[發(fā)明專利]一種壓電驅(qū)動深海機械臂及其驅(qū)動方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010216101.8
• 申請日: 2020-03-25
• 公開（公告）號: CN111251284B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙恒;金家楣;陳迪;劉瑞;于鵬鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: B25J9/10
• 分類號: B25J9/10;B25J17/02
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 韓天宇

本發(fā)明公開了一種壓電驅(qū)動深海機械臂及其驅(qū)動方法，機械臂包含若干個依次相連的單元臂節(jié)；單元臂節(jié)包含壓電振子、定位組件和關(guān)節(jié)組件。定位組件限制轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)運動，使其能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運動；調(diào)節(jié)定位組件能夠調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)組件與壓電振子間的預(yù)壓力，進而調(diào)節(jié)單元臂節(jié)的輸出力；對壓電振子施加具有π/2相位差的驅(qū)動信號，激勵出壓電振子二階非對稱彎振模態(tài)和二階對稱彎振模態(tài)，使其自身與關(guān)節(jié)組件相接觸的界面質(zhì)點產(chǎn)生微輻橢圓運動，經(jīng)過摩擦作用產(chǎn)生力驅(qū)動關(guān)節(jié)組件轉(zhuǎn)動。壓電摩擦驅(qū)動原理使得本發(fā)明可在深海環(huán)境下采用全開放結(jié)構(gòu)，不需要電磁和液壓驅(qū)動機械臂所需的龐大密封裝置，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，在深海探測領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓電驅(qū)動及機器人領(lǐng)域，尤其涉及一種壓電驅(qū)動深海機械臂及其驅(qū)動方法。

背景技術(shù)

深海機械手是深海作業(yè)技術(shù)的重要裝備，輕量化、精密化、智能化是其未來的發(fā)展趨勢。現(xiàn)有深海機械手驅(qū)動多以采用液壓杠桿結(jié)構(gòu)，以內(nèi)部液壓平衡海水壓力，結(jié)構(gòu)龐大且伴有油液泄漏、海水入侵帶來的海洋污染和裝置失效的風(fēng)險。利用無刷電機和充油補償海水壓力的驅(qū)動方式，可大幅減小結(jié)構(gòu)尺寸和重量、提高靈活性，但要徹底消除油液泄漏、海水入侵導(dǎo)致電機失效風(fēng)險還有很多工作要做。如何緩解、擺脫深海高水壓的限制，構(gòu)建一種能適應(yīng)深海水壓、功率密度大、結(jié)構(gòu)簡單的機械手驅(qū)動器，是深海機械手輕量化、精密化、智能化設(shè)計的基礎(chǔ)工作。

壓電作動器是一種利用壓電智能材料和摩擦驅(qū)動原理的新型驅(qū)動器，以其高精度、質(zhì)量輕、功率密度大、低速直驅(qū)等優(yōu)勢，成為高端裝備在輕量化、智能化提升和換代的首選作動器，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。例如，嫦娥三號使用的TRUM-30A型壓電作動器，僅為其它備選驅(qū)動電機重量的十分之一。對于深海探測領(lǐng)域，壓電作動器的電-微振-摩擦-宏動的驅(qū)動機理鏈條各環(huán)節(jié)都具備深海環(huán)境相容性，即微觀振動-宏觀運動摩擦耦合過程不存在動態(tài)密封問題，可直浸式工作于深海環(huán)境，只需對電氣接口部分進行簡單可靠的靜密封，不需耐壓倉、動密封環(huán)、壓力平衡裝置和傳動機構(gòu)，可作為深海機械手輕量化設(shè)計的驅(qū)動器。

針對上述直流電機和液壓驅(qū)動的機械臂的缺點，以及壓電驅(qū)動原理對深海環(huán)境的相容性，本發(fā)明提出一種壓電驅(qū)動深海機械臂，期望在功率重量比和深海環(huán)境適應(yīng)能力方面比現(xiàn)有驅(qū)動形式有所提升。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種壓電驅(qū)動深海機械臂及其驅(qū)動方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種壓電驅(qū)動深海機械臂，包含若干依次相連的單元臂節(jié)；

所述單元臂節(jié)包含一個壓電振子、一套定位組件和一套關(guān)節(jié)組件；

所述壓電振子包含一個金屬基體、第一壓電陶瓷片和第二壓電陶瓷片；

所述金屬基體呈倒M形，包含第一矩形梁、第二矩形梁和連接梁，其中，所述第一矩形梁、第二矩形梁均包含上端面、下端面、以及依次相連的第一至第四側(cè)面，第一側(cè)面平行于第四按側(cè)面，第二側(cè)面平行于第四側(cè)面；所述第一矩形梁、第二矩形梁平行設(shè)置，第一矩形梁的第一側(cè)面、第二矩形梁的第一側(cè)面相互平行且位于第一矩形梁的第三側(cè)面、第二矩形梁的第三側(cè)面之間；所述連接梁呈倒V形，連接梁的兩端分別和所述第一矩形梁第一側(cè)面、第二矩形梁第一側(cè)面的底端固連；所述連接梁中部頂點上設(shè)有凸起的驅(qū)動齒；所述第一矩形梁、第二矩形梁的下部均設(shè)有貫穿第二側(cè)面和第四側(cè)面的安裝孔，用于和相鄰單元臂節(jié)相連；

所述第一壓電陶瓷片、第二壓電陶瓷片均沿厚度方向極化，對稱膠結(jié)在所述第一矩形梁、第二矩形梁的第三側(cè)面上，極化方向由外向內(nèi)；

所述定位組件包括腿式夾具、關(guān)節(jié)夾具、調(diào)節(jié)螺柱、調(diào)節(jié)螺母、預(yù)緊彈簧和墊片；