壓電式微機器人行走驅動器的製作方法
2023-06-07 14:38:06
專利名稱：壓電式微機器人行走驅動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用壓電效應的二自由度驅動裝置，具體地說是一種可用於機器人行走的壓電式驅動器。
直線型超聲波電動機是一種由電能直接轉換成直線運動機械能的驅動器，它使用超聲頻域的機械振動作為驅動源，主要由產生超聲振動的超聲振子(相當於旋轉電機的定子)和與之相接觸的滑塊(相當於旋轉電機的轉子)組成，作為微機器人行走驅動器，希望具有平面二自由度、大行程、輸出速度較快推力較大、體積小重量輕的驅動裝置，其中的壓電元件分別施加電激勵來實現多方向、多自由度驅動，目前已開發出的直線型超聲波電動機，有的需要一組以上的支持導向機構，有的需要二相驅動電源，有的採用貴的壓電疊堆，有的行程過小，還有幾種二自由度超聲波電動機，它們結構複雜，輸出功率小、體積大，驅動電路不利於小型化、無線化，不適合於微機器人的行走驅動，現有技術中的附圖標記8為壓電疊堆、標記9為超聲振子、標記10為支持導向機構、標記11為滑塊、標記12為滾輪、標記13為彈簧。
本發明目的在於提供一種結構簡單、製造成本低，便於實現驅動器本體和驅動電路微型化，在二自由度大行程上輸出較大速度和負載力，適用於微機器人行走驅動的壓電式驅動裝置。
本發明技術方案是這樣實現的壓電式微機器人行走驅動器，其特徵在於它由前蓋、後蓋組成的彈性體及裝在前、後蓋間的壓電元件構成，壓電元件採用壓電陶瓷片，前蓋為梯形塊狀，後蓋為矩形塊狀，整體的形狀為較扁的方柱狀。
由於本發明可以獨自行走，無須支持部件，減小了摩擦損耗，也取消驅動裝置中的支持導向機構對振動模態的限制，效率較高；採用簡單的結構實現多自由度，有利於微機器人小型化，採用單相電源驅動實現二自由度的雙向行走，使驅動電源簡化，有利於微機器人無線操縱，成本低，可在大行程上輸出較大的推力和速度，此外本驅動裝置降低了對摩擦副的表面精度要求，所以可實現大行程。
圖1為現有技術的基本構成及原理2為本發明一實施例的結構示意3為圖2的俯視4為圖2的側視5為本發明的另一實施例的結構示意6為圖5的側視圖下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。
本發明為壓電式微機器人行走驅動器，它區別於現有技術在於所述的壓電式微機器人行走驅動器由前蓋3、後蓋1組成的彈性體及裝在前、後蓋間的壓電元件2構成，壓電元件採用壓電陶瓷片，實施中前蓋3為梯形塊狀，後蓋1為矩形塊狀壓電元件2通過緊固件4或粘接劑裝在前、後蓋之間構成夾心式結構，在前蓋3中設有小孔5和凹槽6，前蓋的大端與後蓋之間夾持壓電陶瓷片。通過緊固件或粘接劑將三者聯為一體，以採用緊固件周邊夾持為佳，實施例中在前蓋和後蓋上設有用於緊固的夾持耳7，為減少波的反射，壓電陶瓷片表面和前、後蓋的相應接觸面應光滑平整，使三者之間的界面緊密接觸，為增大輸出功率，作為輔助激振，可以在前蓋或後蓋的外表面粘貼或塗附壓電元件，本發明所述的微機器人是指1毫米至300毫米尺寸的機器人，附圖中的箭頭方向為驅動器的行走或旋轉方向。
本發明的驅動原理是，利用一組壓電元件激振，採用單向高頻驅動電源，該驅動電源由一般波形發生器和功率放大器組成，均屬現有技術，激發出驅動器的縱向、彎曲和扭轉振動的耦合模態，由於這三個振動波在達到彈性體的前蓋驅動端時，在時間上相差一定的相位，因此這三個振動模態在彈性體的前蓋驅動端便合成為一種類似人步行的運動軌跡，從而實現行走驅動，本發明的驅動器總長度約等於縱波波長的一半，彈性體的長、寬、厚的比例約為11∶5∶2，壓電元件應處在一階縱向振動的節面附近，同時又使所激發出的沿軸向扭轉和沿垂直於前進方向彎曲振動接近90度的相位差，微調尺寸參數儘可能使這三個振動模態的頻率相接近，通過對上述驅動器中的壓電元件施加高頻激勵電場，使驅動器的端部產生仿步態駐波振動，置於光滑的平面上，則可以獨自直立行走，通過激發不同的振動模態，驅動器沿前後及原地正反旋四個方向二自由度地行走，也可以讓驅動器固定，而驅動被驅動體運動，被驅動體可以具有一定硬度的光滑的玻璃、矽片或金屬板製成。
為使驅動器的振動能量集中，將前蓋板做成上大下小的梯形，在前端中心鑽一小孔，前蓋採用聲阻抗率較小的材料如硬鋁、矽、石英等製作，後蓋用聲阻抗率較大的材料如鋼、銅製做，為有利於驅動器旋轉，在前蓋板的前端開一凹槽，整體形狀為較扁的方柱狀。對稱結構有利於保持運動的方向性。
本發明的驅動裝置可以獨自行走，無須支持部件，減小了摩擦損耗，也取消了裝夾對振動模態限制，所以效率較高，用簡單的結構實現多自由度行走，有利於微機器人小型化，用單相電源驅動實現二自由度的雙向行走，使驅動電源簡化，有利於微機器人的無線操縱。再加上沒有使用特殊壓電元件，所以成本低。可在大行程上輸出較大的推力和速度。由於聚能作用，驅動裝置的振動幅度大，降低了對摩擦副的表面精度要求，所以可以實現大行程。
實施例1驅動器的整體尺寸(不包括夾持耳)為15×5×35毫米，前蓋採用硬鋁LY12製作，後蓋採用碳鋼Q235製作，壓電元件採用二片厚度為1毫米的發射型壓電陶瓷片，型號為PZT-4(鋯鈦酸鉛)，均勻極化，極化方向相對排列，在平板玻璃上行走，驅動面上未使用摩擦材料，驅動頻率為45KHz，經測試，輸出速度可達30cm/s，可搭負荷20N，運行穩定，運動切換靈活。
實施例2驅動器的整體尺寸(不包括夾持耳)為11.1×5.6×2.1毫米，前蓋和後蓋採用矽材料製作，壓電元件採用二片厚度為0.3毫米的PZT壓電陶瓷薄膜，均勻極化，極化方向相對排列，前蓋的前端開有1.6毫米深3毫米的V型槽，並開有2個直徑0.2毫米的小孔，前蓋和後蓋之間採用斜榫塊夾裝固定，該驅動器可以在非常光滑潔淨的玻璃平面上行走，驅動頻率為80KHz。
權利要求
1.壓電式微機器人行走驅動器，其特徵在於它由前蓋、後蓋組成的彈性體及裝在前、後蓋間的壓電元件構成，壓電元件採用壓電陶瓷片，前蓋為梯形塊狀，後蓋為矩形塊狀，整體的形狀為較扁的方柱狀。
2.按權利要求1所述的壓電式微機器人行走驅動器，其特徵在於在前蓋和後蓋上設有用於緊固的夾持耳。
3.按權利要求1所述的壓電式微機器人行走驅動器，其特徵在於壓電元件通過緊固件或粘接劑裝在前、後蓋之間構成夾心式結構，在前蓋中設有小孔和凹槽。
全文摘要
本發明公開了壓電式微機器人行走驅動器，其特徵在於它由前蓋、後蓋組成的彈性體及裝在前、後蓋間的壓電元件構成，壓電元件採用壓電陶瓷片，前蓋為梯形塊狀，後蓋為矩形塊狀，整體的形狀為較扁的方柱狀。本發明可以獨自行走，無須支持部件，減小了摩擦損耗，效率較高；採用簡單的結構實現多自由度，有利於微機器人小型化，採用單相電源驅動實現二自由度的雙向行走，使驅動電源簡化，有利於微機器人無線操縱，成本低，可在大行程上輸出較大的推力和速度。
文檔編號B25J11/00GK1392030SQ0111345
公開日2003年1月22日 申請日期2001年6月18日 優先權日2001年6月18日
發明者李朝東, 姚華 申請人:上海大學