一种夹心式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法与流程

本发明提出了一种夹心式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法，属于压电驱动技术和行星探测机器人技术领域。

背景技术：
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轮式结构的移动系统作为目前行星探测机器人最青睐的系统，一直在结构设计和驱动方式上进行各种新的尝试。镂空拓扑结构的车轮设计、高性能的电磁电机的研究等不断使得轮式行星探测机器人朝着智能化、微型化方向发展。但是，采用电磁电机来驱动车轮始终需要借助减速机构来实现运动控制，因此无法完全消除冗余机构实现轻巧化。中国的玉兔月球车采用六轮的移动系统方案，虽然已成功登月并在月球表面留下了足迹，但在第二次月夜休眠之前出现了机构控制异常，整个月球车都无法实现移动，经过地面科研人员的抢修被唤醒，但是仍然无法移动，截止目前为止，玉兔号月球车的移动系统仍处于瘫痪状态。虽然六轮结构的移动系统有着机动性能优异以及越障性能好的特性，但是复杂的驱动机构仍然是其应用的壁垒。若能采用单一的驱动源实现多轮协同驱动，并且避免使用减速机构等装置，不仅大大减小了整个机器人系统的结构复杂程度，同时也降低了控制系统的复杂程度。夹心式压电换能器作为一种电能转换至机械能的器件，在作动器领域被广泛应用，最典型的就是直线型超声电机。本发明以精简机构、降低控制系统复杂程度、提高系统可靠度和实现微型化为目标，提出了基于逆压电效应和摩擦作用驱动的夹心式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法，可实现轮式移动系统的结构紧凑、简单、控制系统简单、直接驱动、无电磁干扰、易于小型化等特点，并且可在月面或者火星表面等极端环境下工作。

技术实现要素：
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针对传统机器人移动系统需要复杂的传动和减速机构致使其难以实现小型化设计的问题，本发明提出了一种夹心式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法，利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能，依靠摩擦作用直接驱动车轮旋转，不需要复杂的传动和减速机构，结构简单紧凑，易于实现小型化。

本发明采用如下技术方案：一种夹心式压电驱动四轮行星探测机器人，包括矩形框架结构、驱动螺栓和车轮组件；所述矩形框架结构包括第一纵振梁、第二纵振梁、第一弯振梁、第二弯振梁、连接梁以及安装螺栓，所述第一纵振梁和第二纵振梁平行设置，并且两端与第一弯振梁、第二弯振梁通过安装螺栓正交固定，所述第一纵振梁和第二纵振梁安装在第一弯振梁和第二弯振梁的振动节点位置，连接梁安装在第一纵振梁和第二纵振梁对应的振动节点位置，并且与第一弯振梁和第二弯振梁平行；所述驱动螺栓通过螺纹连接设置在第一弯振梁和第二弯振梁的两端，所述驱动螺栓设置有两个用于安装与驱动车轮组件的驱动斜面；所述车轮组件包括两片车轮、若干个调节螺栓和若干根弹簧，所述调节螺栓和弹簧将两片车轮固定在驱动螺栓的两个驱动斜面，调节弹簧的伸长长度以调节两片车轮与驱动螺栓的驱动斜面之间的预压力。

进一步地，所述连接梁包括有两根，所述第一纵振梁和第二纵振梁均由两根一端设置有连续变截面、另一端设置有凸出螺栓的端部圆柱、两端设有螺纹孔的中间圆柱和若干设有中心孔的圆形纵振压电陶瓷片组成，其中一个端部圆柱的连续变截面端与第一弯振梁或第二弯振梁连接，凸出螺栓端分别依次通过连接梁和一组纵振压电陶瓷片的中心孔固定在中间圆柱的一端螺纹孔内，另一根端部圆柱的凸出螺栓端沿着相反的方向依次通过另外一根连接梁和另一组纵振压电陶瓷片的中心孔固定在中间圆柱的另一端螺纹孔内。

进一步地，一组纵振压电陶瓷片由两片沿厚度方向极化且极化方向相反的圆形带孔压电陶瓷片组成，所述第一纵振梁上的两组纵振压电陶瓷片的极化方向相反，所述第二纵振梁上的两组纵振压电陶瓷片的极化方向相反，所述第一纵振梁和第二纵振梁对应位置设置的纵振压电陶瓷片的极化方向相同。

进一步地，所述第一弯振梁或者第二弯振梁由端部设置有连续变截面和螺纹孔、中间部分上下表面均设置有矩形凹槽的矩形梁、四组弯振压电陶瓷片和预紧装置组成，四组弯振压电陶瓷片通过预紧装置固定在矩形凹槽内，并且位于矩形凹槽的两端。

进一步地，一组弯振压电陶瓷片由两片沿着厚度方向极化且极化方向相反的矩形压电陶瓷片组成。

进一步地，所述预紧装置包括两块沿厚度方向设置有螺纹孔的梯形锲形块、四块辅助锲形块和一个预紧螺栓组成，其中一块梯形锲形块与两块辅助锲形块配合构成一个矩形块；所述矩形块与设置在其两端的两组弯振压电陶瓷片填满矩形梁的矩形凹槽，位于矩形梁上表面的矩形凹槽与位于下表面的矩形凹槽对应位置设置的弯振压电陶瓷片的极化方向相反。

本发明还采用如下技术方案：一种夹心式压电驱动四轮行星探测机器人的工作方法，包括如下步骤：

1)对4组纵振压电陶瓷片施加第一简谐电压信号激励出第一纵振梁和第二纵振梁的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态，即第一纵振梁和第二纵振梁的一端伸长而另一端缩短，此时第一弯振梁和第四弯振梁将随着第一纵振梁和第二纵振梁的纵向伸长或者缩短而水平向前或者向后刚性平移，即端部的驱动螺栓沿着第一纵振梁和第二纵振梁的伸长或者缩短方向水平刚性平移；

2)对第一弯振梁和第二弯振梁上的8组弯振压电陶瓷片同时施加第二简谐电压信号，激励出第一弯振梁和第二弯振梁的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态，振动方向垂直于水平面，即第一弯振梁和第二弯振梁上设置的驱动螺栓同时做垂直于水平方向的运动，因此第一纵振梁和第二纵振梁上的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态和第一弯振梁和第二弯振梁的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态同时被激励出来并在驱动螺栓上进行耦合，四个驱动螺栓同时具有两个空间上垂直的振动位移；

3)调整第一简谐电压信号和第二简谐电压信号在时间上具有π/2的相位差，使得驱动螺栓上的任意质点均做方向相同的椭圆运动，进而通过摩擦作用驱动与驱动螺栓上的两个驱动斜面接触的车轮转动，实现夹心式压电驱动四轮行星探测机器人向前移动；

4)调整第一简谐电压信号和第二简谐电压信号的相位差为-π/2，即可实现夹心式压电驱动四轮行星探测机器人向后移动。

进一步地，包括如下步骤：

1)对第一纵振梁上的两组纵振压电陶瓷片施加第一简谐电压信号，同时对第二纵振梁上的两组纵振压电陶瓷片施加与第一简谐电压信号具有π的相位差的第三简谐电压信号，激励出第一纵振梁和第二纵振梁的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态，第一纵振梁和第二纵振梁将激发出同频且具有π的空间相位差的二阶纵振，即第一纵振梁的伸长端与第一纵振梁的缩短端对应，第一纵振梁的缩短端与第二纵振梁的缩伸长端对应，此时，第一弯振梁和第二弯振梁的左端向前水平刚性平移，而右端向后水平刚性平移，即第一弯振梁和第二弯振梁左边的驱动螺栓向前水平刚性平移，右边的驱动螺栓则向后水平刚性平移；

2)对第一弯振梁和第二弯振梁上的8组弯振压电陶瓷片同时施加第二简谐电压信号，激励出第一弯振梁和第二弯振梁的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态，振动方向垂直于水平面，即第一弯振梁和第二弯振梁上设置的驱动螺栓同时做垂直于水平方向的运动；若第一简谐电压信号、第二简谐电压信号和第三简谐电压信号同时激励出第一纵振梁和第二纵振梁的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态和第一弯振梁和第二弯振梁的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态，则同一根纵振梁上的两个驱动螺栓上的表面质点的椭圆运动轨迹的方向相反，并且两根纵振梁同一边的两个驱动螺栓的椭圆运动轨迹相同，通过摩擦作用驱动车轮旋转，从而驱动整个贴片式压电驱动四轮行星探测机器人进行转弯运动；

3)改变第一简谐电压信号和第二简谐电压信号的相位差，实现贴片式压电驱动四轮行星探测机器人进行双向转弯。

本发明具有如下有益效果：本发明提出的夹心式压电驱动四轮行星探测机器人利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能，经摩擦直接驱动车轮转动，不需要复杂的传动和减速机构，结构简单紧凑，易于控制，在微小型机器人移动系统领域具有巨大的应用前景。

附图说明：

图1是夹心式压电驱动行星探测机器人的结构示意图。

图2是第一纵振梁和第二纵振梁的结构示意图。

图3是纵振压电陶瓷片的极化方向示意图。

图4是第一弯振梁和第二弯振梁在XOZ平面内的结构示意图。

图5是第一弯振梁和第二弯振梁在ZOY平面内的结构示意图。

图6是弯振压电陶瓷片的极化方向示意图。

图7是驱动螺栓的结构示意图。

图8是车轮组件在驱动螺栓上的安装示意图。

图9是第一纵振梁和第二纵振梁的工作模态。

图10是第一弯振梁和第二弯振梁的工作模态。

图11是第一纵振梁和第二纵振梁的转弯模态。

其中：

1-第一纵振梁，2-第二纵振梁，3-第一弯振梁，4-第二弯振梁，5-驱动螺栓，6-端部圆柱，7-连接梁，8-纵振压电陶瓷片，9-中间圆柱，10-矩形梁，11-弯振压电陶瓷片，12-梯形锲形块，13-辅助锲形块，14-安装螺栓，15-预紧螺栓，16-弹簧，17-车轮，18-调节螺栓。

具体实施方式：

本发明一种夹心式压电驱动四轮行星探测机器人的结构如图1所示，包括矩形框架结构、四个驱动螺栓和车轮组件；矩形框架结构包括第一纵振梁1、第二纵振梁2、第一弯振梁3、第二弯振梁4、两根连接梁7以及四个安装螺栓14，其中第一纵振梁1和第二纵振梁2平行设置，并且两端与第一弯振梁3、第二弯振梁4通过四个安装螺栓14正交固定；第一纵振梁1和第二纵振梁2安装在第一弯振梁3和第二弯振梁4的振动节点位置；两根连接梁7分别安装在第一纵振梁1和第二纵振梁2对应的振动节点位置，并且与第一弯振梁3和第二弯振梁4平行。

第一纵振梁1和第二纵振梁2均由两根一端设置有连续变截面、另一端设置了凸出螺栓的端部圆柱6、两端设有螺纹孔的中间圆柱9和若干设有中心孔的圆形纵振压电陶瓷片8组成，其中一个端部圆柱6的连续变截面端与第一弯振梁3或第二弯振梁4连接，凸出螺栓端分别依次通过连接梁7和一组纵振压电陶瓷片8的中心孔固定在中间圆柱9的一端螺纹孔内，另一根端部圆柱6的凸出螺栓端沿着相反的方向依次通过另外一根连接梁7和另一组纵振压电陶瓷片8的中心孔固定在中间圆柱9的另一端螺纹孔内，从而构成了具有两组纵振压电陶瓷片的纵振梁，如图2所示。

一组纵振压电陶瓷片8由两片沿厚度方向极化且极化方向相反的圆形带孔压电陶瓷片组成；第一纵振梁1和第二纵振梁2上的两组纵振压电陶瓷片的极化方向相反，如图3所示。

第一弯振梁3或者第二弯振梁4由端部设置了连续变截面和螺纹孔、中间部分上下表面均设置了矩形凹槽的矩形梁10、四组弯振压电陶瓷片11和预紧装置组成，其中四组弯振压电陶瓷片11通过预紧装置固定在矩形凹槽内，并且位于矩形凹槽的两端，如图4和图5所示。

一组弯振压电陶瓷片11由两片沿着厚度方向极化且极化方向相反的矩形压电陶瓷片组成；预紧装置包括两块沿厚度方向设置有螺纹孔的梯形锲形块12、四块辅助锲形块13和一个预紧螺栓15组成，其中一块梯形锲形块12与两块辅助锲形块13配合构成一个矩形块；矩形块与设置在其两端的两组弯振压电陶瓷片11恰好填满矩形梁10的矩形凹槽，通过调节预紧螺栓15可改变梯形楔形块12和辅助锲形块13之间的距离，即可调节施加在弯振压电陶瓷片11上的预紧力；通过预紧螺栓15施加在上下梯形楔形块12上力的平衡以及预紧装置结构的对称，施加在弯振陶瓷片11上的力在理论上相等，更有利于弯振模态的激励；位于矩形梁上表面的矩形凹槽与下表面的矩形凹槽对应位置设置的弯振压电陶瓷片11的极化方向相反，如图6所示。

驱动螺栓5通过螺纹连接设置在第一弯振梁3和第二弯振梁4的两端，其中驱动螺栓5设置有两个具有一定倾角的驱动斜面，用于安装与驱动车轮组件，如图7所示。

车轮组件包括两片车轮17、若干个调节螺栓18和若干根弹簧16；调节螺栓18和弹簧16将两片车轮17固定在驱动螺栓的两个驱动斜面，调节弹簧16的伸长长度即可同时调节两片车轮17与驱动螺栓5的驱动斜面之间的预压力，如图8所示。

对4组纵振压电陶瓷片8施加第一简谐电压信号可激励出第一纵振梁1和第二纵振梁2的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态。以sin(ωt)作为激励信号，并以纵振梁的二阶纵振为例进行说明，即第一纵振梁1和第二纵振梁2的一端伸长而另一端缩短，此时第一弯振梁3和第四弯振梁4将随着第一纵振梁1和第二纵振梁2的纵向伸长或者缩短而水平向前或者向后刚性平移，即端部的驱动螺栓5沿着第一纵振梁1和第二纵振梁2的伸长或者缩短方向水平刚性平移，且两根连接梁7恰好位于第一纵振梁1和第二纵振梁2的二阶纵振节点位置，如图9所示。

当对第一弯振梁3和第二弯振梁4上的8组弯振压电陶瓷片11同时施加第二简谐电压信号，可激励出第一弯振梁3和第二弯振梁4的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态。以cos(ωt)作为激励信号，并以弯振梁的一阶弯振为例进行说明，第一弯振梁3和第二弯振梁4具有同形同频的一阶弯振，且振动方向垂直于水平面(如图10所示的XOZ平面)，即第一弯振梁3和第二弯振梁4上设置的驱动螺栓5同时做垂直于XOZ平面的运动。因此第一纵振梁1和第二纵振梁2上的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态和第一弯振梁3和第二弯振梁4的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态同时被激励出来并在驱动螺栓5上进行耦合，四个驱动螺栓5同时具有两个空间上垂直的振动位移，只要保证第一简谐电压信号和第二简谐电压信号在时间上具有π/2的相位差，可使得驱动螺栓5上的任意质点均做方向相同的椭圆运动，进而通过摩擦作用驱动与驱动螺栓5上的两个驱动斜面接触的车轮转动，实现夹心式压电驱动四轮行星探测机器人向前移动；调整第一简谐电压信号和第二简谐电压信号的相位差为-π/2，即可实现夹心式压电驱动四轮行星探测机器人向后移动。

对第一纵振梁1上的2组纵振压电陶瓷片8施加第一简谐电压信号，同时对第二纵振梁2上的2组纵振压电陶瓷片8施加与第一简谐电压信号具有π的相位差的第三简谐电压信号，可激励出所述的第一纵振梁1和第二纵振梁2的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态。如图11所示，以sin(ωt)和-sin(ωt)信号为例，第一纵振梁1和第二纵振梁2将激发出同频且具有π的空间相位差的二阶纵振，即第一纵振梁1的伸长端与第一纵振梁2的缩短端对应，第一纵振梁1的缩短端与第二纵振梁2的缩伸长端对应，此时，第一弯振梁3和第二弯振梁4的左端向前水平刚性平移，而右端向后水平刚性平移，即第一弯振梁3和第二弯振梁4左边的驱动螺栓5向前水平刚性平移，右边的驱动螺栓5则向后水平刚性平移。

若对第一弯振梁3和第二弯振梁4仍采用图10的激励方式，当对第一弯振梁3和第二弯振梁4上的8组弯振压电陶瓷片11同时施加第二简谐电压信号，可激励出第一弯振梁3和第二弯振梁4的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态。以cos(ωt)作为激励信号，并以弯振梁的一阶弯振为例进行说明，第一弯振梁3和第二弯振梁4具有同形同频的一阶弯振，且振动方向垂直于水平面，即第一弯振梁1和第二弯振梁4上设置的驱动螺栓5同时做垂直于水平方向的运动；若第一简谐电压信号、第二简谐电压信号和第三简谐电压信号同时激励出第一纵振梁1和第二纵振梁2的同频不同形的2n(n≥1，n为整数)阶纵向振动模态和第一弯振梁3和第二弯振梁4的2n+1(n≥0，n为整数)阶弯曲振动模态，即可实现同一根纵振梁上的两个驱动螺栓上的表面质点的椭圆运动轨迹的方向相反，并且两根纵振梁同一边的两个驱动螺栓的椭圆运动轨迹相同，通过摩擦作用驱动车轮旋转，从而驱动整个贴片式压电驱动四轮行星探测机器人进行转弯运动；当改变纵振压电陶瓷片和弯振压电陶瓷片的激励信号的相位差，可实现贴片式压电驱动四轮行星探测机器人进行双向转弯。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。