[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

本發明公開了一種正交式壓電關節機構及其控制方法，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，壓電振子包括兩個第一金屬基體、一個第三金屬基體、兩個第二金屬基體，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，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，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組件連接。本發明采用單定子正交雙環結構，可以使得單個壓電作動器實現二自由度轉動；依靠摩擦力直接驅動關節轉動，結合壓電材料體積小、功率密度高的優點，實現了整體結構的微型化設計，同時發揮了壓電驅動的響應迅速、斷電自鎖等優點。

技術領域

本發明涉及機器人技術，具體涉及機械臂。

背景技術

現有的機械臂多數采用傳統的驅動技術，將電磁電機等驅動器置于關節處，利用運動傳輸元件如齒輪、帶輪等將驅動器的運動傳輸到驅動關節。如若實現多自由度運動，則必須增加驅動器的數量。以上傳統的驅動技術使得整個機械臂體積龐大，功率密度低，很難實現整體的小型化，制約了其在深空、深海探索、醫療等對質量體積等有嚴格要求領域的進一步應用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題就是提供一種正交式壓電關節機構，不僅結構緊湊可微型化，而且可以發揮壓電驅動響應迅速、斷電自鎖的特點。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：一種正交式壓電關節機構，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。

可選的，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。

可選的，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。

可選的，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。

可選的，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。

可選的，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。

可選的，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。

可選的，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。