轻量化、精密化、智能化设计的基础工作。

压电作动器是一种利用压电智能材料和摩擦驱动原理的新型驱动器，以其高精度、质量轻、功率密度大、低速直驱等优势，成为高端装备在轻量化、智能化提升和换代的首选作动器，具有广阔的应用和发展前景。例如，嫦娥三号使用的trum-30a型压电作动器，仅为其它备选驱动电机重量的十分之一。对于深海探测领域，压电作动器的电-微振-摩擦-宏动的驱动机理链条各环节都具备深海环境相容性，即微观振动-宏观运动摩擦耦合过程不存在动态密封问题，可直浸式工作于深海环境，只需对电气接口部分进行简单可靠的静密封，不需耐压仓、动密封环、压力平衡装置和传动机构，可作为深海机械手轻量化设计的驱动器。

针对上述直流电机和液压驱动的机械臂的缺点，以及压电驱动原理对深海环境的相容性，本发明提出一种压电驱动二自由度深海机械臂，期望在功率重量比和深海环境适应能力方面比现有驱动形式有所提升。

技术实现要素：

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，提供一种压电驱动二自由度深海机械臂及其驱动方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种压电驱动二自由度深海机械臂，包含若干相连的单元臂节；

所述单元臂节包含一个压电振子、一套关节组件和一套定位组件；

所述压电振子包含一个金属基体、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；

所述金属基体包含第一梯形梁、第二梯形梁和连接梁；

所述第一梯形梁、第二梯形梁均为直角梯形梁，包含上端面、下端面、斜面、以及依次垂直固连的第一至第四侧面，其中，上端面、下端面相互平行且上端面面积大于下端面；第一侧面的上端和所述上端面垂直固连、下端和通过所述斜面和所述下端面相连；第二至第三侧面的上端均所述上端面垂直固连、下端均和所下端面垂直固连；

所述第一梯形梁、第二梯形梁对称设置，第一梯形梁、第二梯形梁的第一侧面位于内侧且相互平行；

所述连接梁呈圆弧状，两端和所述第一梯形梁、第二梯形梁的下端面固连，开口朝上，且连接梁内侧的中点处设有凸起的驱动足；

所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均沿厚度方向极化，对称设置在所述第一梯形梁、第二梯形梁第三侧面上，极化方向由外向内；

所述关节组件包含转动关节、关节夹具和固定轴；

所述转动关节包含外轮、内轮和若干轮辐，其中，所述外轮为两端开口的空心圆柱体；所述内轮圆柱体、且沿其轴线设有第一方形通孔；所述若干轮辐均匀设置在外轮、内轮之间，均一端和外轮的内壁固连、另一端和内轮的外壁固连；

所述关节夹具呈u形，包含底板、第一关节侧板和第二关节侧板；所述第一关节侧板、第二关节侧板分别和底板的两端固连；所述底板中心设有第二方形通孔；

所述固定轴为和所述第一方形通孔相匹配的、横截面为正方形的柱体，其一端和所述第一关节侧板远离底板的一端固连，另一端穿过所述内轮中心的第一方形通孔后和所述第二关节侧板远离底板的一端固连，将所述转动关节固定在第一关节侧板、第二关节侧板之间；

所述连接梁设置在外轮、底板、第一关节侧板、第二关节侧板之间，其上驱动足和所述外轮的外壁相抵；

所述定位组件包括腿式夹具、轴承组件和预紧力组件；

所述腿式夹具包含固定板和第一至第四连接腿；所述固定板呈矩形；所述第一至第四连接腿的一端分别和所述固定板的四角对应固连，另一端分别和所述第一梯形梁的第二侧面、第一梯形梁的第四侧面、第二梯形梁的第二侧面、第二梯形梁的第四侧面对应固连，将所述固定板固定在第一梯形梁、第二梯形梁的第一侧面之间；所述固定板中心设有和所述第二方形通孔大小相同的第三方形通孔；

所述轴承组件包含轴承夹具、第一连接轴、第二连接轴和2n个轴承，n为大于等于1的自然数；所述轴承夹具包含连接板、第一轴承侧板和第二轴承侧板，所述连接板的两端分别和第一轴承侧板、第二轴承侧板垂直固连，形成倒u形；所述第一连接轴、第二连接轴平行设置，两端均分别和所述第一轴承侧板、第二轴承侧板垂直固连；所述2n个轴承中n个轴承均匀设置在第一连接轴上、内圈均和所述第一连接轴固连，另外n个轴承均匀设置在第二连接轴上、内圈均和第二连接轴固连；所述连接板中心设有第四方形通孔；

所述预紧力组件包含固定螺母、调节螺母、调节柱和调节弹簧；所述调节柱包含和所述固定螺母相匹配的第一螺柱、和所述第二方形通孔相匹配的第一方形凸台、和所述调节螺母相匹配的第二螺柱、以及和所述第四方形通孔相匹配的第二方形凸台，所述第一螺柱、第一方形凸台、第二螺柱、第二方形凸台依次同轴固连，且第一方形凸台横截面的边长小于第二螺柱横截面的直径；

所述第一螺柱穿过所述第三方形通孔，使得第一方形凸台和所述三方形通孔过盈配合、第二螺柱和所述固定板相抵；所述调节螺母和所述第二螺柱螺纹相连，所述第二方形凸台和所述第四方形通孔间隙配合；所述调剂弹簧套在所述第二螺柱上，一端和所述调节螺母相抵、另一端和所述连接板相抵，使得所述2n个轴承的外圈均和所述转动关节外轮的外壁相抵；

所述所述单元臂节不和相邻单元臂节连接时，所述固定螺母和所述第一螺柱螺纹相连，将固定板固定在固定螺母、第二螺柱之间；

所述单元臂节和相邻单元臂节连接时，单元臂节的第一螺柱穿过相邻臂节关节夹具底板上的第二方形通孔后和单元臂节的固定螺母螺纹相连，将单元臂节的固定板和相邻臂节关节夹具的底板固定在单元臂节的固定螺母、第二螺柱之间。

本发明还公开了一种该压电驱动二自由度深海机械臂的单元臂节的驱动方法，通过对单元臂节的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片施加具有π/2相位差的驱动信号，激励出单元臂节压电振子一阶非对称弯振模态和一阶对称弯振模态，使其驱动足的质点产生微幅椭圆运动轨迹，经过摩擦作用产生力驱动转动关节转动。

由于单元臂节和与之相邻的单元臂节在空间上正交，同时对相邻单元臂节施加驱动信号，能够实现两单元臂节在正交平面内的二自由度运动。

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：

本发明采用以上技术方案与传统电磁和液压机驱动械臂其结构简单，质量轻，无需齿轮减速等机构，易于密封，易于实现微化，运行噪声低，控制精度高，可作为深海机器人的末端执行装置，在深海探测领域具有重要的领域尤其是深海生物样品采样等对末端执行器控制精度较高的应用场合具有重要的应用前景。

附图说明

图1是本发明一种压电驱动二自由度深海机械臂的结构示意图；

图2是本发明中单元臂节的结构示意图；

图3是本发明中压电振子的结构示意图；

图4是本发明中关节组件的结构示意图；

图5是本发明中关节夹具的结构示意图；

图6是本发明中定位组件的结构示意图；

图7是本发明中腿式夹具的结构示意图；

图8是本发明中轴承组件轴承组件的结构示意图；

图9是本发明中预紧力组件的结构示意图；

图10是本发明中调节柱的结构示意图；

图11是本发明中定位组件各部件之间的装配示意图；

图12是本发明中压电振子一阶非对称弯振模态示意图；

图13是本发明中压电振子一阶对称弯振模态示意图。

图中，1-压电振子，2-关节组件，3-定位组件，4-第一梯形梁，5-第二梯形梁，6-连接梁，7-驱动足，8-第一压电陶瓷片，9-第二压电陶瓷片，10-外轮，11-固定轴，12-轮辐，13-转动关节，14-底板，15-第一关节侧板，16-第二关节侧板，17-第二方形通孔，18-腿式夹具，19-轴承组件，20-预紧力组件，21-固定板，22-第一连接腿，23-第三方形通孔，24-轴承夹具，25-第一连接轴，26-第二连接轴，27-轴承，28-第四方形通孔，29-调节螺母，30-调节柱，31-调节弹簧，32-第一螺柱，33-第一方形凸台，34-第二螺柱，35-第二方形凸台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种压电驱动二自由度深海机械臂，包含若干相连的单元臂节。

如图2所示，所述单元臂节包含一个压电振子、一套关节组件和一套定位组件。

如图3所示，所述压电振子包含一个金属基体、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；

所述金属基体包含第一梯形梁、第二梯形梁和连接梁；

所述第一梯形梁、第二梯形梁均为直角梯形梁，包含上端面、下端面、斜面、以及依次垂直固连的第一至第四侧面，其中，上端面、下端面相互平行且上端面面积大于下端面；第一侧面的上端和所述上端面垂直固连、下端和通过所述斜面和所述下端面相连；第二至第三侧面的上端均所述上端面垂直固连、下端均和所下端面垂直固连；

所述第一梯形梁、第二梯形梁对称设置，第一梯形梁、第二梯形梁的第一侧面位于内侧且相互平行；

所述连接梁呈圆弧状，两端和所述第一梯形梁、第二梯形梁的下端面固连，开口朝上，且连接梁内侧的中点处设有凸起的驱动足；

所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均沿厚度方向极化，对称设置在所述第一梯形梁、第二梯形梁第三侧面上，极化方向由外向内。

如图4所示，所述关节组件包含转动关节、关节夹具和固定轴。

所述转动关节包含外轮、内轮和若干轮辐，其中，所述外轮为两端开口的空心圆柱体；所述内轮圆柱体、且沿其轴线设有第一方形通孔；所述若干轮辐均匀设置在外轮、内轮之间，均一端和外轮的内壁固连、另一端和内轮的外壁固连。

如图5所示，所述关节夹具呈u形，包含底板、第一关节侧板和第二关节侧板；所述第一关节侧板、第二关节侧板分别和底板的两端固连；所述底板中心设有第二方形通孔；

所述固定轴为和所述第一方形通孔相匹配的、横截面为正方形的柱体，其一端和所述第一关节侧板远离底板的一端固连，另一端穿过所述内轮中心的第一方形通孔后和所述第二关节侧板远离底板的一端固连，将所述转动关节固定在第一关节侧板、第二关节侧板之间；

所述连接梁设置在外轮、底板、第一关节侧板、第二关节侧板之间，其上驱动足和所述外轮的外壁相抵。

如图6所示，所述定位组件包括腿式夹具、轴承组件和预紧力组件。

如图7所示，所述腿式夹具包含固定板和第一至第四连接腿；所述固定板呈矩形；所述第一至第四连接腿的一端分别和所述固定板的四角对应固连，另一端分别和所述第一梯形梁的第二侧面、第一梯形梁的第四侧面、第二梯形梁的第二侧面、第二梯形梁的第四侧面对应固连，将所述固定板固定在第一梯形梁、第二梯形梁的第一侧面之间；所述固定板中心设有和所述第二方形通孔大小相同的第三方形通孔；

如图8所示，所述轴承组件包含轴承夹具、第一连接轴、第二连接轴和2n个轴承，n为大于等于1的自然数；所述轴承夹具包含连接板、第一轴承侧板和第二轴承侧板，所述连接板的两端分别和第一轴承侧板、第二轴承侧板垂直固连，形成倒u形；所述第一连接轴、第二连接轴平行设置，两端均分别和所述第一轴承侧板、第二轴承侧板垂直固连；所述2n个轴承中n个轴承均匀设置在第一连接轴上、内圈均和所述第一连接轴固连，另外n个轴承均匀设置在第二连接轴上、内圈均和第二连接轴固连；所述连接板中心设有第四方形通孔；

如图9所示，所述预紧力组件包含固定螺母、调节螺母、调节柱和调节弹簧。

如图10所示，所述调节柱包含和所述固定螺母相匹配的第一螺柱、和所述第二方形通孔相匹配的第一方形凸台、和所述调节螺母相匹配的第二螺柱、以及和所述第四方形通孔相匹配的第二方形凸台，所述第一螺柱、第一方形凸台、第二螺柱、第二方形凸台依次同轴固连，且第一方形凸台横截面的边长小于第二螺柱横截面的直径。

如图11所示，所述第一螺柱穿过所述第三方形通孔，使得第一方形凸台和所述三方形通孔过盈配合、第二螺柱和所述固定板相抵；所述调节螺母和所述第二螺柱螺纹相连，所述第二方形凸台和所述第四方形通孔间隙配合；所述调剂弹簧套在所述第二螺柱上，一端和所述调节螺母相抵、另一端和所述连接板相抵，使得所述2n个轴承的外圈均和所述转动关节外轮的外壁相抵。

所述所述单元臂节不和相邻单元臂节连接时，所述固定螺母和所述第一螺柱螺纹相连，将固定板固定在固定螺母、第二螺柱之间；

所述单元臂节和相邻单元臂节连接时，单元臂节的第一螺柱穿过相邻臂节关节夹具底板上的第二方形通孔后和单元臂节的固定螺母螺纹相连，将单元臂节的固定板和相邻臂节关节夹具的底板固定在单元臂节的固定螺母、第二螺柱之间。

轴承组件的两组n个轴承、压电振子的驱动足与转动关节接触，形成三条接触线，三条接触线限制了转动关节在xy平面内的平动，使其只能在驱动足的驱动作用下产生旋转运动，进而驱动关节组件平稳的转动。

如图2所示，调节柱上的第一方形凸台和腿式夹具上的第三方形通孔过盈配合，使得两者在空间上紧固相连成一体，没有相对的滑动和转动；调节柱上的第二方形凸台和轴承组件上的第四方形通孔间隙配合，该配合使轴承组件只有沿着y方向运动的自由度。

预紧力组件的调节弹簧被压缩在调节螺母与轴承组件的连接板之间；当调节所述调节螺母的位置进而调节所述调节弹簧的压缩量时，能够调节所述调节弹簧和所述轴承组件连接板之间的压力，进而调节2n个轴承、驱动足和转动关节之间的三条接触线上的预压力。

本发明还公开了一种该压电驱动二自由度深海机械臂的单元臂节的驱动方法，通过对单元臂节的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片施加具有π/2相位差的驱动信号，激励出单元臂节压电振子一阶非对称弯振模态和一阶对称弯振模态，使其驱动足的质点产生微幅椭圆运动轨迹，经过摩擦作用产生力驱动转动关节转动。

如图12所示，通过对压电振子上的第一压电陶瓷片施加一定频率简谐激励信号能够激发出压电振子的一阶非对称弯振模态，驱动足处质点将会产生沿着x方向的左右振动位移；如图13所示，通过对第二压电陶瓷片施加一定频率简谐激励信号，驱动足处质点将会产生沿着y方向的上下振动位移；调节压电振子的几何尺寸以调节两简谐信号的频率一致；在此基础上，对第一、第二压电陶瓷片施加同频率的具有π/2相位差的简谐信号，能够同时激励出压电振子的一阶非对称弯振模态和一阶对称纵振模态，两模态的耦合作作用使驱动足表面质点微幅椭圆运动轨迹，经过摩擦作用产生力驱动转动关节转动。

由于单元臂节和与之相邻的单元臂节在空间上正交，同时对相邻单元臂节施加驱动信号，能够实现两单元臂节在正交平面内的二自由度运动。

本发明采用以上技术方案，由于利用摩擦力驱动，在深海环境下可采用全开放式结构，与传统电磁和液压机驱动深海机械臂相比，其结构简单，质量轻，无需齿轮减速等机构，易于密封，易于实现微化，运行噪声低，控制精度高，可作为深海机器人的末端执行装置，在深海探测领域具有重要的领域尤其是深海生物样品采样等对末端执行器控制精度较高的应用场合具有重要的应用前景。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。