本發(fā)明涉及機器人，特別是涉及具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的平面多自由度微型壓電機器人及激勵方法。

背景技術(shù)：

1、目前，機器人已能夠代替人類完成一些特定的任務(wù)，例如智能倉儲、汽車裝配或工業(yè)關(guān)鍵部件的焊接等。然而，在如災(zāi)害發(fā)生后的狹小空間內(nèi)的搜救、隱蔽偵察或高溫高壓等特殊環(huán)境中，就需要體積小、質(zhì)量輕以及運動表現(xiàn)優(yōu)良的微型機器人來執(zhí)行任務(wù)。傳統(tǒng)的機器人多由電磁電機驅(qū)動，盡管驅(qū)動效率高，但復(fù)雜的傳動系統(tǒng)無法使之微型化。研制智能材料驅(qū)動的微型機器人就成為了熱點，其中多數(shù)機器人的制造過程復(fù)雜、運動穩(wěn)定性差，這極大地影響了在真實場景環(huán)境中的應(yīng)用。

2、壓電機器人易于微型化、響應(yīng)快、運動效率高，是性能較為優(yōu)秀的微型機器人實現(xiàn)方案。然而，受制于對振動模式的依賴程度，多數(shù)壓電機器人雖然能保證較小的尺寸，但僅具有單個方向的運動自由度使他們無法進一步應(yīng)用；當(dāng)機器人能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度的運動時，更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計又對加工制造提出了更高的要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有壓電機器人運動自由度單一問題，本發(fā)明提供一種具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的平面多自由度微型壓電機器人，具有平面多自由度的優(yōu)點。

2、具體技術(shù)方案如下：

3、具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的平面多自由度微型壓電機器人，包括作動部件和導(dǎo)向機構(gòu)；導(dǎo)向機構(gòu)搭載在作動部件上。

4、進一步的，作動部件包括環(huán)狀基體、驅(qū)動足組件以及壓電陶瓷片組件；所述驅(qū)動足組件包括第一驅(qū)動足、第二驅(qū)動足、第三驅(qū)動足、第四驅(qū)動足，壓電陶瓷片組件包括第一壓電陶瓷片、第二壓電陶瓷片、第三壓電陶瓷片、第四壓電陶瓷片；所述環(huán)狀基體的直邊用于粘貼第一壓電陶瓷片、第二壓電陶瓷片、第三壓電陶瓷片、第四壓電陶瓷片，且按照逆時針方向?qū)⒌谝粔弘娞沾善?、第二壓電陶瓷片、第三壓電陶瓷片、第四壓電陶瓷片依次粘貼到環(huán)狀基體的上表面；第一壓電陶瓷片、第二壓電陶瓷片、第三壓電陶瓷片、第四壓電陶瓷片均沿厚度方向極化，極化方向同時垂直于環(huán)狀基體的上表面向上或向下；第一驅(qū)動足、第二驅(qū)動足、第三驅(qū)動足、第四驅(qū)動足按照逆時針方向依次粘貼到環(huán)狀基體的下表面，且第一驅(qū)動足、第二驅(qū)動足、第三驅(qū)動足、第四驅(qū)動足的各自形心與對應(yīng)矩形粘貼位置的形心重合，且與第一壓電陶瓷片、第二壓電陶瓷片、第三壓電陶瓷片、第四壓電陶瓷片一一對應(yīng)。

5、進一步的，導(dǎo)向機構(gòu)包含支架、鎖緊螺栓組件、螺母組件以及導(dǎo)向軸承組件；鎖緊螺栓組件包括第一鎖緊螺栓、第二鎖緊螺栓、第三鎖緊螺栓、第四鎖緊螺栓，螺母組件包括第一螺母、第二螺母、第三螺母、第四螺母，導(dǎo)向軸承組件包括第一導(dǎo)向軸承、第二導(dǎo)向軸承、第三導(dǎo)向軸承、第四導(dǎo)向軸承；所述支架具有方盤形結(jié)構(gòu)，且方盤形結(jié)構(gòu)的尖角外側(cè)具有帶內(nèi)孔的外伸部分；所述第一導(dǎo)向軸承、第二導(dǎo)向軸承、第三導(dǎo)向軸承、第四導(dǎo)向軸承按照逆時針方向分別水平放置于支架的外伸部分上，并且第一導(dǎo)向軸承、第二導(dǎo)向軸承、第三導(dǎo)向軸承、第四導(dǎo)向軸承的形心與支架外伸部分的內(nèi)孔形心對齊，第一鎖緊螺栓、第二鎖緊螺栓、第三鎖緊螺栓、第四鎖緊螺栓按照逆時針方向插入到第一導(dǎo)向軸承、第二導(dǎo)向軸承、第三導(dǎo)向軸承、第四導(dǎo)向軸承以及支架外伸部分的內(nèi)孔中，第一螺母、第二螺母、第三螺母、第四螺母分別旋入第一鎖緊螺栓、第二鎖緊螺栓、第三鎖緊螺栓、第四鎖緊螺栓，在保證第一導(dǎo)向軸承、第二導(dǎo)向軸承、第三導(dǎo)向軸承、第四導(dǎo)向軸承正常旋轉(zhuǎn)的情況下，其余部件不脫落。

6、進一步的，所述環(huán)狀基體是一個具有直邊和弧形邊的環(huán)狀金屬結(jié)構(gòu)；所述環(huán)狀基體的直線邊和弧形邊所在的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的徑向?qū)挾认嗤?；所述環(huán)狀基體帶有弧形邊的環(huán)狀結(jié)構(gòu)處設(shè)有盲孔用于搭載導(dǎo)向機構(gòu)，支架的底部對應(yīng)盲孔位置設(shè)有小圓柱，小圓柱能夠插入盲孔中，且小圓柱與盲孔間隙配合。

7、進一步的，第一壓電陶瓷片、第二壓電陶瓷片、第三壓電陶瓷片、第四壓電陶瓷片的結(jié)構(gòu)一致，均為平板板狀結(jié)構(gòu)；第一壓電陶瓷片、第二壓電陶瓷片、第三壓電陶瓷片、第四壓電陶瓷片的長度與環(huán)狀基體直邊的長度一致。

8、進一步的，第一驅(qū)動足、第二驅(qū)動足、第三驅(qū)動足、第四驅(qū)動足的結(jié)構(gòu)一致，均為帶有圓形底座并具有圓形足尖的組合圓柱體結(jié)構(gòu)；第一驅(qū)動足、第二驅(qū)動足、第三驅(qū)動足、第四驅(qū)動足底座的直徑小于環(huán)狀基體中環(huán)狀結(jié)構(gòu)的寬度。

9、進一步的，第一導(dǎo)向軸承、第二導(dǎo)向軸承、第三導(dǎo)向軸承、第四導(dǎo)向軸承的內(nèi)孔直徑大于支架外伸部分的內(nèi)孔直徑，而第一鎖緊螺栓、第二鎖緊螺栓、第三鎖緊螺栓、第四鎖緊螺栓的螺紋大徑小于支架外伸部分的內(nèi)孔直徑，第一螺母、第二螺母、第三螺母、第四螺母的公稱直徑與第一鎖緊螺栓、第二鎖緊螺栓、第三鎖緊螺栓、第四鎖緊螺栓保持一致。

10、基于上述具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的平面多自由度微型壓電機器人的激勵方法，包含以下步驟：

11、在壓電機器人中設(shè)定笛卡爾坐標(biāo)系o-xyz，作動部件的形心為坐標(biāo)系原點，由作動部件的形心指向第二壓電陶瓷片的形心的方向為x軸的正方向；由作動部件的形心指向第四壓電陶瓷片的形心的方向為x軸的負(fù)方向；由作動部件的形心指向第三壓電陶瓷片的形心的方向為y軸的正方向；由作動部件的形心指向第一壓電陶瓷片的形心的方向為y軸的負(fù)方向；由作動部件的形心指向環(huán)狀基體的上表面的方向為z軸正方向，作為旋轉(zhuǎn)軸，指向環(huán)狀基體的下表面的方向為z軸負(fù)方向，壓電機器人在平面內(nèi)的直線運動方向與笛卡爾坐標(biāo)系保持一致；由y軸正方向旋轉(zhuǎn)90度后與x軸正方向重合的這個旋轉(zhuǎn)方向為壓電機器人的順時針旋轉(zhuǎn)方向，反之為逆時針旋轉(zhuǎn)方向；

12、微型壓電機器人實現(xiàn)沿x軸的直線運動的激勵方案：

13、對第一壓電陶瓷片、第三壓電陶瓷片及第四壓電陶瓷片施加第一激勵信號，對第二壓電陶瓷片施加第二激勵信號；第一、二激勵信號均為同頻同幅的正弦交流電壓信號，所述第二激勵信號在時間相位差上滯后了第一激勵信號半個周期；

14、在這些激勵信號的作用下，產(chǎn)生了特征為第一驅(qū)動足、第二驅(qū)動足、第三驅(qū)動足、第四驅(qū)動足同時向外擴張或收縮的一階軸向彎曲振動模態(tài)，以及特征為第二驅(qū)動足和第四驅(qū)動足振動方向相反的三階軸向彎曲振動模態(tài)；基于一階軸向彎曲振動模態(tài)和三階軸向彎曲振動模態(tài)的組合，第一驅(qū)動足、第二驅(qū)動足、第三驅(qū)動足、第四驅(qū)動足的足尖末端產(chǎn)生了與x軸具有一定夾角的斜直線運動軌跡；利用第一驅(qū)動足、第二驅(qū)動足、第三驅(qū)動足、第四驅(qū)動足與地面之間的摩擦力，壓電機器人能夠?qū)崿F(xiàn)向x軸正向的直線運動；

15、當(dāng)壓電機器人需要向x軸負(fù)向運動時，只需將第一激勵信號施加于第一壓電陶瓷片、第二壓電陶瓷片、第三壓電陶瓷片，以及第二激勵信號施加于第四壓電陶瓷片即可；

16、微型壓電機器人實現(xiàn)沿y軸的直線運動的激勵方案：

17、對第一壓電陶瓷片、第二壓電陶瓷片及第四壓電陶瓷片施加第一激勵信號，對第三壓電陶瓷片施加第二激勵信號；第一、第二激勵信號與機器人實現(xiàn)x軸正向的直線運動時的第一、第二激勵信號相同；

18、在第一、第二激勵信號的作用下，作動部件產(chǎn)生特征為第一驅(qū)動足、第二驅(qū)動足、第三驅(qū)動足、第四驅(qū)動足同時向外或收縮的一階軸向彎曲振動模態(tài)，以及特征為第一驅(qū)動足和第三驅(qū)動足振動方向相反的三階軸向彎曲振動模態(tài)；基于一階軸向彎曲振動模態(tài)和三階軸向彎曲振動模態(tài)的組合，第一驅(qū)動足、第二驅(qū)動足、第三驅(qū)動足、第四驅(qū)動足的足尖末端產(chǎn)生了與y軸具有一定夾角的斜直線運動軌跡；利用第一驅(qū)動足、第二驅(qū)動足、第三驅(qū)動足、第四驅(qū)動足與地面之間的摩擦力，所述壓電機器人能夠向y軸正向移動；

19、當(dāng)微型壓電機器人需要y軸負(fù)向運動時，將第一激勵信號施加于第二壓電陶瓷片、第三壓電陶瓷片、第四壓電陶瓷片，第二激勵信號施加于第一壓電陶瓷片即可；

20、微型壓電機器人實現(xiàn)繞z軸的旋轉(zhuǎn)運動的激勵方案：

21、對第二壓電陶瓷片施加第一激勵信號，對第四壓電陶瓷片施加第二激勵信號，對第一壓電陶瓷片施加第三激勵信號，對第三壓電陶瓷片施加第四激勵信號；第一、第二激勵信號與機器人實現(xiàn)y軸的直線運動時的第一、第二激勵信號一致；第三、四激勵信號為正弦交流電壓信號，且與第一、第二激勵信號的頻率幅值保持一致，所述第三激勵信號在時間相位差上滯后了第一激勵信號四分之一個周期，所述第四激勵信號在時間相位差上滯后第一激勵信號四分之三個周期；在激勵信號的作用下，產(chǎn)生特征為第一驅(qū)動足和第三驅(qū)動足振動方向相反的三階軸向彎曲振動模態(tài)，以及特征為第二驅(qū)動足和第四驅(qū)動足振動相反的三階軸向彎曲振動模態(tài)；基于兩個三階軸向彎曲振動模態(tài)的耦合，第一驅(qū)動足、第二驅(qū)動足、第三驅(qū)動足、第四驅(qū)動足的足尖末端產(chǎn)生了切向的橢圓軌跡；利用第一驅(qū)動足、第二驅(qū)動足、第三驅(qū)動足、第四驅(qū)動足與地面之間的摩擦力，所述壓電機器人能夠繞z軸逆時針旋轉(zhuǎn)；

22、當(dāng)微型壓電機器人需要繞z軸順時針運動時，將第一壓電陶瓷片的信號改為第四激勵信號，第三壓電陶瓷片的信號改為第三激勵信號即可。

23、本發(fā)明的有益效果是：

24、本發(fā)明的具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的平面多自由度微型壓電機器人具有體積小、構(gòu)型簡便、驅(qū)動機制簡單、運動效率高，尤其是具備了能夠?qū)崿F(xiàn)平面三個自由度運動的高靈活性特征，在狹窄環(huán)境探測、安全救援等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用潛力；本發(fā)明的環(huán)狀結(jié)構(gòu)綜合了壓電梁模塊的高效作動特性和圓環(huán)結(jié)構(gòu)中行波傳遞的高效性，一方面減小了機器人的重量和尺寸，另一方面實現(xiàn)了機器人在平面內(nèi)三個自由度的運動，但卻沒有增加多余的作動部件，這使機器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性得以降低；

25、本發(fā)明的激勵方法通過對作動部件施加特殊的電信號后，能夠激發(fā)出作動部件的三種不同的軸向彎曲模態(tài)，利用這些模態(tài)的組合能夠使驅(qū)動足產(chǎn)生斜直線或橢圓軌跡，通過與地面之間的摩擦作用可使壓電機器人實現(xiàn)平面內(nèi)的正交方向上的直線運動和旋轉(zhuǎn)運動；通過耦合所需振動模態(tài)，機器人運動效率被增強，尤其是具備了能夠?qū)崿F(xiàn)平面三個自由度運動的高靈活性特征。