[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

说明书

本发明公开了一种贴片式压电驱动二自由度水下机械臂及其驱动方法，机械臂包含若干个依次相连的单元臂节和臂节之间的连接组件；工作时，对单元臂节上的压电振子施加具π/2相位差的驱动信号，使其与相邻压电振子接触的各点产生微幅椭圆运动，经过摩擦作用产生驱动力，可分别实现单元臂节绕与之相邻单元臂节压电振子的转动和单元臂节绕自身压电振子轴线的转动，且由于单元臂节和其相邻单元臂节在空间上正交，进而能够实现两臂节在两个正交平面内的二自由度转动。本发明易于密封以及实现微型化，不受电磁干扰，能断电自锁，无需进行不同相模态的模态耦合频率一致性调节，减少了对机械臂设计尺寸形状等的限制，对于水下尤其是深海微小型机器人作业机械臂具有重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及压电驱动及机械人领域，尤其涉及一种贴片式压电驱动二自由度水下机械臂及其驱动方法。

背景技术

对海洋资源的开发利用一直是世界各国研究的热点，其中一个重要的现代化的工具就是水下机器人，对于有线缆水下机器人普遍配备传统的液压或电机为驱动源的工业级作业机械臂，然而受自身体积，能量以及一些特殊的工作环境的限制，微小型的无线缆自主水下机器人普遍没有配备合适的作业机械臂，一方面传统的液压或电机驱动的机械臂体积较大，耗能高，小型化和之后的防水处理困难，另一方面微小型的自主水下机器人对机械臂有一些特殊的要求，如高压、低温、不受电磁干扰、控制精度高等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种贴片式压电驱动二自由度水下机械臂及其驱动方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种贴片式压电驱动二自由度水下机械臂，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；