[发明专利]一种压电驱动深海机械臂及其驱动方法

说明书

本发明公开了一种压电驱动深海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；单元臂节包含压电振子、定位组件和关节组件。定位组件限制转动关节运动，使其能够产生稳定的关节旋转运动；调节定位组件能够调节关节组件与压电振子间的预压力，进而调节单元臂节的输出力；对压电振子施加具有π/2相位差的驱动信号，激励出压电振子二阶非对称弯振模态和二阶对称弯振模态，使其自身与关节组件相接触的界面质点产生微辐椭圆运动，经过摩擦作用产生力驱动关节组件转动。压电摩擦驱动原理使得本发明可在深海环境下采用全开放结构，不需要电磁和液压驱动机械臂所需的庞大密封装置，结构简单紧凑，在深海探测领域具有重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及压电驱动及机器人领域，尤其涉及一种压电驱动深海机械臂及其驱动方法。

背景技术

深海机械手是深海作业技术的重要装备，轻量化、精密化、智能化是其未来的发展趋势。现有深海机械手驱动多以采用液压杠杆结构，以内部液压平衡海水压力，结构庞大且伴有油液泄漏、海水入侵带来的海洋污染和装置失效的风险。利用无刷电机和充油补偿海水压力的驱动方式，可大幅减小结构尺寸和重量、提高灵活性，但要彻底消除油液泄漏、海水入侵导致电机失效风险还有很多工作要做。如何缓解、摆脱深海高水压的限制，构建一种能适应深海水压、功率密度大、结构简单的机械手驱动器，是深海机械手轻量化、精密化、智能化设计的基础工作。

压电作动器是一种利用压电智能材料和摩擦驱动原理的新型驱动器，以其高精度、质量轻、功率密度大、低速直驱等优势，成为高端装备在轻量化、智能化提升和换代的首选作动器，具有广阔的应用和发展前景。例如，嫦娥三号使用的TRUM-30A型压电作动器，仅为其它备选驱动电机重量的十分之一。对于深海探测领域，压电作动器的电-微振-摩擦-宏动的驱动机理链条各环节都具备深海环境相容性，即微观振动-宏观运动摩擦耦合过程不存在动态密封问题，可直浸式工作于深海环境，只需对电气接口部分进行简单可靠的静密封，不需耐压仓、动密封环、压力平衡装置和传动机构，可作为深海机械手轻量化设计的驱动器。

针对上述直流电机和液压驱动的机械臂的缺点，以及压电驱动原理对深海环境的相容性，本发明提出一种压电驱动深海机械臂，期望在功率重量比和深海环境适应能力方面比现有驱动形式有所提升。

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，提供一种压电驱动深海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：

一种压电驱动深海机械臂，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；