[发明专利]一种压电驱动深海机械臂及其驱动方法

权利要求书

1.一种压电驱动深海机械臂，其特征在于，包含若干依次相连的单元臂节；

所述单元臂节包含一个压电振子、一套定位组件和一套关节组件；

所述压电振子包含一个金属基体、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；

所述金属基体呈倒M形，包含第一矩形梁、第二矩形梁和连接梁，其中，所述第一矩形梁、第二矩形梁均包含上端面、下端面、以及依次相连的第一至第四侧面，第一侧面平行于第四按侧面，第二侧面平行于第四侧面；所述第一矩形梁、第二矩形梁平行设置，第一矩形梁的第一侧面、第二矩形梁的第一侧面相互平行且位于第一矩形梁的第三侧面、第二矩形梁的第三侧面之间；所述连接梁呈倒V形，连接梁的两端分别和所述第一矩形梁第一侧面、第二矩形梁第一侧面的底端固连；所述连接梁中部顶点上设有凸起的驱动齿；所述第一矩形梁、第二矩形梁的下部均设有贯穿第二侧面和第四侧面的安装孔，用于和相邻单元臂节相连；

所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片均沿厚度方向极化，对称胶结在所述第一矩形梁、第二矩形梁的第三侧面上，极化方向由外向内；

所述定位组件包括腿式夹具、关节夹具、调节螺柱、调节螺母、预紧弹簧和垫片；

所述腿式夹具包含固定板和第一至第四连接腿；所述固定板呈矩形；所述第一至第四连接腿的一端分别和所述固定板的四角对应固连，另一端分别和所述第一矩形梁的第二侧面、第一矩形梁的第四侧面、第二矩形梁的第二侧面、第二矩形梁的第四侧面对应固连，将所述固定板固定在第一矩形梁、第二矩形梁的第一侧面之间；所述固定板中心设有和所述调节螺柱相匹配的螺纹孔，且固定板在其上螺纹孔两侧对称设有第一滑动通孔、第二滑动通孔；

所述关节夹具包含第一滑动板、第二滑动板、连接板、第一关节侧板、第二关节侧板、第一关节轴承和第二关节轴承；所述连接板呈矩形，其一端和所述第一关节侧板的上端垂直固连、另一端和所述第二关机侧板的上端垂直固连，形成倒U形对称结构；所述第一滑动板、第二滑动板的下端均和所述连接板的上端面垂直固连，且关于连接板的中心对称；所述第一滑动板、第二滑动板的上端分别穿过所述第一滑动通孔、第二滑动通孔，且第一滑动板、第二滑动板分别和所述第一滑动通孔、第二滑动通孔间隙配合，使得所述连接板能过相对固定板平行滑动；所述第一关节侧板、第二关节侧板的下部分别设有相互对称的第一安装通孔、第二安装通孔；所述第一关节轴承的外圈通过第一安装通孔和所述第一关节侧板固连，第二关节轴承的外圈通过第二安装通孔和所述第二关节侧板固连；

所述调节螺柱下端和所述固定板中心的螺纹孔螺纹相连；所述垫片中心设有通孔、套在所述调节螺柱上、和所述调节螺柱间隙配合，且垫片的下端面分别和所述第一滑动板、第二滑动板的上端相抵；所述调节螺母和所述调节螺柱的上端螺纹相连；所述调节弹簧套在所述调节螺柱上，一端和所述调节螺母相抵，另一端和所述垫片相抵；

所述关节组件包括转动关节、输出轴、第一输出夹具和第二输出夹具；

所述转动关节为圆柱体，其轴线上设有供所述输出轴穿过的通孔；

所述第一输出夹具、第二输出夹具均呈U形，均包含第一输出夹板、第二输出夹板和短板，其中，第一输出夹板、第二输出夹板平行设置，短板的两端分别和所述第一输出夹板、第二输出夹板的一端垂直固连，且第一输出夹板、第二输出夹板远离短板的一端均设有固定孔，第一输出夹板平行于第一矩形梁的第二侧面；

所述输出轴一端和所述第一输出夹具的短板在其中心处固连，另一端依次穿过第一关节轴承的内圈、转动关节上的通孔、第二关节轴承的内圈后和所述第二输出夹具的短板在其中心处固连，且输出轴分别和第一关节轴承的内圈、转动关节上的通孔、第二关节轴承的内圈固连；

所述转动关节和所述驱动齿相抵；

所述单元臂节和其相邻单元臂节相连时，采用螺栓依次穿过单元臂节第一输出夹具第一输出夹板上的固定孔、相邻单元臂节第一矩形梁上的安装孔、单元臂节第一输出夹具第二输出夹板上的固定孔，将单元臂节的第一输出夹具和相邻臂节的第一矩形梁固连，同时采用螺栓依次穿过单元臂节第二输出夹具第一输出夹板上的固定孔、相邻单元臂节第二矩形梁上的安装孔、单元臂节第二输出夹具第二输出夹板上的固定孔，将单元臂节的第二输出夹具和相邻臂节的第二矩形梁固连。

2.根据权利要求1所述的压电驱动深海机械臂，其特征在于，所述转动关节的两个端面上对称设有和转动关节同轴的圆环形凹槽，以减轻单元臂节的重量。

3.基于权利要求1所述的压电驱动深海机械臂的单元臂节的驱动方法，其特征在于，通过对单元臂节的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片施加具有π/2相位差的驱动信号，激励出单元臂节压电振子一阶非对称弯振模态和一阶对称弯振模态，使其驱动足的质点产生微幅椭圆运动轨迹，经过摩擦作用产生力驱动转动关节转动。