CN106956291B - 一种深海全开放式机械臂结构及其工作方式 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深海全开放式机械臂结构及其工作方式，包括若干臂及关节，臂包括夹心式压电换能器、套筒和螺栓，套筒为圆环上设置有180°分布的两根梁的结构，圆环中间有沿周向均匀分布的螺纹通孔，螺栓穿过螺纹通孔与夹心式压电换能器中间对应设置的限位孔接触，将其悬空固定在套筒内部。关节由两个C型摩擦轮正交嵌套而成，分别通过螺栓设置在相邻两个套筒的梁上，C型摩擦轮分别与相邻两个夹心式压电换能器的端部接触，起连接与传动作用。通过激励夹心式压电换能器，使其两端的质点做方向相反的椭圆运动，并通过摩擦作用使C型摩擦轮转动从而带动两端的两节臂做方向相反的转动，实现开合的动作。全开放式结构满足深海作业的抗高水压要求。
Description
技术领域：
本发明涉及一种深海全开放式机械臂结构及其工作方式，属于超声作动及机器人领域。
背景技术：
现有液压式水下机器手结构庞大、功率要求高，难以适应AUV微小型化发展趋势；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，进一步降低能量消耗和油液泄漏、海水入侵的风险。针对深海水压适应性这一瓶颈问题，考虑到摩擦驱动可以允许海水进入，提出利用压电转换和摩擦驱动基本原理构建全开放式机器手关节驱动方法，解除深海高水压对驱动***的制约。关节的两个旋转自由度由构成机器臂的压电振子摩擦驱动，结构简单，同时发挥压电驱动的快响应、断电自锁、无电磁辐射等特点。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种深海全开放式机械臂结构及其工作方式。
本发明采用如下技术方案：一种深海全开放式机械臂结构，包括若干臂和关节，所述臂由套筒、夹心式压电换能器、第一螺栓和第二螺栓组成，所述套筒包括圆环以及设置于圆环上的且沿180°分布的两根梁，圆环中间设有沿周向均匀分布的螺纹通孔，梁的末端设有通孔，所述夹心式压电换能器由质量块、作动头和压电陶瓷组件组成，所述质量块为两端设置有螺纹轴的圆柱结构，且圆柱结构中间设置有与套筒的螺纹通孔对应的限位孔，所述作动头的一末端开设有螺纹盲孔，所述压电陶瓷组件套设于螺纹轴上，作动头套设于质量块的螺纹轴上通过螺纹轴与螺纹盲孔的配合将压电陶瓷组件夹紧在质量块和作动头之间，所述第一螺栓穿过套筒的螺纹通孔与夹心式压电换能器的限位孔接触，将夹心式压电换能器悬空固定在套筒内部；
所述关节由两个C型摩擦轮和弹性元件组成，C型摩擦轮为开有矩形槽的圆柱结构，且与矩形槽正交方向设置有两个螺纹孔，所述矩形槽宽度与圆柱结构厚度一致，所述弹性元件设置在两个矩形槽之间，所述第二螺栓穿过套筒梁上的通孔与关节中一个C型摩擦轮的螺纹孔连接，使这个C型摩擦轮的矩形槽在套筒的内侧，关节中的另一个C型摩擦轮与另一节臂连接，每个固定在臂上的C型摩擦轮都与相邻一节臂的夹心式压电换能器端部紧密接触。
进一步地，所述C型摩擦轮以第二螺栓为轴转动，每个关节都具有两个自由度，且两个自由度由相邻的两个夹心式压电换能器分别驱动。
进一步地，所述压电陶瓷组件为圆环形，中间设置的孔使质量块的螺纹轴穿过。
进一步地，所述压电陶瓷组件外部由环氧树脂材料绝缘处理。
进一步地，所述压电陶瓷组件共包括有两个，且分别套设于质量块两端的螺纹轴上。
本发明还采用如下技术方案：一种深海全开放式机械臂结构的工作方式：
激励上述两个压电陶瓷组件，使夹心式压电换能器产生时间上具有90°相位差的一阶纵振和一个奇数阶的弯振，使夹心式压电换能器的端部的质点产生微幅的椭圆运动，且两个端部的椭圆运动轨迹相反，通过摩擦作用带动关节绕第二螺栓旋转，实现将两端的臂向相反方向转动，实现开合的动作，两个C型摩擦轮正交设置，相邻两个臂产生的转动方向是正交的。
本发明具有如下有益效果：本发明结构为全开放式，可以满足深海作业所要求的抗高水压要求。
附图说明：
图1为本发明深海全开放式机械臂结构示意图。
图2为套筒的结构示意图。
图3为夹心式压电换能器的结构示意图。
图4为臂的结构示意图。
图5为关节的结构分解示意图。
图6为关节与臂的连接示意图。
图7为压电陶瓷组件的结构、陶瓷片极化及施加信号示意图。
图8为夹心式压电换能器端部质点产生椭圆运动的示意图。
图9为夹心式压电换能器驱动关节转动的原理图。
其中：
1-臂；2-关节；3-套筒；4-夹心式压电换能器；4-1-质量块；4-2-作动头；4-3-压电陶瓷组件；5-第一螺栓；6-C型摩擦轮；7-弹性元件；8-椭圆运动轨迹；9-转动方向；10-第二螺栓。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明深海全开放式机械臂结构包括若干臂1和关节2，其中臂1由套筒3、夹心式压电换能器4、第一螺栓5和第二螺栓10组成，套筒3为圆环上设置有180°分布的两根梁的结构，圆环中间设有沿周向均匀分布的螺纹通孔，梁的末端设有通孔，如图2所示。
夹心式压电换能器4由质量块4-1、两个作动头4-2和两个压电陶瓷组件4-3组成，质量块4-1为两端设置有螺纹轴的圆柱结构，且圆柱结构中间设置有与套筒3的螺纹通孔对应的限位孔，作动头4-2的一末端开设有螺纹盲孔，两个压电陶瓷组件4-3为圆环形，中间的孔可使质量块4-1的螺纹轴穿过，两个作动头4-2分别套设于质量块4-1两端的螺纹轴上且位于压电陶瓷组件4-3的外侧，通过螺纹轴与螺纹盲孔的配合将压电陶瓷组件4-3夹紧在质量块4-1和作动头4-2之间，如图3所示。
第一螺栓5穿过套筒3的螺纹通孔与夹心式压电换能器4的限位孔接触，将夹心式压电换能器4悬空固定在套筒3内部，如图4所示。
关节2由两个C型摩擦轮6和弹性元件7组成，C型摩擦轮6为开有矩形槽的圆柱结构，且与矩形槽正交方向设置有两个螺纹孔，矩形槽宽度与圆柱结构厚度一致，使两个C型摩擦轮6可以通过矩形槽嵌套在一起.。弹性元件7设置在两个矩形槽之间，用于提供夹心式压电换能器4与C型摩擦轮6之间的预压力，其分解结构如图5所示。
第二螺栓10穿过套筒3梁上的通孔与关节2中一个C型摩擦轮6的螺纹孔连接，使这个C型摩擦轮6的矩形槽在套筒3的内侧，关节2中的另一个C型摩擦轮6与另一节臂1连接。每个固定在臂1上的C型摩擦轮6都与相邻一节臂1的夹心式压电换能器4端部紧密接触，如图6所示。
C型摩擦轮6可以以第二螺栓10为轴转动，上述每个关节2都具有两个自由度，且两个自由度由相邻的两个夹心式压电换能器4分别驱动。
夹心式压电换能器4的压电陶瓷组件4-3外部由环氧树脂等材料绝缘处理，整体结构为全开放式。压电陶瓷组件4-3由两片压电陶瓷片和两片电极片组成，压电陶瓷片为圆环形，中间的孔可使质量块4-1的螺纹轴穿过。压电陶瓷片沿厚度方向极化，两个分区极化方向相反，两片半圆环形电极片根据两个极化分区分开设置，两片压电陶瓷片的配合如图7所示。
激励上述两个压电陶瓷组件4-3，使夹心式压电换能器4产生时间上具有90°相位差的一阶纵振和一个奇数阶的弯振，从而使夹心式压电换能器4的端部的质点产生微幅的椭圆运动，且两个端部的椭圆运动轨迹相反，通过摩擦作用带动关节绕第二螺栓10旋转，从而实现将两端的臂向相反方向转动，实现开合的动作；因为两个C型摩擦轮6正交设置，所以相邻两个臂产生的转动方向是正交的。
当给两个压电陶瓷组件如图7所示的激励信号时，夹心式压电换能器的振动情况如图8所示，在0到2π的一个周期里，作动头端部的质点做微幅椭圆运动，且两个作动头端部的椭圆运动轨迹相反，如图9所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种深海全开放式机械臂结构，其特征在于：包括若干臂（1）和关节（2），所述臂（1）由套筒（3）、夹心式压电换能器（4）、第一螺栓（5）和第二螺栓（10）组成，所述套筒（3）包括圆环以及设置于圆环上的且沿180º分布的两根梁，圆环中间设有沿周向均匀分布的螺纹通孔，梁的末端设有通孔，所述夹心式压电换能器（4）由质量块（4-1）、作动头（4-2）和压电陶瓷组件（4-3）组成，所述质量块（4-1）为两端设置有螺纹轴的圆柱结构，且圆柱结构中间设置有与套筒（3）的螺纹通孔对应的限位孔，所述作动头（4-2）的一末端开设有螺纹盲孔，所述压电陶瓷组件（4-3）套设于螺纹轴上，作动头（4-2）套设于质量块（4-1）的螺纹轴上通过螺纹轴与螺纹盲孔的配合将压电陶瓷组件（4-3）夹紧在质量块（4-1）和作动头（4-2）之间，所述第一螺栓（5）穿过套筒（3）的螺纹通孔与夹心式压电换能器（4）的限位孔接触，将夹心式压电换能器（4）悬空固定在套筒（3）内部；
所述关节（2）由两个C型摩擦轮（6）和弹性元件（7）组成，C型摩擦轮（6）为开有矩形槽的圆柱结构，且与矩形槽正交方向设置有两个螺纹孔，所述矩形槽宽度与圆柱结构厚度一致，所述弹性元件（7）设置在两个矩形槽之间，所述第二螺栓（10）穿过套筒（3）梁上的通孔与关节（2）中一个C型摩擦轮（6）的螺纹孔连接，使这个C型摩擦轮（6）的矩形槽在套筒（3）的内侧，关节（2）中的另一个C型摩擦轮（6）与另一节臂（1）连接，每个固定在臂（1）上的C型摩擦轮（6）都与相邻一节臂（1）的夹心式压电换能器（4）端部紧密接触。
2.如权利要求1所述的深海全开放式机械臂结构，其特征在于：所述C型摩擦轮（6）以第二螺栓（10）为轴转动，每个关节（2）都具有两个自由度，且两个自由度由相邻的两个夹心式压电换能器（4）分别驱动。
3.如权利要求2所述的深海全开放式机械臂结构，其特征在于：所述压电陶瓷组件（4-3）为圆环形，中间设置的孔使质量块（4-1）的螺纹轴穿过。
4.如权利要求3所述的深海全开放式机械臂结构，其特征在于：所述压电陶瓷组件（4-3）外部由环氧树脂材料绝缘处理。
5.如权利要求4所述的深海全开放式机械臂结构，其特征在于：所述压电陶瓷组件（4-3）共包括有两个，且分别套设于质量块（4-1）两端的螺纹轴上。
6.一种如权利要求5所述的深海全开放式机械臂结构的工作方式，其特征在于：
激励上述两个压电陶瓷组件（4-3），使夹心式压电换能器（4）产生时间上具有90 º相位差的一阶纵振和一个奇数阶的弯振，使夹心式压电换能器（4）的端部的质点产生微幅的椭圆运动，且两个端部的椭圆运动轨迹相反，通过摩擦作用带动关节绕第二螺栓（10）旋转，实现将两端的臂向相反方向转动，实现开合的动作，两个C型摩擦轮（6）正交设置，相邻两个臂产生的转动方向是正交的。
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