本發(fā)明涉及超聲作動領(lǐng)域，尤其涉及一種三自由度機器手關(guān)節(jié)及其工作方式。

背景技術(shù)：

隨著深海探測、航天技術(shù)、機械輔助醫(yī)療技術(shù)及自動制造技術(shù)的迅速發(fā)展，對機械手的需求日益迫切，傳統(tǒng)的機械手采用傳統(tǒng)的伺服電機及線纜結(jié)構(gòu)，存在易受磁場影響，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，線纜容易纏繞等缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種三自由度機器手關(guān)節(jié)及其工作方式。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案

一種三自由度機器手關(guān)節(jié)，至少包括兩個關(guān)節(jié)單元，所述關(guān)節(jié)單元依次相連；

所述關(guān)節(jié)單元包含作動頭、金屬質(zhì)量塊、底座、縱振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件、預(yù)緊螺栓、彈簧夾頭、底蓋、彈簧和接觸塊；

所述作動頭包含驅(qū)動頭、連接部、法蘭盤和圓柱，其中，所述驅(qū)動頭為球形；所述連接部為連續(xù)變截面結(jié)構(gòu)，其截面為圓形，且其最小截面與驅(qū)動頭的下端固定相連、最大截面與圓柱的上端固定相連；所述法蘭盤設(shè)置在所述連接部和圓柱的連接處；

所述作動頭的軸線上設(shè)有和所述預(yù)緊螺栓相配合的螺紋孔；

所述彈簧夾頭為上端開口、內(nèi)部中空的圓柱體，其下端設(shè)有用于鎖住所述驅(qū)動頭的圓孔；

所述底座包含主體、第一固定環(huán)和第二固定環(huán)，其中，所述主體為上端開口、下端封閉的圓柱體；所述第一固定環(huán)、第二固定環(huán)均為上下開口的圓柱體，所述第一固定環(huán)的半徑大于所述第二固定環(huán)；所述第一固定環(huán)和第二固定環(huán)的上端均和所述主體的底面固定相連，且主體、第一固定環(huán)、第二固定環(huán)同軸設(shè)置；

所述縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均為圓柱形，依次從上到下設(shè)置在所述底座的主體內(nèi)；

所述縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件、底座主體的底面同軸設(shè)置且在軸心均設(shè)有供預(yù)緊螺栓穿過的通孔；預(yù)緊螺栓依次穿過底座主體的底面、第二彎振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、縱振壓電陶瓷組件和作動頭上的螺紋孔螺紋連接，將縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件夾緊在作動頭和底座主體的底面之間；

所述底蓋包含第一套接環(huán)和凸環(huán)，所述第一套接環(huán)為上下開口的圓柱體，所述凸環(huán)設(shè)置在所述第一套接環(huán)的上端，和所述第一套接環(huán)固定相連；

所述底蓋的凸環(huán)設(shè)置在第一固定環(huán)、第二固定環(huán)之間，和第一固定環(huán)、第二固定環(huán)之間的凹槽過盈連接；

所述接觸塊包含連接板、第二套接環(huán)和接觸環(huán)，其中，所述第二套接環(huán)、接觸環(huán)均為上下開口的空心圓柱；所述第二套接環(huán)的下端通過連接板和所述接觸環(huán)的上端固定相連，且所述第二套接環(huán)、接觸環(huán)同軸設(shè)置；

所述第一套接環(huán)和第二套接環(huán)通過套接進行間隙配合，使得接觸塊和底蓋之間能夠上下滑動；

所述彈簧套在所述第一套接環(huán)和第二套接環(huán)外，一端和所述底蓋的凸環(huán)相抵，另一端和所述接觸塊的連接板相抵；

所述彈簧夾頭上端和所述作動頭的法蘭盤固定相連，下端的圓孔鎖住與其相連的關(guān)節(jié)單元的驅(qū)動頭；

所述接觸塊中接觸環(huán)的下端和所述彈簧夾頭鎖住的驅(qū)動頭相抵；

所述縱振壓電陶瓷組件用于產(chǎn)生縱振傳播至所述驅(qū)動頭；

所述第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均用于產(chǎn)生彎振傳播至所述驅(qū)動頭，且第一彎振壓電陶瓷組件產(chǎn)生的彎振和第二彎振壓電陶瓷組件產(chǎn)生的彎振在空間上存在π/2相位差。

作為本發(fā)明一種三自由度機器手關(guān)節(jié)進一步的優(yōu)化方案，所述縱振壓電陶瓷組件包含兩片縱振陶瓷片和一片電極片，所述兩片縱振陶瓷片將電極片夾在中間，所述兩片縱振陶瓷片均為單一極化分區(qū)，極化方向分別垂直于電極片向外。

作為本發(fā)明一種三自由度機器手關(guān)節(jié)進一步的優(yōu)化方案，所述第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均包含兩片彎振陶瓷片和一片電極片，所述兩片彎振陶瓷片將電極片夾在中間，每片彎振壓電陶瓷片均有左右兩個極化方向相反的極化分區(qū)，且兩片彎振陶瓷片在同一端的極化分區(qū)的極化方向相反。

本發(fā)明還公開了一種基于該三自由度機器手關(guān)節(jié)的工作方式，包含以下步驟：

對于每一個關(guān)節(jié)單元，令其驅(qū)動頭的球心為原點、令其驅(qū)動頭的球心為原點、作動頭的軸線為Z軸、過原點且平行于其第一彎振壓電陶瓷組件中任一彎振陶瓷片的兩個極化分區(qū)之間的界限的直線為Y軸、過原點且平行于其第二彎振壓電陶瓷組件中任一彎振陶瓷片的兩個極化分區(qū)之間的界限的直線為X軸；

分別在其縱振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號，在定子模塊上激發(fā)出沿Z軸方向的縱向振動和在XOZ平面內(nèi)的彎曲振動，縱向振動和彎曲振動的耦合使驅(qū)動頭上的質(zhì)點在XOZ平面內(nèi)作橢圓運動，驅(qū)動頭通過摩擦作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子模塊繞Y軸旋轉(zhuǎn)；

分別在其縱振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號，在定子模塊上激發(fā)出沿Z軸方向的縱向振動和在YOZ平面內(nèi)的彎曲振動，縱向振動和彎曲振動的耦合使驅(qū)動頭上的質(zhì)點在YOZ平面內(nèi)作橢圓運動，驅(qū)動頭通過摩擦作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子模塊繞X軸旋轉(zhuǎn)；

分別在其第一彎振壓電陶瓷組件和第二彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號，將分別在定子模塊上激發(fā)出兩個在空間上具有π/2相位差的彎曲振動模態(tài)，使得驅(qū)動頭上的質(zhì)點在XOY平面內(nèi)作橢圓運動，驅(qū)動頭通過摩擦作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子模塊繞Z軸作360°旋轉(zhuǎn)。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1. 結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快，精度高；

2. 易小型化，不受磁場干擾，在深海探測、航天技術(shù)、機械輔助醫(yī)療技術(shù)及自動制造技術(shù)領(lǐng)域有廣闊前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種三自由度機器手關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中作動頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中彈簧夾頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明中底蓋、彈簧與接觸塊的配合圖；

圖5是本發(fā)明中縱振壓電陶瓷組件中陶瓷片的極化方式示意圖；

圖6是本發(fā)明中第一彎振壓電陶瓷組件中陶瓷片的極化方式示意圖；

圖7是本發(fā)明中第二彎振壓電陶瓷組件中陶瓷片的極化方式示意圖；

圖8是本發(fā)明的彎曲振動振型圖；

圖9是本發(fā)明的縱向振動振型圖。

其中，1-作動頭，1.1-驅(qū)動頭，1.2-連接部，1.3-法蘭盤，1.4-圓柱，2-金屬質(zhì)量塊，3-底座，4-預(yù)緊螺栓，5-彈簧夾頭，6-底蓋，7-彈簧，8-接觸塊，9-縱振壓電陶瓷組件，10-第一彎振壓電陶瓷組件，11-和第二彎振壓電陶瓷片組，12-固定螺栓，13-電極片。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明：

如圖1所示，本發(fā)明公開了一種三自由度機器手關(guān)節(jié)，至少包括兩個關(guān)節(jié)單元，所述關(guān)節(jié)單元依次相連。

所述關(guān)節(jié)單元包含作動頭、金屬質(zhì)量塊、底座、縱振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件、預(yù)緊螺栓、彈簧夾頭、底蓋、彈簧和接觸塊。

如圖2所示，所述作動頭包含驅(qū)動頭、連接部、法蘭盤和圓柱，其中，所述驅(qū)動頭為球形；所述連接部為連續(xù)變截面結(jié)構(gòu)，其截面為圓形，且其最小截面與驅(qū)動頭的下端固定相連、最大截面與圓柱的上端固定相連；所述法蘭盤設(shè)置在所述連接部和圓柱的連接處。

所述作動頭的軸線上設(shè)有和所述預(yù)緊螺栓相配合的螺紋孔。

如圖3所示，所述彈簧夾頭為上端開口、內(nèi)部中空的圓柱體，其下端設(shè)有用于鎖住所述驅(qū)動頭的圓孔。

所述底座包含主體、第一固定環(huán)和第二固定環(huán)，其中，所述主體為上端開口、下端封閉的圓柱體；所述第一固定環(huán)、第二固定環(huán)均為上下開口的圓柱體，所述第一固定環(huán)的半徑大于所述第二固定環(huán)；所述第一固定環(huán)和第二固定環(huán)的上端均和所述主體的底面固定相連，且主體、第一固定環(huán)、第二固定環(huán)同軸設(shè)置。

所述縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均為圓柱形，依次從上到下設(shè)置在所述底座的主體內(nèi)。

所述縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件、底座主體的底面同軸設(shè)置且在軸心均設(shè)有供預(yù)緊螺栓穿過的通孔；預(yù)緊螺栓依次穿過底座主體的底面、第二彎振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、縱振壓電陶瓷組件和作動頭上的螺紋孔螺紋連接，將縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件夾緊在作動頭和底座主體的底面之間。

所述底蓋包含第一套接環(huán)和凸環(huán)，所述第一套接環(huán)為上下開口的圓柱體，所述凸環(huán)設(shè)置在所述第一套接環(huán)的上端，和所述第一套接環(huán)固定相連。

所述底蓋的凸環(huán)設(shè)置在第一固定環(huán)、第二固定環(huán)之間。

所述接觸塊包含連接板、第二套接環(huán)和接觸環(huán)，其中，所述第二套接環(huán)、接觸環(huán)均為上下開口的空心圓柱；所述第二套接環(huán)的下端通過連接板和所述接觸環(huán)的上端固定相連，且所述第二套接環(huán)、接觸環(huán)同軸設(shè)置。

所述第一套接環(huán)和第二套接環(huán)通過套接進行間隙配合，使得接觸塊和底蓋之間能夠上下滑動。

如圖4所示，所述彈簧套在所述第一套接環(huán)和第二套接環(huán)外，一端和所述底蓋的凸環(huán)相抵，另一端和所述接觸塊的連接板相抵。

所述彈簧夾頭上端和所述作動頭的法蘭盤固定相連，可以采用固定螺栓來固定相連。所述彈簧夾頭下端的圓孔鎖住與其相連的關(guān)節(jié)單元的驅(qū)動頭，并且在該關(guān)節(jié)單元的驅(qū)動頭受力時不會脫離彈簧夾頭。

所述接觸塊中接觸環(huán)的下端和所述彈簧夾頭鎖住的驅(qū)動頭相抵。

所述縱振壓電陶瓷組件用于產(chǎn)生縱振傳播至所述驅(qū)動頭。

所述第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均用于產(chǎn)生彎振傳播至所述驅(qū)動頭，且第一彎振壓電陶瓷組件產(chǎn)生的彎振和第二彎振壓電陶瓷組件產(chǎn)生的彎振在空間上存在π/2相位差。

如圖5所示，所述縱振壓電陶瓷組件包含兩片縱振陶瓷片和一片電極片，所述兩片縱振陶瓷片將電極片夾在中間，所述兩片縱振陶瓷片均為單一極化分區(qū)，極化方向分別垂直于電極片向外。

所述第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均包含兩片彎振陶瓷片和一片電極片，所述兩片彎振陶瓷片將電極片夾在中間，每片彎振壓電陶瓷片均有左右兩個極化方向相反的極化分區(qū)，且兩片彎振陶瓷片在同一端的極化分區(qū)的極化方向相反。

所述第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件的極化方向及組合方式分別如圖6、圖7所示。

對于每一個關(guān)節(jié)單元，令其驅(qū)動頭的球心為原點、令其驅(qū)動頭的球心為原點、作動頭的軸線為Z軸、過原點且平行于其第一彎振壓電陶瓷組件中任一彎振陶瓷片的兩個極化分區(qū)之間的界限的直線為Y軸、過原點且平行于其第二彎振壓電陶瓷組件中任一彎振陶瓷片的兩個極化分區(qū)之間的界限的直線為X軸。

分別在其縱振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號，在定子模塊上激發(fā)出沿Z軸方向的縱向振動和在XOZ平面內(nèi)的彎曲振動，縱向振動和彎曲振動的耦合使驅(qū)動頭上的質(zhì)點在XOZ平面內(nèi)作橢圓運動，驅(qū)動頭通過摩擦作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子模塊繞Y軸旋轉(zhuǎn)。

分別在其縱振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號，在定子模塊上激發(fā)出沿Z軸方向的縱向振動和在YOZ平面內(nèi)的彎曲振動，縱向振動和彎曲振動的耦合使驅(qū)動頭上的質(zhì)點在YOZ平面內(nèi)作橢圓運動，驅(qū)動頭通過摩擦作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子模塊繞X軸旋轉(zhuǎn)。

分別在其第一彎振壓電陶瓷組件和第二彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號，將分別在定子模塊上激發(fā)出兩個在時間和空間上都具有π/2相位差的彎曲振動模態(tài)，使得驅(qū)動頭上的質(zhì)點在XOY平面內(nèi)作橢圓運動，驅(qū)動頭通過摩擦作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子模塊繞Z軸作360°旋轉(zhuǎn)。

由以上可知本發(fā)明中關(guān)節(jié)單元通過三組陶瓷組件激勵出的三個振型之間的兩兩組合，可實現(xiàn)三個自由度的運動，彎曲振動時使球形驅(qū)動頭與連接部的連接處位于振型的節(jié)點處，以使球形驅(qū)動頭獲得最大的振幅，彎曲振動的振型圖如圖8所示（以二階彎振為例）。縱向振動時使法蘭盤位于振型節(jié)點處方便夾持，使球形驅(qū)動頭與連接部的連接處位于振幅最大處，以使球形驅(qū)動頭獲得最大的縱向振幅，縱向振動的振型圖如圖9所示（以一階縱振為例）。

本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快，精度高，便于微型化，在深海探測、航天技術(shù)、機械輔助醫(yī)療技術(shù)及自動制造技術(shù)領(lǐng)域有廣闊前景。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語（包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語）具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。