[发明专利]一种贴片式压电驱动二自由度水下机械臂及其驱动方法

权利要求书

1.一种贴片式压电驱动二自由度水下机械臂，其特征在于，包含若干N+1个单元臂节和N个连接组件，N为大于等于1的自然数，所述N+1个单元臂节通过N个连接组件依次相连；

所述单元臂节包含第一至第二压电振子、第一至第二连接板、以及第一至第四压电陶瓷片；

所述第一、第二压电振子均包含金属基体以及第一至第四压电陶瓷片；

所述金属基体包含第一至第三阶梯圆柱，其中，第一阶梯圆柱、第三阶梯圆柱直径相等且大于第二阶梯圆柱的直径；所述第二阶梯圆柱的两个端面分别和第一阶梯圆柱的一个端面、第三阶梯圆柱的一个端面固连，且第一至第三阶梯圆柱同轴；所述第二阶梯圆柱柱壁中心周向均匀设有四个矩形贴片槽；

所述第一至第四压电陶瓷片分别对应粘贴在所述四个矩形贴片槽中，均沿厚度方向极化，第一、第三压电陶瓷片相互平行且极化方向相同，第二、第四压电陶瓷片相互平行且极化方向相同，第一、第二压电陶瓷片所在平面相互垂直；

所述第一至第四压电陶瓷用于输入外部驱动信号使得金属基体振动；

所述第一、第二连接板平行设置，且第一、第二连接板的两端均分别和所述第一、第二压电振子的第二阶梯圆柱的一阶弯振节点处垂直固连；

所述连接组件包含第一至第四滑动轴承环、以及第一至第四双钩弹簧；

所述第一至第四滑动轴承环均呈圆环状，其上设有连线经过圆心的第一连接孔、第二连接孔；所述第一至第四双钩弹簧两端弹簧钩的方向均相互垂直；

所述第一双钩弹簧、第二双钩弹簧的一端分别和第一滑动轴承环的第一连接孔、第二连接孔相连，另一端分别和第三滑动轴承环、第四滑动轴承环的第一连接孔相连；第三双钩弹簧、第四双钩弹簧的一端分别和第二滑动轴承环的第一连接孔、第二连接孔相连，另一端分别和第三滑动轴承环、第四滑动轴承环的第二连接孔相连；使得第一滑动轴承环、第二滑动轴承环所在平面相互平行，第三滑动轴承环、第四滑动轴承环所在平面相互平行，第一滑动轴承环、第三滑动轴承环所在平面相互垂直；

所述单元臂节和其相邻单元臂节通过连接组件相连时，连接组件的第一、第二滑动轴承环套在单元臂节第二压电振子金属基体的第二阶梯圆柱上间隙配合，连接组件的第三、第四滑动轴承环套在相邻单元臂节第一压电振子金属基体的第二阶梯圆柱上间隙配合，使得单元臂节第二压电振子金属基体的第一、第三阶梯圆柱和相邻单元臂节第一压电振子金属基体的第一、第三阶梯圆柱正交相抵。

2.根据权利要求1所述的贴片式压电驱动二自由度全开放水下机械臂，其特征在于，所述第一至第四压电陶瓷片通过环氧树脂胶粘结粘贴在第二阶梯圆柱的四个矩形贴片槽中，且用防水胶作绝缘处理。

3.根据权利要求1所述的贴片式压电驱动二自由度全开放水下机械臂，其特征在于，所述金属基体沿其轴线设有通孔，且第一阶梯圆柱远离第二阶梯圆柱的一端、第三阶梯圆柱远离第二阶梯圆柱的一端均设有和第二阶梯圆柱同轴的圆形凹槽。

4.根据权利要求1所述的贴片式压电驱动二自由度全开放水下机械臂，其特征在于，所述第一、第二连接板均两端设有对称的安装圆孔，中部设有矩形孔；

所述第一、第二连接板的两端均分别通过其安装圆孔和所述第一、第二压电振子的第二阶梯圆柱过盈配合连接。

5.基于权利要求1所述的贴片式压电驱动二自由度全开放水下机械臂的单元臂节驱动方法，其特征在于，包含以下步骤：

对单元臂节的第一、第三压电陶瓷片施加第一简谐驱动信号，对单元臂节的第二、第四压电陶瓷片施加和所述第一简谐驱动信号相同频率且具有π/2时间相位差的第二简谐驱动信号，激励出第一、第二压电振子两个时间和空间相互正交的一阶弯振模态，使其金属基体两端各点产生微幅椭圆运动，相邻单元臂节的第一、第二压电振子对其提供支持产生摩擦力，经过摩擦作用产生驱动力，使得单元臂节相对其相邻单元臂节转动。