[发明专利]一种正交式压电关节机构及其控制方法

权利要求书

1.一种正交式压电关节机构，其特征在于：包括至少两个依次相连的单定子正交双环二自由度压电作动器，所述单定子正交双环二自由度压电作动器包括压电振子、圆锥转子和连接组件，所述压电振子包括位于压电振子两端的两个第一金属基体、位于压电振子中间的一个第三金属基体、位于第三金属基体两侧的两个第二金属基体，所述第二金属基体与第三金属基体之间设有一个纵振压电陶瓷片，所述第一金属基体与第二金属基体之间设有一个弯振压电陶瓷片，所述第一金属基体的头端设有圆环部，两个圆锥转子分别通过圆锥面夹持于圆环部的两侧，所述圆锥转子具有中心通孔，所述连接组件包括连接轴和正交连接器，所述连接轴的中部与两个圆锥转子的中心通孔固定连接，压电振子两端的两个第一金属基体的圆环部轴线正交，相邻两个单定子正交双环二自由度压电作动器相接端的两个连接轴正交且通过正交连接器连接，第一金属基体、第二金属基体和第三金属基体均接地，纵振压电陶瓷片和弯振压电陶瓷片分别接外部驱动信号。

2.根据权利要求1所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：所述正交连接器包括四个长连接件，所述长连接件包括相互垂直的头部和尾部且头部和尾部之间通过矩形拉伸体连接，四个长连接件的尾部呈十字型交叉分布并通过连接块固定在一起，相邻两个长连接件头部延伸方向相反，所述头部为圆环结构，圆环结构内孔用于穿过连接轴，连接轴的两端连接紧固件。

3.根据权利要求2所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：所述尾部为凸字型且设有平面通孔，四个长连接件的尾部拼合形成一个平面，所述连接块设有螺纹轴，螺纹轴穿过平面通孔并连接螺母。

4.根据权利要求3所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：圆锥转子呈空心圆台状，且直径较小端的中心开设圆台中心孔，圆台中心孔开有键槽，连接轴连接有与键槽配合的键。

5.根据权利要求4所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：所述圆锥转子在较大端端面中心设有沉孔，所述紧固件包括位于沉孔内的硅胶环、金属垫片以及卡环，连接轴端部穿过硅胶环、长连接件头部、金属垫片且卡环进行轴向限位，沉孔侧壁设有与连接件矩形拉伸体配合的限位槽。

6.根据权利要求1所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：所述第三金属基体包括中间的圆柱部和两端的螺纹轴部，所述纵振压电陶瓷片、第二金属基体、弯振压电陶瓷片为圆柱状且中心设有与螺纹轴部配合的螺纹孔。

7.根据权利要求6所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：所述第一金属基体还包括连接部和连接圆环部与连接部的渐变部，连接部为圆柱结构且端面攻有与螺纹轴部连接的螺纹孔，渐变部为变截面结构，截面为圆，渐变部横截面小的一端与圆环部外壁固连，横截面大的一端与连接部固连。

8.根据权利要求1所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：所述弯振压电陶瓷片采用二分区极化环形压电陶瓷片，所述纵振压电陶瓷片采用单区极化环形压电陶瓷片，且外壁均做绝缘处理。

9.根据权利要求1所述的一种正交式压电关节机构，其特征在于：所述压电振子两端弯振压电陶瓷片应采用按极化分区线正交布置，且弯振压电陶瓷片极化分区线应与金属基体圆环部的中性面垂直。

10.一种正交式压电关节机构控制方法，其特征在于包括如下步骤：对于每个单定子正交双环二自由度压电作动器，通过对一侧弯振压电陶瓷片和纵振压电陶瓷片施加两组特定频率具有π/2相位差的简谐驱动信号，激励出压电振子的一阶纵振和二阶弯振模态，两个模态同型，且在时间上和空间上都具有π/2的相位差，通过两个模态的耦合形成旋转行波，使得压电振子的圆环内侧质点产生微幅椭圆运动，通过摩擦作用驱动圆锥转子和连接组件转动，进而驱动该正交式压电关节运动。