[發明專利]一種正交式壓電關節機構及其控制方法

在審

• 申請號: 201910337776.5
• 申請日: 2019-04-25
• 公開（公告）號: CN110238873A
• 公開（公告）日: 2019-09-17
• 發明（設計）人: 丁璐;張克華;李春茂;莊千洋;朱苗苗;鄧靚
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: B25J17/00
• 分類號: B25J17/00;B25J9/12
• 代理公司: 杭州華鼎知識產權代理事務所(普通合伙) 33217
• 代理人: 方艷

1.一種正交式壓電關節機構，其特征在于：包括至少兩個依次相連的單定子正交雙環二自由度壓電作動器，所述單定子正交雙環二自由度壓電作動器包括壓電振子、圓錐轉子和連接組件，所述壓電振子包括位于壓電振子兩端的兩個第一金屬基體、位于壓電振子中間的一個第三金屬基體、位于第三金屬基體兩側的兩個第二金屬基體，所述第二金屬基體與第三金屬基體之間設有一個縱振壓電陶瓷片，所述第一金屬基體與第二金屬基體之間設有一個彎振壓電陶瓷片，所述第一金屬基體的頭端設有圓環部，兩個圓錐轉子分別通過圓錐面夾持于圓環部的兩側，所述圓錐轉子具有中心通孔，所述連接組件包括連接軸和正交連接器，所述連接軸的中部與兩個圓錐轉子的中心通孔固定連接，壓電振子兩端的兩個第一金屬基體的圓環部軸線正交，相鄰兩個單定子正交雙環二自由度壓電作動器相接端的兩個連接軸正交且通過正交連接器連接，第一金屬基體、第二金屬基體和第三金屬基體均接地，縱振壓電陶瓷片和彎振壓電陶瓷片分別接外部驅動信號。

2.根據權利要求1所述的一種正交式壓電關節機構，其特征在于：所述正交連接器包括四個長連接件，所述長連接件包括相互垂直的頭部和尾部且頭部和尾部之間通過矩形拉伸體連接，四個長連接件的尾部呈十字型交叉分布并通過連接塊固定在一起，相鄰兩個長連接件頭部延伸方向相反，所述頭部為圓環結構，圓環結構內孔用于穿過連接軸，連接軸的兩端連接緊固件。

3.根據權利要求2所述的一種正交式壓電關節機構，其特征在于：所述尾部為凸字型且設有平面通孔，四個長連接件的尾部拼合形成一個平面，所述連接塊設有螺紋軸，螺紋軸穿過平面通孔并連接螺母。

4.根據權利要求3所述的一種正交式壓電關節機構，其特征在于：圓錐轉子呈空心圓臺狀，且直徑較小端的中心開設圓臺中心孔，圓臺中心孔開有鍵槽，連接軸連接有與鍵槽配合的鍵。

5.根據權利要求4所述的一種正交式壓電關節機構，其特征在于：所述圓錐轉子在較大端端面中心設有沉孔，所述緊固件包括位于沉孔內的硅膠環、金屬墊片以及卡環，連接軸端部穿過硅膠環、長連接件頭部、金屬墊片且卡環進行軸向限位，沉孔側壁設有與連接件矩形拉伸體配合的限位槽。

6.根據權利要求1所述的一種正交式壓電關節機構，其特征在于：所述第三金屬基體包括中間的圓柱部和兩端的螺紋軸部，所述縱振壓電陶瓷片、第二金屬基體、彎振壓電陶瓷片為圓柱狀且中心設有與螺紋軸部配合的螺紋孔。

7.根據權利要求6所述的一種正交式壓電關節機構，其特征在于：所述第一金屬基體還包括連接部和連接圓環部與連接部的漸變部，連接部為圓柱結構且端面攻有與螺紋軸部連接的螺紋孔，漸變部為變截面結構，截面為圓，漸變部橫截面小的一端與圓環部外壁固連，橫截面大的一端與連接部固連。

8.根據權利要求1所述的一種正交式壓電關節機構，其特征在于：所述彎振壓電陶瓷片采用二分區極化環形壓電陶瓷片，所述縱振壓電陶瓷片采用單區極化環形壓電陶瓷片，且外壁均做絕緣處理。

9.根據權利要求1所述的一種正交式壓電關節機構，其特征在于：所述壓電振子兩端彎振壓電陶瓷片應采用按極化分區線正交布置，且彎振壓電陶瓷片極化分區線應與金屬基體圓環部的中性面垂直。

10.一種正交式壓電關節機構控制方法，其特征在于包括如下步驟：對于每個單定子正交雙環二自由度壓電作動器，通過對一側彎振壓電陶瓷片和縱振壓電陶瓷片施加兩組特定頻率具有π/2相位差的簡諧驅動信號，激勵出壓電振子的一階縱振和二階彎振模態，兩個模態同型，且在時間上和空間上都具有π/2的相位差，通過兩個模態的耦合形成旋轉行波，使得壓電振子的圓環內側質點產生微幅橢圓運動，通過摩擦作用驅動圓錐轉子和連接組件轉動，進而驅動該正交式壓電關節運動。