一种夹心式压电驱动履带行驶装置及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及压电作动技术领域，具体是一种夹心式压电驱动履带行驶装置及其工作方法。
【背景技术】
[0002]星际探测作为太空科学发展的重要组成部分，一直以来都受到了世界各国的高度重视和大力投入。作为行星探测任务的载体与执行机构，行星表面巡视探测器的发展对于探索以及进一步开发未知行星具有重要意义。履带式行驶系统在重力加速度小的环境下较强的越障能力以及对月面粗糙复杂形貌较强的适应能力对行星探测任务十分有利，但是因为履带式行驶系统具有重量大、轮系复杂、能耗大、容易被星球表面土壤磨损以及需要润滑等缺点而使用较少。为了解决传统履带系统存在的上述问题，公开号为CN 101964600的中国专利履带驱动装置、方法及履带式行走机构结合压电作动器具有结构紧凑、力(矩)重量比大、环境适应性强和结构形式灵活多变等特点，提出了一种贴片式结构的履带驱动装置。虽然该系统舍弃了传统履带车所必须的链轮、惰轮和负重轮，具有结构简单、机械集成度高、环境适应能力强以及驱动效率高等优点，但是由于其所提出的压电换能器采用金属弹性体粘贴压电陶瓷片的方式进行激励，这种激励方式采用压电陶瓷的振动模式，能量转换的机电耦合效率低，同时因为受到粘贴胶层的强度和疲劳寿命的限制，使其具有运动速度慢、驱动力小、稳定性差以及压电陶瓷片易碎裂等缺点。
【发明内容】
[0003]本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种夹心式压电驱动履带行驶装置及其工作方法，具有结构紧凑、力(矩)重量比大、环境适应性强、结构形式灵活多变、速度快和机电耦合效率高等优点。
[0004]本发明提供的夹心式压电驱动履带行驶装置包括金属履带、两个环形构件和变截面夹心式压电换能器，金属履带的内表面与环形构件的外表面接触，两个环形构件之间通过变截面夹心式压电换能器连接，所述的变截面夹心式压电换能器包括金属连接块，金属连接块两端分别通过变截面梁与环形构件相连，其中所述的金属连接块为四边形结构，四边形四个顶点处分别固定有压电陶瓷组件，对角线上的两组压电陶瓷组件施加相同的电信号，相邻的两组压电陶瓷组件施加的电信号相位差为90°
进一步改进，所述的金属履带由若干履带块通过圆柱销连接而成，金属履带内表面的粗糙度与金属履带的材质呈一定比例关系，具体内表面粗糙度的选取可以根据金属履带材料通过有限次实验确定。
[0005]进一步改进，所述的压电陶瓷组件包括通过环氧树脂胶依次胶合的第一压电陶瓷片、电极片和第二压电陶瓷片，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片极化方向相反。
[0006]进一步改进，所述的金属连接块两端分别设置有两个具有螺纹的盲孔，变截面梁与金属连接块连接处开有与盲孔对应的通孔，压电陶瓷组件中央也开有与盲孔对应的通孔，螺栓穿过盲孔和通孔将金属连接块、压电陶瓷组件和变截面梁固定。
[0007]进一步改进，所述的变截面梁与环形构件连接处截面积最小。
[0008]本发明还提供了一种夹心式压电驱动履带行驶装置的工作方法，包括以下步骤:对金属连接块上的两条对角线上的压电陶瓷组件分别施加两相具有90°相位差的电信号，激励变截面夹心式压电换能器产生纵向振动和弯曲振动，使变截面夹心式压电换能器与环形构件的接触位置同时产生平动和转动，从而使环形构件呈现两相绕圆周方向的同形n(n2 2)阶面内弯振模态，其中接触位置的平动位于环形构件上面内弯振模态的波峰或波谷位置，而接触位置的转动位于环形构件上面内弯振模态的节点位置，因此环形构件上的两相同形n(n 2 2)阶面内弯振模态在空间上存在V2的相位差;保证变截面夹心式压电换能器产生的纵向振动和弯曲振动的激励频率一致，两相在时间和空间上都具有V2相位差的同形η阶面内弯振模态在环形构件上将耦合形成同向的沿圆周方向行进的η (η 2 2)阶弯曲行波，环形构件外表面的质点做微幅椭圆运动，通过摩擦作用驱动与其接触的金属履带运动。
[0009]将属连接块上相邻的压电陶瓷组件之间的相位差由90°改变为-90°时，在环形构件上形成的具有η个波峰波谷一并呈现的行波将反向，金属履带向相反方向运动。
[0010]本发明有益效果在于:本发明避免了传统履带行驶系统存在的重量大、轮系复杂、能耗大、容易被星球表面土壤磨损以及需要润滑等缺点，同时避免了专利《履带驱动装置、方法及履带式行走机构》中贴片式履带行驶系统存在的缺点，例如能量转换机电耦合效率低，因为粘贴胶层的强度和疲劳寿命的限制导致运动速度慢，驱动力小以及压电陶瓷片易碎裂等缺点。本发明所提出的夹心式压电驱动履带行驶系统具有结构紧凑、力(矩)重量比大、环境适应性强、结构形式灵活多变、速度快和机电耦合效率高等优点。
【附图说明】
[0011]图1是本发明结构示意图。
[0012]图2是金属履带结构示意图。
[0013]图3(a)是变截面夹心式压电换能器结构主视图。
[0014]图3(b)是变截面夹心式压电换能器结构俯视图。
[0015]图4是第一压电陶瓷片极化的结构示意图。
[0016]图5是第二压电陶瓷片极化的结构示意图。
[0017]图6是压电陶瓷元件的布局图。
[0018]图7是变截面梁上纵振时环形构件上的振动模态示意图。
[0019]图8是变截面梁上弯振时环形构件上的振动模态示意图。
[0020]图9是压电陶瓷组件输入电信号的示意图。
[0021]图10是环形构件上两个同形4阶面内弯振耦合成行波的示意图。
[0022]其中1:金属履带;2:环形构件;3:变截面夹心式压电换能器;3-1:变截面梁;3-2:螺栓；3-3:弹性垫片;3-4:第一压电陶瓷片;3-5:电极片;3-6:第二压电陶瓷片;3-7:金属连接块;4:履带块;5:圆柱销;6:变截面梁上纵振时环形构件上对应的面内弯振模态;7:变截面梁上弯振时环形构件上对应的面内弯振模态。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0024]本发明提供的夹心式压电驱动履带行驶装置包括金属履带1、两个环形构件2和变截面夹心式压电换能器3。变截面夹心式压电换能器3由两个变截面梁3-1、四个螺栓3-2、四个弹性垫片3-3、四片第一压电陶瓷片3-4、四片电极片3-5、四片第二压电陶瓷片3- 6、金属连接块3-7构成，如图1所示。金属履带1由若干履带块4和圆柱销5组成，其内表面以自身张紧力与环形构件外表面接触，其结构如图2所示。金属履带内表面的粗糙度与金属履带的材质呈一定比例关系，具体内表面粗糙度的选取可以根据金属履带材料通过有限次实验确定。
[0025]变截面夹心式压电换能器3中间是一个金属连接块3-7，金属连接块3-7两端分别有两个具有螺纹的盲孔。第一压电陶瓷3-4片、第二压电陶瓷片3-6和电极片3-5有圆形通孔，三者通过环氧树脂胶粘贴在一起组成压电陶瓷组件。变截面梁3-1与金属连接块3-7连接处开有通孔，与压电陶瓷组件以及金属连接块通过螺栓连接，并将压电陶瓷组件夹紧，