[发明专利]一种夹心式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法

说明书

本发明公开一种夹心式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法，由矩形框架结构、驱动螺栓和车轮组件组成；矩形框架结构由两根纵振梁、两根弯振梁、两根连接梁以及4个安装螺栓组成；两根纵振梁与两根弯振梁正交连接并通过4个安装螺栓固定；2根连接梁正交安装在两根纵振梁的振动节点位置。驱动螺栓安装在弯振梁端部。车轮组件通过调节螺栓和弹簧安装在驱动螺栓上。激励出纵振梁的二阶纵向振动模态，弯振梁上的驱动螺栓将同时向前或向后刚性平移；激励出弯振梁的一阶弯振模态，驱动螺栓将同时向上或向下运动；只要两相激励信号在时间上具有π/2的相位差，驱动螺栓上的质点将做椭圆运动，经摩擦驱动车轮旋转，实现机器人向前或向后运动以及转向。

技术领域：

本发明提出了一种夹心式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法，属于压电驱动技术和行星探测机器人技术领域。

背景技术：

轮式结构的移动系统作为目前行星探测机器人最青睐的系统，一直在结构设计和驱动方式上进行各种新的尝试。镂空拓扑结构的车轮设计、高性能的电磁电机的研究等不断使得轮式行星探测机器人朝着智能化、微型化方向发展。但是，采用电磁电机来驱动车轮始终需要借助减速机构来实现运动控制，因此无法完全消除冗余机构实现轻巧化。中国的玉兔月球车采用六轮的移动系统方案，虽然已成功登月并在月球表面留下了足迹，但在第二次月夜休眠之前出现了机构控制异常，整个月球车都无法实现移动，经过地面科研人员的抢修被唤醒，但是仍然无法移动，截止目前为止，玉兔号月球车的移动系统仍处于瘫痪状态。虽然六轮结构的移动系统有着机动性能优异以及越障性能好的特性，但是复杂的驱动机构仍然是其应用的壁垒。若能采用单一的驱动源实现多轮协同驱动，并且避免使用减速机构等装置，不仅大大减小了整个机器人系统的结构复杂程度，同时也降低了控制系统的复杂程度。夹心式压电换能器作为一种电能转换至机械能的器件，在作动器领域被广泛应用，最典型的就是直线型超声电机。本发明以精简机构、降低控制系统复杂程度、提高系统可靠度和实现微型化为目标，提出了基于逆压电效应和摩擦作用驱动的夹心式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法，可实现轮式移动系统的结构紧凑、简单、控制系统简单、直接驱动、无电磁干扰、易于小型化等特点，并且可在月面或者火星表面等极端环境下工作。

发明内容：

针对传统机器人移动系统需要复杂的传动和减速机构致使其难以实现小型化设计的问题，本发明提出了一种夹心式压电驱动四轮行星探测机器人及其工作方法，利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能，依靠摩擦作用直接驱动车轮旋转，不需要复杂的传动和减速机构，结构简单紧凑，易于实现小型化。

本发明采用如下技术方案：一种夹心式压电驱动四轮行星探测机器人，包括矩形框架结构、驱动螺栓和车轮组件；所述矩形框架结构包括第一纵振梁、第二纵振梁、第一弯振梁、第二弯振梁、连接梁以及安装螺栓，所述第一纵振梁和第二纵振梁平行设置，并且两端与第一弯振梁、第二弯振梁通过安装螺栓正交固定，所述第一纵振梁和第二纵振梁安装在第一弯振梁和第二弯振梁的振动节点位置，连接梁安装在第一纵振梁和第二纵振梁对应的振动节点位置，并且与第一弯振梁和第二弯振梁平行；所述驱动螺栓通过螺纹连接设置在第一弯振梁和第二弯振梁的两端，所述驱动螺栓设置有两个用于安装与驱动车轮组件的驱动斜面；所述车轮组件包括两片车轮、若干个调节螺栓和若干根弹簧，所述调节螺栓和弹簧将两片车轮固定在驱动螺栓的两个驱动斜面，调节弹簧的伸长长度以调节两片车轮与驱动螺栓的驱动斜面之间的预压力。

进一步地，所述连接梁包括有两根，所述第一纵振梁和第二纵振梁均由两根一端设置有连续变截面、另一端设置有凸出螺栓的端部圆柱、两端设有螺纹孔的中间圆柱和若干设有中心孔的圆形纵振压电陶瓷片组成，其中一个端部圆柱的连续变截面端与第一弯振梁或第二弯振梁连接，凸出螺栓端分别依次通过连接梁和一组纵振压电陶瓷片的中心孔固定在中间圆柱的一端螺纹孔内，另一根端部圆柱的凸出螺栓端沿着相反的方向依次通过另外一根连接梁和另一组纵振压电陶瓷片的中心孔固定在中间圆柱的另一端螺纹孔内。