一种水下全开放式关节机构的制作方法

本实用新型涉及超声作动及机器人领域，尤其涉及一种水下全开放式关节机构。

背景技术：

现有液压式水下机器手体积大、密封要求高，难以适应AUV小型化发展趋势；近年来发展的充油平衡深海水压、无刷直流电机驱动方式，还需在密封、压力补偿方面深化研究，进一步降低油液泄漏、海水入侵的风险。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种水下全开放式关节机构。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种水下全开放式关节机构，包含若干个依次相连的全开放式关节；

所述全开放式关节包含压电振子和连接组件；

所述压电振子包含两个金属材质的悬梁臂、两个压电陶瓷片和一个圆环结构；

所述悬梁臂包含根部和渐变部，其中，根部呈长方体，渐变部为变截面结构，渐变部横截面较大的一端和所述长方体的一端固连、横截面较小的一端和所述圆环结构的外壁固连；

所述两个悬梁臂的根部之间平行，两个悬梁臂渐变部之间的距离从横截面较大的一端到横截面较小的一端逐渐缩小；

所述两个悬梁臂的根部上均对应设有用于和相邻全开放式关节的连接组件相连的通孔；

所述两个压电陶瓷片分别对应设置在所述两个悬梁臂渐变部的内侧；

所述连接组件包含固定螺帽、两个垫片、两个弹性环、两个连接块和固定螺栓；

所述连接块呈空心圆台状，其较小端面的中心开有供所述固定螺栓穿过的通孔，其较大端面的中心设有用于放入所述弹性环和垫片的通孔，且其较大端面上设有两个相互平行的安装足；

所述两个连接块的较小端面相抵，两个连接块的外壁分别和所述圆环结构的两侧相抵、将所述圆环结构夹在两个连接块之间；

所述两个弹性环分别置于两个连接块内，所述两个垫片分别对应设置在两根弹性环的外侧；

所述固定螺栓依次穿过其中一个垫片、两个弹性环、另一个垫片后和所述固定螺帽螺纹连接；

所述连接块较大端面上的两个安装足之间形成用于放置其他全开放式关节悬梁臂根部的矩形槽，且两个安装足上均设有和相邻全开放式关节对应悬梁臂上的通孔相匹配的通孔，所述两个安装足和相邻全开放式关节对应悬梁臂通过螺栓固连；

所述压电振子中的两个悬梁臂均接地，两个压电陶瓷片分别接外部驱动信号；

所述全开放式关节所在平面和其相邻全开放式关节所在平面正交。

作为本实用新型一种水下全开放式关节机构进一步的优化方式，所述两个压电陶瓷片采用环氧树脂胶胶合的方式对应设置在所述两个悬梁臂渐变部的内侧。

作为本实用新型一种水下全开放式关节机构进一步的优化方式，所述两个压电陶瓷片均为矩形片，且外壁均做绝缘处理，沿垂直与自身且远离另一个压电陶瓷片的方向极化。

本实用新型还公开了一种该水下全开放式关节机构的工作方法，包含以下步骤：

对于每个全开放式关节，分别激励其压电振子中的两个压电陶瓷片，使其两个悬臂梁上分别产生时间上具有π/2相位差的两个相同的n阶弯振振型，从而使压电振子的圆环结构产生两个在时间和空间上都具有π/2相位差的同型振动模态，通过两个模态的耦合形成旋转行波，使得压电振子的圆环结构内侧质点产生微幅椭圆运动，经摩擦驱动连接组件转动，进而该全开放式关节的运动。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 针对水下水压适应性这一瓶颈问题，考虑到摩擦驱动允许海水进入，提出利用压电转换和摩擦驱动原理构建全开放式关节的工作方法，解除水下水压对驱动系统的制约。

2. 全开放式关节的一个旋转自由度由压电振子与转块间的摩擦力驱动，相互正交串接，实现空间上的位移，结构简单，同时发挥压电驱动的响应迅速、断电自锁等特点。

附图说明

图1是一种水下全开放式关节结构示意图；

图2是压电振子和连接组件组合结构示意图；

图3是连接组件结构分解示意图；

图4是连接组件与压电振子连接示意图；

图5是压电陶瓷的极化及施加信号示意图；

图6是压电振子振动模态及质点椭圆运动示意图；

其中，1-压电振子，1-1-圆环结构，1-2-悬臂粱，1-3-用于和其他全开放式关节连接的通孔，2-连接组件，3-压电陶瓷片，4-固定螺帽，5-垫片，6-弹性环，7-连接体，7-1-安装足，7-2-矩形槽，8-固定螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型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实用新型的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本实用新型公开了一种水下全开放式关节机构，包含若干个依次相连的全开放式关节。

如图2所示，所述全开放式关节包含压电振子和连接组件。

所述压电振子包含两个金属材质的悬梁臂、两个压电陶瓷片和一个圆环结构；所述悬梁臂包含根部和渐变部，其中，根部呈长方体，渐变部为变截面结构，渐变部横截面较大的一端和所述长方体的一端固连、横截面较小的一端和所述圆环结构的外壁固连；所述两个悬梁臂的根部之间平行，两个悬梁臂渐变部之间的距离从横截面较大的一端到横截面较小的一端逐渐缩小；所述两个悬梁臂的根部上均对应设有用于和相邻全开放式关节的连接组件相连的通孔；所述两个压电陶瓷片分别对应设置在所述两个悬梁臂渐变部的内侧。

所述两个压电陶瓷片可以采用环氧树脂胶胶合的方式对应设置在所述两个悬梁臂渐变部的内侧。

如图3所示，所述连接组件包含固定螺帽、两个垫片、两个弹性环、两个连接块和固定螺栓；所述连接块呈空心圆台状，其较小端面的中心开有供所述固定螺栓穿过的通孔，其较大端面的中心设有用于放入所述弹性环和垫片的通孔，且其较大端面上设有两个相互平行的安装足。

如图4所示，所述两个连接块的较小端面相抵，两个连接块的外壁分别和所述圆环结构的两侧相抵、将所述圆环结构夹在两个连接块之间；所述两个弹性环分别置于两个连接块内，所述两个垫片分别对应设置在两根弹性环的外侧；所述固定螺栓依次穿过其中一个垫片、两个弹性环、另一个垫片后和所述固定螺帽螺纹连接。

所述连接块较大端面上的两个安装足之间形成用于放置其他全开放式关节悬梁臂根部的矩形槽，且两个安装足上均设有和相邻全开放式关节对应悬梁臂上的通孔相匹配的通孔，所述两个安装足和相邻全开放式关节对应悬梁臂通过螺栓固连。

两个连接块分别从第一个压电振子圆环结构的两端嵌入圆环内侧，使用螺栓穿过分别设置在两个矩形槽内的弹性环对两个连接块进行连接，形成对圆环结构内侧施的接触压力；压电振子圆环结构和连接组件的连接，为在压电振子的圆环内圆一侧与连接块圆锥面一侧相互接触连接，用于提供摩擦驱动所需的作用力。使用弹性环的目的是实现压电振子与连接组件间预压力的连续调节。

所述压电振子中的两个悬梁臂均接地，两个压电陶瓷片分别接外部驱动信号。

所述全开放式关节所在平面和其相邻全开放式关节所在平面正交。

两个压电陶瓷片的外壁均由环氧树脂等材料绝缘处理，两个压电陶瓷片均为矩形片。

所述两个压电陶瓷片均沿垂直与其自身且远离另一个压电陶瓷片的方向极化，两片压电陶瓷的使用如图5所示。

本实用新型还公开了一种该水下全开放式关节机构的工作方法，包含以下步骤：

对于每个全开放式关节，分别激励其压电振子中的两个压电陶瓷片，使其两个悬臂梁上分别产生时间上具有π/2相位差的两个相同的n阶弯振振型，从而使压电振子的圆环结构产生两个在时间和空间上都具有π/2相位差的同型振动模态，通过两个模态的耦合形成旋转行波，使得压电振子的圆环结构内侧质点产生微幅椭圆运动，经摩擦驱动连接组件转动，进而该全开放式关节的运动。

当给两个压电陶瓷如图5所示的激励信号时，以压电振子悬臂梁产生时间上具有π/2相位差的两个三阶弯振为例，经耦合使压电振子圆环结构产生B03面内模态，在压电振子圆环结构内侧产生旋转行波，在一个周期里，圆环内侧的质点做微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动，使从动结构转动方向与圆环结构面内产生行波运动方向相同，贴片式压电换能器的振动模态如图6所示。

从动关节结构可以以连接块中轴线为轴转动，每个压电振子由两个悬臂梁上的压电陶瓷片同时作用驱动，因为连接组件中的连接块中轴线相互正交，所以串联结构间隔排列的从动关节结构转动方向是正交的，可实现两个自由度的驱动。

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）具有与本实用新型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，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。