[发明专利]一种正交式压电关节机构及其控制方法

说明书

本发明公开了一种正交式压电关节机构及其控制方法，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，压电振子包括两个第一金属基体、一个第三金属基体、两个第二金属基体，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，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，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组件连接。本发明采用单定子正交双环结构，可以使得单个压电作动器实现二自由度转动；依靠摩擦力直接驱动关节转动，结合压电材料体积小、功率密度高的优点，实现了整体结构的微型化设计，同时发挥了压电驱动的响应迅速、断电自锁等优点。

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体涉及机械臂。

背景技术

现有的机械臂多数采用传统的驱动技术，将电磁电机等驱动器置于关节处，利用运动传输元件如齿轮、带轮等将驱动器的运动传输到驱动关节。如若实现多自由度运动，则必须增加驱动器的数量。以上传统的驱动技术使得整个机械臂体积庞大，功率密度低，很难实现整体的小型化，制约了其在深空、深海探索、医疗等对质量体积等有严格要求领域的进一步应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种正交式压电关节机构，不仅结构紧凑可微型化，而且可以发挥压电驱动响应迅速、断电自锁的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种正交式压电关节机构，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。

可选的，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。

可选的，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。

可选的，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。

可选的，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。

可选的，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。

可选的，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。

可选的，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。