[发明专利]微型多自由度超声电机

说明书

技术领域

本发明涉及超声电机技术领域，特别是一种机械手关节驱动用微型多自由度超声电机。

背景技术

随着科学技术的发展，机电系统也日益复杂化，对驱动电机也提出了更高的要求，如机器人关节、眼球、监视系统等都需要多自由度驱动。假如这些系统每一个自由度都由一台单自由度电机来驱动，这必然使整个机构复杂、体积庞大、质量重，而且传动机构的误差会影响整个系统的操作精度及稳定性。

相对于传统的单自由度电机而言，多自由度超声波电机具备：1、不受磁场影响；2、微型化、功率密度大；3、无噪音污染；4、动态响应快；5、位移分辨率高等优点，十分适合应用在医疗、机器人等领域。在医疗上，如：大脑、口腔、心血管等方面，要求机器人体积小，机械手精度高、灵敏性高，这就对多自由度超声波电机提出了体积小、精度高的要求。因此，微型超声电机成为研究热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种微型多自由度超声电机，实现电机结构简单化、体积小型化、运动控制精确化、单电机能实现多个自由运动。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微型多自由度超声电机，包括顶盖，套筒，底座，转子，定子，挡圈和弹簧；所述套筒与所述顶盖和所述底座连接，所述转子与所述顶盖的上表面中心通孔球面接触，通孔与所述转子耦合，通孔的直径小于所述转子的直径，进而实现所述转子和所述定子的垂直方向的预定位，所述定子的顶端与所述转子球面接触，所述弹簧安装在所述挡圈内，下端与所述底座接触，所述挡圈支撑所述定子。

所述定子包括驱动足，第一定子脚、第二定子脚、第三定子脚、第四定子脚和压电陶瓷，所述驱动足位于定子的顶端，所述四个定子脚成对称布置，与所述挡圈的底部平台接触，所述压电陶瓷粘贴在所述四个定子脚上；分别在每个定子脚和压电陶瓷上接激励电线，根据所述压电陶瓷的逆压电效应及其与四个定子脚刚性的差异，实现所述第一定子脚、第二定子脚、第三定子脚、第四定子脚的弯曲，所述四个定子脚在电信号的作用下，分别沿x轴和y轴方向弯曲，进而带动所述驱动足的偏转，在摩擦力的作用下，通过四个定子脚的配合弯曲，实现所述转子多自由度的转动。

将所述定子设计为对称型结构，以保证所述定子在x/y方向的固有频率一致，满足电机的力学性能要求；由于需要保证所述定子的力传递性能，使得所述驱动足能够有更大的振幅；因此，在对底部进行约束时，把所述定子脚底端向内弯曲，既能增加底部面积以便进行约束，又能充分利用所述定子内部空间，减少电机尺寸。为了避免应力集中，将所述定子脚与所述驱动足连接处设计为平弧形；为使所述定子与所述转子之间能够具有更好的摩擦接触特性，将所述定子的驱动足设计为薄壁圆柱状。

所述顶盖下端外圆设有外螺纹，与所述套筒采用螺纹连接，所述套筒的下端内圆设有内螺纹，与所述底座螺纹连接，所述套筒的内圆中间部位设有十字型结构，对所述定子约束，为了避免干涉，所述定子与十字型结构中间留有间隙。

所述挡圈底部开有盲孔，所述弹簧嵌入盲孔内，另一端与所述底座接触，由于所述转子的转动和所述定子的偏移，带动所述挡圈垂直方向的移动，通过调节弹簧的压缩量来调节电机预压力的大小。

通过分别对定子上的四个信号输入端提供不同的驱动信号，激励出定子工作模态二和工作模态三，这两个振动模态响应的叠加将使驱动足端面质点进行椭圆运动，并推动转子进行绕x轴旋转运动；同理，激励出定子工作模态一和工作模态三，推动转子进行绕y轴旋转运动；激励出定子工作模态一和工作模态二，推动转子进行绕z轴旋转运动。如此，微型多自由度超声电机有三个自由度，分别为绕x、y、z轴方向旋转。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的优点：

本发明微型多自由度超声电机利用压电陶瓷片的逆压电效应工作，体积小、零部件少、结构简单、设计紧凑、整体尺寸小、低速大扭矩、能实现直接驱动机械手，不产生磁场亦不受磁场干扰，单电机能实现多自由度驱动，适合应用在医疗、机器人、精密仪器、复杂机械生产等领域。

附图说明

图1所示为本发明微型多自由度超声电机的立体半剖视图。

图2所示为本发明微型多自由度超声电机的定子结构示意图。

图3所示为本发明微型多自由度超声电机的定子工作振动模态示意图。其中图3（a）是电机定子第一个工作模态的振型图，图3（b）是电机定子第二个工作模态的振型图，图3（c）是电机定子第三个工作模态的振型图。细实心箭头是定子脚振动方向，粗空心箭头是驱动足运动方向。