[發明專利]一種可操縱多種相異結構動子的四指壓電機械手及其激勵方法

有效

• 申請號: 202010065303.7
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111230919B
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 劉英想;張仕靜;鄧杰;劉軍考;陳維山
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B25J15/10
• 分類號: B25J15/10;B25J15/12;B25J15/02;B25J15/00;B25J13/00;H02N2/00
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 王海婷

本發明公開了一種可操縱多種相異結構動子的四指壓電機械手及其激勵方法，屬于仿生機器人技術領域。四指壓電機械手包括一個平板基座、四個彎曲壓電手指和多個聯接螺釘，可操縱包括球型、平板型和圓柱型等結構類型的動子。當激勵電壓信號被施加至彎曲壓電手指，彎曲壓電手指可產生彎曲運動，通過調整四個彎曲壓電手指激勵電壓信號的時序和幅值控制它們的彎曲運動方向。根據動子的結構類型選擇四個彎曲壓電手指的彎曲運動，進一步利用摩擦力操縱動子產生多個自由度的運動。本發明的四指壓電機械手具有動子結構類型自適應、操縱動子運動范圍廣、多自由度、大尺度和結構簡單的優點，在多自由度微納操控領域有著廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于仿生機器人技術領域，尤其是涉及一種可操縱多種相異結構動子的四指壓電機械手及其激勵方法。

背景技術

隨著精密加工、精密醫療、微納制造等先進技術的快速發展，它們對具備微納對象操控能力的設備提出了迫切的需求，尤其是具備多自由度運動操縱能力的微納操控機械手。然而，當前具備高靈活性和多自由度操縱能力的機械手大多采用電磁電機驅動，其結構中往往采用了復雜的減速機構以提高機械手操縱物體運動的低速平穩性；這導致其結構簡化困難，在實現多自由度操縱時往往導致整個系統極為復雜；最關鍵的是傳統電磁電機加減速機構的方式限制了其運動精度，難以滿足微納操控領域中操縱物體實現微納米運動精度的實際需求。

近年來，隨著壓電功能材料在精密運動方面的成功實現，國內外研究學者對采用壓電致動原理的壓電微納操縱機械手開展了廣泛研究；其利用壓電材料的逆壓電效應實現電能和機械能的轉換，通常具有響應速度快、斷電自鎖、結構簡單、無電磁干擾，運動分辨力高等特點。當前壓電微納操縱機械手主要采用壓電疊堆作為致動元件，為了擴大其運動行程，其在結構上通常與柔性位移放大機構結合；這類壓電微納操縱機械手實現了較高的運動精度，雖然其采用了柔性位移放大機構擴展操縱行程，但是其操縱行程依然有限，操縱自由度通常較為單一。由于這類壓電微納操縱機械手采用壓電疊堆和柔性放大機構結合的方案，這導致其在實現多自由度運動或操縱方面存在結構復雜、難以在簡化結構的基礎上獲得多自由度運動或操縱能力；此外，采用壓電疊堆作為微納操縱機械手的致動元件，使其在應用中產生難以避免的嚴重遲滯現象。總而言之，如何擴展微納操縱機械手的自由度和操縱范圍，以及如何提高微納操縱機械手對操縱對象的適應性已經成為微納操控領域的關鍵問題。

由上述可知，雖然當前研究中采用壓電原理的微納操縱機械手具備了高精度操縱能力，但是其存在明顯的自由度少、操縱范圍小的不足，且其可操縱對象的結構類型單一、運動類型固化。因此，兼具微納米操縱精度、多自由度、大行程運動的操縱能力已成為目前微納操縱機械手的研究目標。鑒于生物界動物肢體運動的多樣性和靈活性，基于仿生學的基本原理，探索可實現納米運動精度、多自由度、大行程、適應不同結構類型物體的微納操縱機械手已成為當前的研究熱點。

發明內容

有鑒于此，本發明旨在提出一種可操縱多種相異結構動子的四指壓電機械手及其激勵方法，以解決當前微納操縱機械手自由度少、操縱范圍小、本體結構復雜、操縱對象結構類型單一和尺寸固定化的問題。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種可操縱多種相異結構動子的四指壓電機械手，包括一個平板基座、四個彎曲壓電手指和若干聯接螺釘，所述彎曲壓電手指分為第一彎曲壓電手指、第二彎曲壓電手指、第三彎曲壓電手指、第四彎曲壓電手指；并且四個彎曲壓電手指的結構相同，所述第一彎曲壓電手指包括上端部、壓電單元和致動器基座，且上端部的頂端為不完整的球型結構；所述四個彎曲壓電手指與平板基座通過聯接螺釘固定連接；所述四個彎曲壓電手指在平板基座上的固定位置的中心連線為正方形或圓形；且第一彎曲壓電手指的上端部、第二彎曲壓電手指的上端部、第三彎曲壓電手指的上端部和第四彎曲壓電手指的上端部均與動子保持接觸，利用四個彎曲壓電手指的上端部與動子的接觸實現動子的支承和操縱；被操縱的所述動子為球型動子、平板型動子或圓柱型動子，其中平板型動子的外沿形狀為矩形、圓形或邊數大于四條的多邊形結構，圓柱型動子為實心結構或空心結構。