[发明专利]三自由度旋转惯性压电电机

说明书

本发明提供一种三自由度旋转惯性压电电机，其包括上定子、上预紧垫片、主体圆筒、下预紧垫片、下定子、球形转子以及预紧螺栓，上定子、上预紧垫片、主体圆筒、下预紧垫片以及下定子从上往下依次设置并借助于预紧螺栓进行连接，球形转子设置在主体圆筒内部；其中上定子和下定子结构上相同，上预紧垫片与下预紧垫片结构上相同，整体呈三明治式结构。通过旋转上下预紧螺栓来调整定子与球形转子之间的预紧力；压电陶瓷片正对的均匀的分布于定子的上下表面，一个定子共粘贴有16个压电陶瓷片；上下定子的8个驱动足分别与球形转子相切接触。本发明的压电电机结构紧凑，体积小，能实现三自由度旋转运动。

技术领域

本发明涉及惯性式压电电机领域，具体涉及一种三自由度旋转惯性压电电机。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，越来越需要多自由度的微型电机来驱动机器人关节，传统的电磁电机由于易受电磁干扰，结构复杂，在微型机器人的背景下，很难依靠单个电磁电机来实现多自由度的旋转运动，近年来为解决这些问题也提出了一系列的材料来制作驱动器，形状记忆合金，磁致伸缩材料，压电材料不断涌现。压电电机以其不受电磁干扰，响应速度快，体积小，质量轻，位移分辨率高的优点得到业界的广泛认可。特别是多自由度的压电电机以其结构简单等优点一直是研究的热点方向，多自由度旋转压电电机能很好地满足实际的需求。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种三自由度旋转惯性压电电机，其结构紧凑简单，整体尺寸小，负载能力强，整体为“三明治”结构形状，能够进一步减小体积。

具体地，本发明提供一种三自由度旋转惯性压电电机，所述电机包括上定子、上预紧垫片、主体圆筒、下预紧垫片、下定子、球形转子以及预紧螺栓，所述上定子、上预紧垫片、主体圆筒、下预紧垫片以及下定子从上往下依次设置并借助于预紧螺栓进行连接，所述球形转子设置在所述主体圆筒内部，

所述上定子和下定子均包括多个驱动足、金属基板、板簧以及压电陶瓷片，所述多个驱动足沿金属基板靠近转子的侧面圆周呈一定角度均匀对称分布并与金属基板一体成型，所述压电陶瓷片在所述金属基板的上侧和下侧成对设置，且成对的压电陶瓷片均匀的对称分布于金属基板的圆周上，每一对压电陶瓷片与相对应的激励电源连接；

所述金属基板包括板簧、内环和外环，所述板簧分别连接内环和外环；所述板簧均匀的分布于内环和外环之间；

所述上预紧垫片和下预紧垫片通过预紧螺栓的扭转使得定子与转子之间形成一定的预紧力；

所述主体圆筒上设置有螺纹孔和出线孔，所述预紧螺栓用于与主体圆筒的螺纹孔连接且与定子表面接触，并向上定子、转子以及下定子之间施加竖直的预压力；所述转子分别与上定子和下定子的驱动足相切接触，驱动足基于惯性粘滑原理驱动转子旋转；

上定子和下定子的金属基板上驱动足所在平面的压电陶瓷片的变形用于产生电机绕x,y轴的旋转，上定子和下定子的金属基板驱动足所在平面相对面的压电陶瓷片用于产生电机绕z轴的旋转；

当电机需要绕x,y轴旋转时，首先给驱动足所在平面的压电陶瓷片施加激励信号，当激励信号处在0-t₁时刻时，压电陶瓷片缓慢收缩，带动金属基板向转子方向弯曲，从而带动驱动足向转子方向运动，通过摩擦带动转子旋转，当激励信号处于t₁-t₂时刻时，压电陶瓷片快速恢复，此时驱动足和转子具有加速度以及惯性力，惯性力与驱动足和转子之间的摩擦力之和大于压电陶瓷片的恢复力，转子在一个信号周期下会旋转一定的角度，之后通过施加连续的激励信号产生连续的旋转；