一种基于压电驱动的折叠式关节的制作方法

本实用新型涉及压电驱动技术和自动铺设关节技术领域，尤其涉及一种基于压电驱动的折叠式关节。

背景技术：

核聚变试验过程中，托卡马克装置在强磁上、超大电流、超低温、极高温等极端工况下运行，装置内各部件的强度、刚度、寿命经受严酷的考验，因此对真空室内壁进行定期的检测与维护是保证核聚变试验正常运行的一项必要工作。现有的关节+机械臂的有轨式机器人，关节在iter装置真空室的铺设时间过长、铺设过程复杂，增加了机器人维护作业时间，降低了作业效率。此外，由于关节臂本身的长度和重力影响、以及装备的精度和间隙，关节的两个关节臂连接处经常会产生上面的间隙大于下面的间隙，使得两关节臂不能在一个平面上。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于压电驱动的折叠式关节。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于压电驱动的折叠式关节，包含第一关节臂、第二关节臂、压电驱动装置、安装架、铰接座和铰接条；

所述压电驱动装置包含包含第一压电作动器、第二压电作动器、连接轴、第一连接圆环、第二连接圆环、弹簧以及第一至第四轴承；

所述第一压电作动器、第二压电作动器均包含驱动圆环、连接杆、矩形梁、第一至第二扭振压电元件组、以及第一至第二弯振压电元件组；所述矩形梁为长方体，包含第一至第四侧面和两个端面，其中，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；所述连接杆为柱体，其一个端面和所述矩形梁的一个端面固连，另一个端面为弧面、和所述驱动圆环的侧面固连；所述连接杆、矩形梁同轴且轴线经过所述驱动圆环的中心，所述驱动圆环的两个端面和矩形梁的第一侧面平行；所述第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组对称设置在第一侧面中心、第三侧面中心，均包含第一至第四扭振压电元件，所述第一至第四扭振压电元件均和所述矩形梁粘接，形成田字格正方形，均沿厚度方向极化且相邻扭振压电元件的极化方向相反；所述第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组的扭振压电元件的极化方向相反；所述第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组对称设置在第一侧面、第三侧面上，均包含两个弯振压电元件；第一弯振压电元件组的两个弯振压电元件对称设置在所述第一扭振压电元件组的两侧、和所述矩形梁粘接，均沿厚度方向极化且极化方向相同；所述第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组中弯振压电元件的极化方向相同；所述驱动圆环的一个端面上周向均匀设有m个驱动齿，m为大于等于3的自然数；

所述第一连接圆环、第一压电作动器的驱动圆环、第二压电作动器的驱动圆环、第二连接圆环依次层叠，内壁分别通过第一至第四轴承和所述连接轴相连；第一压电作动器的驱动圆环上的驱动齿和所述第一连接圆环靠近第一压电作动器驱动圆环的端面相抵，第二压电作动器的驱动圆环上的驱动齿和所述第二连接圆环靠近第二压电作动器驱动圆环的端面相抵；所述弹簧套在连接轴上，一端和所述第一压电作动器的驱动圆环相抵、另一端和所述第二压电作动器的驱动圆环相抵；

所述安装架包含第一安装片、第二安装片；所述第一安装片、第二安装片对称设置在所述第一压电作动器的第二侧面中心、第四侧面中心，其上均设有通孔，用于固定所述第一压电作动器；

所述铰接座和所述第二压电作动器第二侧面中心固连；

所述第一关节臂、第二关节臂均为两端开口的条状空心管；所述第一关节臂一端设有用于和所述第一压电作动器安装架相连的固定架；

所述第二关节臂的一端分别和所述压电驱动装置的第一连接圆环、第二连接圆环固连；所述第一关节臂的固定架和所述安装架固连；所述铰接条一端和所述所述铰接座铰接、另一端和所述第一关节臂的内壁铰接。

作为本实用新型一种基于压电驱动的折叠式关节进一步的优化方案，所述固定架包含第一至第二固定片；所述第一至第二固定片上均设有通孔，分别和第一压电作动器的第一安装片、第二安装片通过螺栓固定。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

基于逆压电效应的压电驱动方式在压电陶瓷材料的制备和加工技术得到了进一步发展的情况下，可实现驱动结构的结构紧凑、直接驱动、无电磁干扰、易于小型化等特点，在极端工作环境中拥有者广泛的应用前景。本实用新型提出了基于逆压电效应和摩擦作用驱动的基于压电驱动的折叠式关节，能够实现关节的快速精准铺设以及机构简单、小型化等特点，能够在真空强磁场等极端环境下工作，且能够对关节的连接处由于重力引起的微小间隙进行调整。

附图说明

图1是基于压电驱动的折叠式关节的展开示意图；

图2是基于压电驱动的折叠式关节的折叠示意图；

图3是基于压电驱动的折叠式关节的结构示意图；

图4是压电驱动装置的结构示意图；

图5是压电驱动装置、安装座、铰接座、铰接条相配合的结构示意图；

图6是第一关节臂的结构示意图；

图7是第二关节臂的结构示意图；

图8是第一压电作动器和安装架相配合的结构示意图；

图9是多第二压电作动器和铰接座相配合的结构示意图；

图10是压电驱动装置与第二关节臂的结构示意图；

图11是第一压电作动器和第一关节臂、第二关节臂相配合的结构示意图；

图12是第二压电作动器和第一关节臂、第二关节臂相配合的结构示意图；

图13是驱动齿、第一连接圆环、第二连接圆环的运动轨迹示意图；

图14是第二压电作动器对重力引起的微小间隙进行调整的原理示意图。

图中，1-第一关节臂，2-第二关节臂，3-压电驱动装置，4-第一压电作动器，5-第二压电作动器，6-第一连接圆环，7-连接轴，8-弹簧，9-安装架，10-铰接座，11-铰接条，12-固定架。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。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实用新型的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本实用新型公开了一种基于压电驱动的折叠式关节，图1是基于压电驱动的折叠式关节的展开示意图，图2是基于压电驱动的折叠式关节的折叠示意图。

如图3所示，基于压电驱动的折叠式关节包含第一关节臂、第二关节臂、压电驱动装置、安装架、铰接座和铰接条。

如图4所示，所述压电驱动装置包含包含第一压电作动器、第二压电作动器、连接轴、第一连接圆环、第二连接圆环、弹簧以及第一至第四轴承；

所述第一压电作动器、第二压电作动器均包含驱动圆环、连接杆、矩形梁、第一至第二扭振压电元件组、以及第一至第二弯振压电元件组；所述矩形梁为长方体，包含第一至第四侧面和两个端面，其中，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；所述连接杆为柱体，其一个端面和所述矩形梁的一个端面固连，另一个端面为弧面、和所述驱动圆环的侧面固连；所述连接杆、矩形梁同轴且轴线经过所述驱动圆环的中心，所述驱动圆环的两个端面和矩形梁的第一侧面平行；所述第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组对称设置在第一侧面中心、第三侧面中心，均包含第一至第四扭振压电元件，所述第一至第四扭振压电元件均和所述矩形梁粘接，形成田字格正方形，均沿厚度方向极化且相邻扭振压电元件的极化方向相反；所述第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组的扭振压电元件的极化方向相反；所述第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组对称设置在第一侧面、第三侧面上，均包含两个弯振压电元件；第一弯振压电元件组的两个弯振压电元件对称设置在所述第一扭振压电元件组的两侧、和所述矩形梁粘接，均沿厚度方向极化且极化方向相同；所述第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组中弯振压电元件的极化方向相同；所述驱动圆环的一个端面上周向均匀设有m个驱动齿，m为大于等于3的自然数；

所述第一连接圆环、第一压电作动器的驱动圆环、第二压电作动器的驱动圆环、第二连接圆环依次层叠，内壁分别通过第一至第四轴承和所述连接轴相连；第一压电作动器的驱动圆环上的驱动齿和所述第一连接圆环靠近第一压电作动器驱动圆环的端面相抵，第二压电作动器的驱动圆环上的驱动齿和所述第二连接圆环靠近第二压电作动器驱动圆环的端面相抵；所述弹簧套在连接轴上，一端和所述第一压电作动器的驱动圆环相抵、另一端和所述第二压电作动器的驱动圆环相抵；

如图5、图8所示，所述安装架包含第一安装片、第二安装片；所述第一安装片、第二安装片对称设置在所述第一压电作动器的第二侧面中心、第四侧面中心，其上均设有通孔，用于固定所述第一压电作动器；

如图5、图9所示，所述铰接座和所述第二压电作动器第二侧面中心固连；

如图6、图7所示，所述第一关节臂、第二关节臂均为两端开口的条状空心管，所述第一关节臂一端设有用于和所述第一压电作动器安装架相连的固定架；

如图10所示，所述第二关节臂的一端分别和所述压电驱动装置的第一连接圆环、第二连接圆环固连；如图11所示，所述第一关节臂的固定架和所述安装架固连；如图12所示，所述铰接条一端和所述所述铰接座铰接、另一端和所述第一关节臂的内壁铰接。

所述固定架包含第一至第二固定片；所述第一至第二固定片上均设有通孔，分别和第一压电作动器的第一安装片、第二安装片通过螺栓固定。

第一压电作动器、第二压电作动器的驱动方法相同，既可以采用单相简谐电压信号单模态驱动方法，也可以采用两相简谐电压信号复合模态作动方法，其中：

单相简谐电压信号单模态驱动方法包括如下步骤：

步骤a.1），对第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出矩形梁的2n+1（n≥0，n为正整数）阶扭振模态，诱发驱动圆环的m阶面外弯振模态，在简谐振动下每个驱动齿的运动轨迹均为一个椭圆，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的连接圆环沿一个方向旋转；

步骤a.2），如果需要驱动连接圆环反向旋转，停止对第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组施加第一简谐电压信号，对第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出矩形梁的2n+2（n≥0，n为正整数）阶弯振模态，激励驱动圆环产生另一个m阶面外弯振模态，此m阶面外弯振模态与扭振激励的m阶面外弯振模态在空间上存在π/2的相位差，导致此时驱动齿的运动轨迹为一个反向的椭圆，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的连接圆环沿反向旋转。

两相简谐电压信号复合模态作动方法包括如下步骤：

步骤b.1），同时对第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组和第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组施加两相简谐电压信号，使得第一、第二驱动圆环产生两个具有π/2空间相位差的驻波，调整两相简谐电压信号在时间上的相位差为π/2，使第一、第二驱动圆环的两个驻波叠加成一个行波，驱动齿在行波下做椭圆运动，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的连接圆环沿一个方向旋转；

步骤b.2），如果需要驱动连接圆环反向旋转，调整两相简谐电压信号在时间上具有-π/2的相位差，驱动齿做相反的椭圆运动，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的连接圆环沿反向旋转。

通过同时驱动第一、第二压电作动器，即可控制第一关节臂、第二关节臂的折叠或展开方向，如图13所示。

初始状态时，所述第二压电作动器的矩形梁和第一压电作动器的矩形梁不平行。

如图14所示，需要对关节的连接处由于重力引起的微小间隙进行调整时，额外对第二压电作动器进行驱动，使得第二压电作动器和铰接条之间的角度变化，进而调整第二压电作动器所在处两个关节臂之间的距离，使其和第一压电作动器所在处两个关节臂之间的距离相等即可。

由于重力原因，两关节单元展开后接触部位出现缝隙，继续工作的多模态复合型旋转压电作动器在铰接条的作用下，将缝隙两侧的关节继续拉紧直至缝隙消失，如图14所示。

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）具有与本实用新型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。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。