一种贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人及其工作方法与流程

本发明涉及压电驱动技术和行星探测机器人技术领域，尤其涉及一种贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人及其工作方法。

背景技术：

行星探测是各个国家进行深空探测的重要课题。其中，轮式移动系统是目前应用最为广泛的行星机器人移动系统，它拥有移动速度快，易于控制等优点。但同样存在越障能力差的问题。

月壤颗粒直径以小于1mm为主，平均粒径为70μm，近半数的月壤直径小于肉眼分辨能力。传统轮式移动系统若采用电磁电机驱动，减速装置存在月壤进入的风险。一旦传动受到干扰，电机堵转可能会造成大电流烧坏电机的情况。

压电作动是利用压电陶瓷驱动定子表面产生微幅椭圆运动，并利用摩擦将运动传递至转子。相比与电磁电机构成的移动装置具有直接作动的优点，无需复杂的传动机构。同时定子表面的高频微幅振动可以在一定程度上起到表面清洁的作用，减小月壤对移动系统的影响。

在现有的压电作动行星移动系统的设计中（公开号：cn109334794a、cn206615409u）履带式的结构利用压电振子表面的椭圆运动驱动与之接触的履带进行运动，但两者之间的预压力只能通过履带的张紧程度进行调节，难以调至最佳。同时附加的履带会大大增加系统重量。而轮式结构则存在结构复杂，设计重量和尺寸较大的问题，同时在复杂地形的通过性较差。

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，提供一种贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人及其工作方法，具有结构紧凑、通过性强、尺寸小、速度快等优点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人，包含贴片式压电振子、第一车轮和第二车轮；

所述贴片式压电振子包含金属基体和2s对压电陶瓷组，s为大于等于1的整数；

所述的金属基体包含矩形梁、第一驱动圆环和第二驱动圆环；

所述第一驱动圆环、第二驱动圆环均为两端开口的空心圆柱体；

所述的矩形梁为直梁，包含第一端面、第二端面、以及第一至第四侧面，其中，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；所述矩形梁的第一端面、第二端面分别和所述第一驱动圆环、第二驱动圆环的外壁相连，且矩形梁的轴线经过第一驱动圆环、第二驱动圆环的中心，所述第一驱动圆环、第二驱动圆环关于矩形梁的中心对称；

所述2s对压电陶瓷组沿矩形梁依次设置，均包含对称设置在矩形梁第一侧面、第三侧面的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片，且所述2s对压电陶瓷组关于经过矩形梁中点且垂直于矩形梁的平面两两对称；所述2s对压电陶瓷组中的压电陶瓷片均沿厚度方向极化，第一组至第s对压电陶瓷组中压电陶瓷片的极化方向相同，第s+1组至第2s对压电陶瓷组中压电陶瓷片的极化方向和第一组至第s对压电陶瓷组中压电陶瓷片的极化方向相反；

所述的第一车轮、第二车轮均包含第一轮毂、第二轮毂、变截面轴、第一外轮、第二外轮、调节弹簧和调节螺母；所述的变截面轴包含依次同轴相连的光杆、方杆和螺杆，所述螺杆上的外螺纹和所述调节螺母的内螺纹相匹配；所述第一轮毂、第二轮毂均包含圆柱段和圆台段，圆台段面积较大的端面和圆柱段的一端固连，且圆台段、圆柱段同轴；所述第一轮毂沿其轴线设有和所述变截面轴方杆相匹配的方形通孔，所述第二轮毂在其圆台段远离圆台段的端面中心设有用于和所述变截面轴光杆过盈配合的盲孔；所述第一外轮、第二外轮均呈圆环状，其中，第一外轮的内壁和所述第一轮毂圆柱段的外壁过盈配合，第二外轮的内壁和所述第二轮毂圆柱段的外壁过盈配合；所述调节螺母设有光杆的一端和所述第二轮毂上的盲孔过盈配合，另一端穿过第一轮毂上的方形通孔后和所述调节螺母螺纹相连，且调节螺杆的方杆和所述第一轮毂上的方形通孔相配合；所述调节弹簧套在所述调节螺母的螺杆上，一端和所述调节螺母相抵、另一端和第一轮毂相抵；

所述第一车轮第一轮毂圆台段的侧壁、第一车轮第二轮毂圆台段的侧壁分别和第一驱动圆环的两端相抵，所述第二车轮第一轮毂圆台段的侧壁、第二车轮第二轮毂圆台段的侧壁分别和第二驱动圆环的两端相抵；所述第一车轮的调节螺母用于调节第一车轮和第一驱动圆环之间的预压力，第二车轮的调节螺母用于调节第二车轮和第二驱动圆环之间的预压力。

作为本发明贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人进一步的优化方案，所述矩形梁的第一侧面、第三侧面上设有一一对应于所述2s对压电陶瓷组中第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片的安装槽，所述2s对压电陶瓷组中的压电陶瓷片通过环氧树脂胶粘在所述矩形梁上。

作为本发明贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人进一步的优化方案，所述第一车轮、第二车轮均采用金属材料制成。

作为本发明贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人进一步的优化方案，所述第一外轮、第二外轮的外壁上均匀设有至少四个轮齿。

本发明还公开了一种该贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人的工作方法，包含以下步骤：

对第2x+1对压电陶瓷组中的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片分别施加第一相驱动电压、第二相驱动电压，x为大于等于0小于s的整数；对第2y对压电陶瓷组中的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片分别施加第二相驱动电压、第一相驱动电压，y为大于等于1小于等于s的整数；调节第一相驱动电压、第二相驱动电压使其相位差为π/2，同时激发矩形梁的n阶弯曲振动和m阶纵向振动，n为奇数、m为偶数，进而同时激发出第一、第二驱动圆环两个同阶具有π/2空间相位差的面内弯曲振动，由此耦合出两个转向相同的行波，在第一、第二驱动圆环的内环质点产生相同的微幅椭圆运动，通过摩擦作用分别驱动第一车轮、第二车轮同向转动，从而使得贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人移动；

如果需要使贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人反向移动，调节第一相驱动电压、第二相驱动电压使其相位差为-π/2即可。

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：

本发明避免了传统行星探测机器人移动系统中存在的重量大、结构复杂、易受微小粉尘影响等缺点，采用直接驱动的原理，无需传动轮系，解决了现有技术中行星探测机器人通过性差的问题。

附图说明

图1是本发明贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人的结构示意图；

图2是本发明中s=2时各个压电陶瓷片极化方向和施加电信号的示意图；

图3是本发明中第一车轮的结构示意图；

图4是本发明矩形梁弯纵复合激励的示意图；

图5是本发明矩形梁上弯振时第一、第二驱动圆环上的振动模态示意图；

图6是本发明矩形梁上纵振时第一、第二驱动圆环上的振动模态示意图；

图7是本发明第一、第二驱动圆环上两个同形4阶面内弯振耦合合成行波的示意图。

图中，1-金属基体，2-压电陶瓷片，2.1-第一对压电陶瓷组，2.2-第二对压电陶瓷组，2.3-第三对压电陶瓷组，2.4-第四对压电陶瓷组，3-第一轮毂，4-第二轮毂，5-变截面轴，6-调节螺母，7-调节弹簧，8-第二外轮，9-第一外轮。

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，本发明公开了一种贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人，包含贴片式压电振子、第一车轮和第二车轮；

所述贴片式压电振子包含金属基体和2s对压电陶瓷组，s为大于等于1的整数；

所述的金属基体包含矩形梁、第一驱动圆环和第二驱动圆环；

所述第一驱动圆环、第二驱动圆环均为两端开口的空心圆柱体；

所述的矩形梁为直梁，包含第一端面、第二端面、以及第一至第四侧面，其中，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；所述矩形梁的第一端面、第二端面分别和所述第一驱动圆环、第二驱动圆环的外壁相连，且矩形梁的轴线经过第一驱动圆环、第二驱动圆环的中心，所述第一驱动圆环、第二驱动圆环关于矩形梁的中心对称。

如图2所示，所述2s对压电陶瓷组沿矩形梁依次设置，均包含对称设置在矩形梁第一侧面、第三侧面的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片，且所述2s对压电陶瓷组关于经过矩形梁中点且垂直于矩形梁的平面两两对称；所述2s对压电陶瓷组中的压电陶瓷片均沿厚度方向极化，第一组至第s对压电陶瓷组中压电陶瓷片的极化方向相同，第s+1组至第2s对压电陶瓷组中压电陶瓷片的极化方向和第一组至第s对压电陶瓷组中压电陶瓷片的极化方向相反。

所述矩形梁的第一侧面、第三侧面上设有一一对应于所述2s对压电陶瓷组中第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片的安装槽，所述2s对压电陶瓷组中的压电陶瓷片通过环氧树脂胶粘在所述矩形梁上。

如图3所示，所述的第一车轮、第二车轮均包含第一轮毂、第二轮毂、变截面轴、第一外轮、第二外轮、调节弹簧和调节螺母；所述的变截面轴包含依次同轴相连的光杆、方杆和螺杆，所述螺杆上的外螺纹和所述调节螺母的内螺纹相匹配；所述第一轮毂、第二轮毂均包含圆柱段和圆台段，圆台段面积较大的端面和圆柱段的一端固连，且圆台段、圆柱段同轴；所述第一轮毂沿其轴线设有和所述变截面轴方杆相匹配的方形通孔，所述第二轮毂在其圆台段远离圆台段的端面中心设有用于和所述变截面轴光杆过盈配合的盲孔；所述第一外轮、第二外轮均呈圆环状，其中，第一外轮的内壁和所述第一轮毂圆柱段的外壁过盈配合，第二外轮的内壁和所述第二轮毂圆柱段的外壁过盈配合；所述调节螺母设有光杆的一端和所述第二轮毂上的盲孔过盈配合，另一端穿过第一轮毂上的方形通孔后和所述调节螺母螺纹相连，且调节螺杆的方杆和所述第一轮毂上的方形通孔相配合；所述调节弹簧套在所述调节螺母的螺杆上，一端和所述调节螺母相抵、另一端和第一轮毂相抵。所述第一外轮、第二外轮的外壁上均匀设有至少四个轮齿，图1、图3中采用了6个轮齿。

所述第一车轮第一轮毂圆台段的侧壁、第一车轮第二轮毂圆台段的侧壁分别和第一驱动圆环的两端相抵，所述第二车轮第一轮毂圆台段的侧壁、第二车轮第二轮毂圆台段的侧壁分别和第二驱动圆环的两端相抵；所述第一车轮的调节螺母用于调节第一车轮和第一驱动圆环之间的预压力，第二车轮的调节螺母用于调节第二车轮和第二驱动圆环之间的预压力。

所述第一车轮、第二车轮均采用金属材料制成。

本发明还公开了一种该贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人的工作方法，包含以下步骤：

对第2x+1对压电陶瓷组中的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片分别施加第一相驱动电压、第二相驱动电压，x为大于等于0小于s的整数；对第2y对压电陶瓷组中的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片分别施加第二相驱动电压、第一相驱动电压，y为大于等于1小于等于s的整数；调节第一相驱动电压、第二相驱动电压使其相位差为π/2，同时激发矩形梁的n阶弯曲振动和m阶纵向振动，n为奇数、m为偶数，进而同时激发出第一、第二驱动圆环两个同阶具有π/2空间相位差的面内弯曲振动，由此耦合出两个转向相同的行波，在第一、第二驱动圆环的内环质点产生相同的微幅椭圆运动，通过摩擦作用分别驱动第一车轮、第二车轮同向转动，从而使得贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人移动；

如果需要使贴片式行波型压电驱动轮式移动机器人反向移动，调节第一相驱动电压、第二相驱动电压使其相位差为-π/2即可。

下面以s=2举例说明：

如图2所示，用于激发矩形梁弯振与纵振的压电陶瓷组一共有四组，均沿厚度方向极化。其中第一对压电陶瓷组2.1和第二对压电陶瓷组2.2中四个压电陶瓷片的极化方向相同，与第三对压电陶瓷组2.3和第四对压电陶瓷组2.4中四个压电陶瓷片的极化方向相反。同时，每对压电陶瓷组上下压电陶瓷片施加的电压具有π/2的时间相位差。

如图4所示，按照上述的极化方向与激励电压加载方式，每对压电陶瓷组都能够同时激发出矩形梁的弯振和纵振。在第一对压电陶瓷组中，以第一激励电信号为正弦信号，第二激励电信号为余弦信号为例，在一个激振周期中，当t=t1和t=t5时，矩形梁达到了弯曲振动的极限位置，当t=t3和t=t7时，矩形梁达到了纵向振动的极限位置。当0<t<t2和t4<t<t6时，上下两片陶瓷片一片伸长而另一片收缩，激发矩形梁进行近似弯曲振动，此时为弯曲振动时间。当t2<t<t4和t6<t<t8时，上下两片陶瓷片同时伸长或收缩，激发矩形梁进行近似纵向振动，此时为纵向振动时间。在一个激励周期中，既有纵向振动时间又有弯曲振动时间，可以同时激发出矩形梁的弯振与纵振。

如图5所示，当矩形梁被激发出弯曲振动时，环形结构上将呈现k（k≥2）阶面内振动模态；如图6所示，当矩形梁被激发出纵向振动时，环形结构上将呈现出与上述激励出的面内弯振同形但是具有π/2的空间相位差的k（k≥2）阶面内弯振模态。当四对压电陶瓷组分别接入具有π/2时间相位差的第一相、第二相驱动电压，矩形梁将同时被激励出弯振模态和纵振模态，并在第一、第二驱动圆环上呈现出同向的沿着圆周方向旋转的k（k≥2）阶弯曲行波，第一、第二驱动圆环内表面的质点做微幅椭圆运动，通过摩擦作用驱动第一车轮、第二车轮运动。将第一相、第二相驱动电压之间的相位差改变为-π/2，第一、第二驱动圆环上的行波将实现反向旋转，实现对第一车轮、第二车轮的反向驱动。

以k=4、第一相驱动电压为余弦信号、第二相驱动电压为正弦信号为例。当对四对压电陶瓷组施加如图2所示的电压信号时，同时激发出矩形梁的8阶弯振模态和3阶纵振模态，矩形梁中点位置位于节点处；并且四对压电陶瓷组均位于弯振的波峰波谷处，第一对压电陶瓷组2.1和第四对压电陶瓷组2.4位于纵振的节点处，第二对压电陶瓷组2.2和第三对压电陶瓷组2.3位于矩形梁中间的凹槽处；此时第一、第二驱动圆环两个同形的4阶面内弯振模态在时间和空间上都具有π/2相位差，如图7所示，因此可以耦合成沿周向旋转的行波，第一、第二驱动圆环内表面的质点将做微幅的椭圆运动，并通过摩擦作用第一车轮、第二车轮转动。当改变第一相驱动电压和第二相驱动电压的相位差为-π/2时，第一、第二驱动圆环上形成的行波将同时反向，因此第一车轮、第二车轮也将反向转动。

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。

以上所述的具体实施方式，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。