一种压电驱动铰接机械手指及其驱动方法与流程

本发明涉及压电驱动及机械人领域，尤其涉及一种压电驱动铰接机械手指及其驱动方法。

背景技术

现有的机械手将驱动器置于手掌或者手臂内，利用运动传输元件如齿轮、带轮等将驱动器的运动传输至驱动关节。由于传统的驱动技术难以提供结构简单紧凑、功率密度高的驱动器，因此必须在手掌或者手臂内部设置较大的空间用以安装驱动器，难以实现整体的小型化设计，制约了其在深空探测等对质量、体积等有严格要求等领域的进一步应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有机械手难以实现小型化设计的问题，提出了一种压电驱动铰接机械手指及其驱动方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种压电驱动铰接机械手指，包含若干依次相连的关节组件；

所述关节组件包含压电振子、第一板簧、第二板簧和转动指节；

所述压电振子包含金属基体、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；

所述金属基体呈u字型，包含两个侧板和一个底板，所述两个侧板的内壁由靠近底板的一端至远离底板的一端均依次设有第一安装槽、第二安装槽和矩形盲孔；所述底板内壁中心设有凸起的驱动足；

所述第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片分别对应设置在所述金属基体两个侧板的第二安装槽内，均沿厚度方向极化、由其在侧板的内壁指向外壁，用于接外部激励信号以激励出压电振子的一阶弯振对称模态和一阶弯振反对称模态；

所述转动指节包含转动块和连接块，所述转动块呈圆柱状；所述连接块呈条状，其一端设有u形缺口，u形缺口的开口处和所述转动块的壁面固连，使得连接块在u形缺口两侧的侧面和转动块的两个端面连为一体；所述连接块的另一端设有和所述转动块轴线垂直的矩形通孔；

所述金属基体的底板穿过转动指节连接块上的u形缺口，驱动足抵在转动块的壁面上；

所述第一板簧、第二板簧的一端分别设置在所述金属基体两个侧板的第一安装槽内，另一端均压在所述转动块的壁面上；

所述第一板簧、第二板簧通过弹性变形和所述驱动足相配合对转动块进行预紧固定；

所述关节组件和相邻关节组件通过矩形销钉固连，所述矩形销钉穿过相邻关节组件连接块上的矩形通孔、两端分别设置在关节组件金属基体两个侧板的矩形盲孔内。

本发明还公开了一种基于该压电驱动铰接机械手指的驱动方法，包含以下步骤：

通过对关节组件中的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片施加具有π/2相位差的简谐驱动信号，激励出关节组件中压电振子的一阶弯振对称模态和一阶弯振反对称模态，两个模态叠加使得关节组件中驱动足处质点产生椭圆运动轨迹，通过摩擦作用驱动转动指节转动，令此时转动指节的转动方向为正向；

则对关节组件中的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片施加具有-π/2相位差的简谐驱动信号时，转动指节进行反向转动。

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：

本发明通过压电陶瓷片激励振动，依靠摩擦力驱动不需要内置驱动器，没有运动传输链，简化结构，结合压电材料质量体积小、功率密度高的优点，实现了小型化设计，而且具有压电驱动的快速响应、断电自锁等优点。

附图说明

图1是压电驱动铰接机械手指的结构示意图；

图2是基关节结构示意图；

图3是压电振子结构示意图；

图4是转动指节结构示意图；

图5是压电振子和转动指节预紧示意图；

图6是压电陶瓷片极化方向示意图；

图7是压电振子一阶弯振对称模态示意图；

图8是压电振子一阶弯振反对称模态示意图；

图9是压电陶瓷片施加电压信号示意图。

其中1、第一关节组件，2、第二关节组件，3、第三关节组件，4、压电振子，4-1、金属基体，4-2、第二安装槽，4-3、第一安装槽，4-4、第一压电陶瓷片，4-5、驱动足，4-6、矩形盲孔，5、转动指节，5-1、连接块，5-2、转动块，5-3、矩形通孔，6、第一板簧。

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：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明公开了一种压电驱动铰接机械手指，包含若干依次相连的关节组件。现以包含三个关节组件为例，如图1所示，分别为第一关节组件、第二关节组件和第三关节组件，依次相连。

如图2所示，关节组件包含压电振子、第一板簧、第二板簧和转动指节。

如图3所示，压电振子包含金属基体、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；金属基体呈u字型，包含两个侧板和一个底板，两个侧板的内壁由靠近底板的一端至远离底板的一端均依次设有第一安装槽、第二安装槽和矩形盲孔；底板内壁中心设有凸起的驱动足。

如图4所示，转动指节包含转动块和连接块，转动块呈圆柱状；连接块呈条状，其一端设有u形缺口，u形缺口的开口处和转动块的壁面固连，使得连接块在u形缺口两侧的侧面和转动块的两个端面连为一体；连接块的另一端设有和转动块轴线垂直的矩形通孔。

如图5所示，金属基体的底板穿过转动指节连接块上的u形缺口，驱动足抵在转动块的壁面上；第一板簧、第二板簧的一端分别设置在金属基体两个侧板的第一安装槽内，另一端均压在转动块的壁面上；第一板簧、第二板簧通过弹性变形和驱动足相配合对转动块进行预紧固定。

如图6所示，第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片分别对应设置在金属基体两个侧板的第二安装槽内，均沿厚度方向极化、由其在侧板的内壁指向外壁，用于接外部激励信号以激励出压电振子的一阶弯振对称模态和一阶弯振反对称模态。

关节组件和相邻关节组件通过矩形销钉固连，矩形销钉穿过相邻关节组件连接块上的矩形通孔、两端分别设置在关节组件金属基体两个侧板的矩形盲孔内。

本发明还公开了一种基于该压电驱动铰接机械手指的驱动方法，包含以下步骤：

通过对关节组件中的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片施加具有π/2相位差的简谐驱动信号，如图9所示，激励出关节组件中压电振子的一阶弯振对称模态和一阶弯振反对称模态，如图7、图8所示，两个模态叠加使得关节组件中驱动足处质点产生椭圆运动轨迹，通过摩擦作用驱动转动指节转动，令此时转动指节的转动方向为正向；

则对关节组件中的第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片施加具有-π/2相位差的简谐驱动信号时，转动指节进行反向转动。

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。