一种三自由度机器手关节及其工作方式的制作方法

本发明涉及超声作动领域，尤其涉及一种三自由度机器手关节及其工作方式。

背景技术：

随着深海探测、航天技术、机械辅助医疗技术及自动制造技术的迅速发展，对机械手的需求日益迫切，传统的机械手采用传统的伺服电机及线缆结构，存在易受磁场影响，结构复杂，线缆容易缠绕等缺点。

技术实现要素：

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，提供一种三自由度机器手关节及其工作方式。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种三自由度机器手关节，至少包括两个关节单元，所述关节单元依次相连；

所述关节单元包含作动头、金属质量块、底座、纵振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件、预紧螺栓、弹簧夹头、底盖、弹簧和接触块；

所述作动头包含驱动头、连接部、法兰盘和圆柱，其中，所述驱动头为球形；所述连接部为连续变截面结构，其截面为圆形，且其最小截面与驱动头的下端固定相连、最大截面与圆柱的上端固定相连；所述法兰盘设置在所述连接部和圆柱的连接处；

所述作动头的轴线上设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹孔；

所述弹簧夹头为上端开口、内部中空的圆柱体，其下端设有用于锁住所述驱动头的圆孔；

所述底座包含主体、第一固定环和第二固定环，其中，所述主体为上端开口、下端封闭的圆柱体；所述第一固定环、第二固定环均为上下开口的圆柱体，所述第一固定环的半径大于所述第二固定环；所述第一固定环和第二固定环的上端均和所述主体的底面固定相连，且主体、第一固定环、第二固定环同轴设置；

所述纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均为圆柱形，依次从上到下设置在所述底座的主体内；

所述纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件、底座主体的底面同轴设置且在轴心均设有供预紧螺栓穿过的通孔；预紧螺栓依次穿过底座主体的底面、第二弯振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件、金属质量块、纵振压电陶瓷组件和作动头上的螺纹孔螺纹连接，将纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件夹紧在作动头和底座主体的底面之间；

所述底盖包含第一套接环和凸环，所述第一套接环为上下开口的圆柱体，所述凸环设置在所述第一套接环的上端，和所述第一套接环固定相连；

所述底盖的凸环设置在第一固定环、第二固定环之间，和第一固定环、第二固定环之间的凹槽过盈连接；

所述接触块包含连接板、第二套接环和接触环，其中，所述第二套接环、接触环均为上下开口的空心圆柱；所述第二套接环的下端通过连接板和所述接触环的上端固定相连，且所述第二套接环、接触环同轴设置；

所述第一套接环和第二套接环通过套接进行间隙配合，使得接触块和底盖之间能够上下滑动；

所述弹簧套在所述第一套接环和第二套接环外，一端和所述底盖的凸环相抵，另一端和所述接触块的连接板相抵；

所述弹簧夹头上端和所述作动头的法兰盘固定相连，下端的圆孔锁住与其相连的关节单元的驱动头；

所述接触块中接触环的下端和所述弹簧夹头锁住的驱动头相抵；

所述纵振压电陶瓷组件用于产生纵振传播至所述驱动头；

所述第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均用于产生弯振传播至所述驱动头，且第一弯振压电陶瓷组件产生的弯振和第二弯振压电陶瓷组件产生的弯振在空间上存在π/2相位差。

作为本发明一种三自由度机器手关节进一步的优化方案，所述纵振压电陶瓷组件包含两片纵振陶瓷片和一片电极片，所述两片纵振陶瓷片将电极片夹在中间，所述两片纵振陶瓷片均为单一极化分区，极化方向分别垂直于电极片向外。

作为本发明一种三自由度机器手关节进一步的优化方案，所述第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均包含两片弯振陶瓷片和一片电极片，所述两片弯振陶瓷片将电极片夹在中间，每片弯振压电陶瓷片均有左右两个极化方向相反的极化分区，且两片弯振陶瓷片在同一端的极化分区的极化方向相反。

本发明还公开了一种基于该三自由度机器手关节的工作方式，包含以下步骤：

对于每一个关节单元，令其驱动头的球心为原点、令其驱动头的球心为原点、作动头的轴线为Z轴、过原点且平行于其第一弯振压电陶瓷组件中任一弯振陶瓷片的两个极化分区之间的界限的直线为Y轴、过原点且平行于其第二弯振压电陶瓷组件中任一弯振陶瓷片的两个极化分区之间的界限的直线为X轴；

分别在其纵振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，在定子模块上激发出沿Z轴方向的纵向振动和在XOZ平面内的弯曲振动，纵向振动和弯曲振动的耦合使驱动头上的质点在XOZ平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕Y轴旋转；

分别在其纵振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，在定子模块上激发出沿Z轴方向的纵向振动和在YOZ平面内的弯曲振动，纵向振动和弯曲振动的耦合使驱动头上的质点在YOZ平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕X轴旋转；

分别在其第一弯振压电陶瓷组件和第二弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，将分别在定子模块上激发出两个在空间上具有π/2相位差的弯曲振动模态，使得驱动头上的质点在XOY平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕Z轴作360°旋转。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 结构简单，响应快，精度高；

2. 易小型化，不受磁场干扰，在深海探测、航天技术、机械辅助医疗技术及自动制造技术领域有广阔前景。

附图说明

图1是本发明一种三自由度机器手关节的结构示意图；

图2是本发明中作动头的结构示意图；

图3是本发明中弹簧夹头的结构示意图；

图4是本发明中底盖、弹簧与接触块的配合图；

图5是本发明中纵振压电陶瓷组件中陶瓷片的极化方式示意图；

图6是本发明中第一弯振压电陶瓷组件中陶瓷片的极化方式示意图；

图7是本发明中第二弯振压电陶瓷组件中陶瓷片的极化方式示意图；

图8是本发明的弯曲振动振型图；

图9是本发明的纵向振动振型图。

其中，1-作动头，1.1-驱动头，1.2-连接部，1.3-法兰盘，1.4-圆柱，2-金属质量块，3-底座，4-预紧螺栓，5-弹簧夹头，6-底盖，7-弹簧，8-接触块，9-纵振压电陶瓷组件，10-第一弯振压电陶瓷组件，11-和第二弯振压电陶瓷片组，12-固定螺栓，13-电极片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种三自由度机器手关节，至少包括两个关节单元，所述关节单元依次相连。

所述关节单元包含作动头、金属质量块、底座、纵振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件、预紧螺栓、弹簧夹头、底盖、弹簧和接触块。

如图2所示，所述作动头包含驱动头、连接部、法兰盘和圆柱，其中，所述驱动头为球形；所述连接部为连续变截面结构，其截面为圆形，且其最小截面与驱动头的下端固定相连、最大截面与圆柱的上端固定相连；所述法兰盘设置在所述连接部和圆柱的连接处。

所述作动头的轴线上设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹孔。

如图3所示，所述弹簧夹头为上端开口、内部中空的圆柱体，其下端设有用于锁住所述驱动头的圆孔。

所述底座包含主体、第一固定环和第二固定环，其中，所述主体为上端开口、下端封闭的圆柱体；所述第一固定环、第二固定环均为上下开口的圆柱体，所述第一固定环的半径大于所述第二固定环；所述第一固定环和第二固定环的上端均和所述主体的底面固定相连，且主体、第一固定环、第二固定环同轴设置。

所述纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均为圆柱形，依次从上到下设置在所述底座的主体内。

所述纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件、底座主体的底面同轴设置且在轴心均设有供预紧螺栓穿过的通孔；预紧螺栓依次穿过底座主体的底面、第二弯振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件、金属质量块、纵振压电陶瓷组件和作动头上的螺纹孔螺纹连接，将纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件夹紧在作动头和底座主体的底面之间。

所述底盖包含第一套接环和凸环，所述第一套接环为上下开口的圆柱体，所述凸环设置在所述第一套接环的上端，和所述第一套接环固定相连。

所述底盖的凸环设置在第一固定环、第二固定环之间。

所述接触块包含连接板、第二套接环和接触环，其中，所述第二套接环、接触环均为上下开口的空心圆柱；所述第二套接环的下端通过连接板和所述接触环的上端固定相连，且所述第二套接环、接触环同轴设置。

所述第一套接环和第二套接环通过套接进行间隙配合，使得接触块和底盖之间能够上下滑动。

如图4所示，所述弹簧套在所述第一套接环和第二套接环外，一端和所述底盖的凸环相抵，另一端和所述接触块的连接板相抵。

所述弹簧夹头上端和所述作动头的法兰盘固定相连，可以采用固定螺栓来固定相连。所述弹簧夹头下端的圆孔锁住与其相连的关节单元的驱动头，并且在该关节单元的驱动头受力时不会脱离弹簧夹头。

所述接触块中接触环的下端和所述弹簧夹头锁住的驱动头相抵。

所述纵振压电陶瓷组件用于产生纵振传播至所述驱动头。

所述第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均用于产生弯振传播至所述驱动头，且第一弯振压电陶瓷组件产生的弯振和第二弯振压电陶瓷组件产生的弯振在空间上存在π/2相位差。

如图5所示，所述纵振压电陶瓷组件包含两片纵振陶瓷片和一片电极片，所述两片纵振陶瓷片将电极片夹在中间，所述两片纵振陶瓷片均为单一极化分区，极化方向分别垂直于电极片向外。

所述第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均包含两片弯振陶瓷片和一片电极片，所述两片弯振陶瓷片将电极片夹在中间，每片弯振压电陶瓷片均有左右两个极化方向相反的极化分区，且两片弯振陶瓷片在同一端的极化分区的极化方向相反。

所述第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件的极化方向及组合方式分别如图6、图7所示。

对于每一个关节单元，令其驱动头的球心为原点、令其驱动头的球心为原点、作动头的轴线为Z轴、过原点且平行于其第一弯振压电陶瓷组件中任一弯振陶瓷片的两个极化分区之间的界限的直线为Y轴、过原点且平行于其第二弯振压电陶瓷组件中任一弯振陶瓷片的两个极化分区之间的界限的直线为X轴。

分别在其纵振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，在定子模块上激发出沿Z轴方向的纵向振动和在XOZ平面内的弯曲振动，纵向振动和弯曲振动的耦合使驱动头上的质点在XOZ平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕Y轴旋转。

分别在其纵振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，在定子模块上激发出沿Z轴方向的纵向振动和在YOZ平面内的弯曲振动，纵向振动和弯曲振动的耦合使驱动头上的质点在YOZ平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕X轴旋转。

分别在其第一弯振压电陶瓷组件和第二弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，将分别在定子模块上激发出两个在时间和空间上都具有π/2相位差的弯曲振动模态，使得驱动头上的质点在XOY平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕Z轴作360°旋转。

由以上可知本发明中关节单元通过三组陶瓷组件激励出的三个振型之间的两两组合，可实现三个自由度的运动，弯曲振动时使球形驱动头与连接部的连接处位于振型的节点处，以使球形驱动头获得最大的振幅，弯曲振动的振型图如图8所示（以二阶弯振为例）。纵向振动时使法兰盘位于振型节点处方便夹持，使球形驱动头与连接部的连接处位于振幅最大处，以使球形驱动头获得最大的纵向振幅，纵向振动的振型图如图9所示（以一阶纵振为例）。

本发明具有结构简单，响应快，精度高，便于微型化，在深海探测、航天技术、机械辅助医疗技术及自动制造技术领域有广阔前景。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。