本實(shí)用新型提出了一種貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人，屬于壓電驅(qū)動技術(shù)和行星探測機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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傳統(tǒng)的行星探測機(jī)器人均采用輪式移動系統(tǒng)，并且以四輪和六輪結(jié)構(gòu)作為主流設(shè)計(jì)方案。由于可以借鑒地面輪式機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，輪式行星探測機(jī)器人系統(tǒng)一直處于最前沿的研究與應(yīng)用，例如美國的好奇號、勇氣號等系列火星探測機(jī)器人以及中國的玉兔號探月車均是采用輪式結(jié)構(gòu)。但是目前所提出和開發(fā)的行星探測機(jī)器人均是利用電磁電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)等裝置來驅(qū)動車輪運(yùn)動實(shí)現(xiàn)移動，因此整個(gè)機(jī)器人移動系統(tǒng)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制系統(tǒng)冗余、能耗高，而且難以實(shí)現(xiàn)微小型化設(shè)計(jì)?；谀鎵弘娦?yīng)的壓電驅(qū)動方式在壓電陶瓷材料的制備和加工技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展的情況下，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊、簡單、控制系統(tǒng)簡單、直接驅(qū)動、無電磁干擾、易于小型化等特點(diǎn)，在微型移動機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本實(shí)用新型提出了一種貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人及其工作方法，經(jīng)摩擦直接驅(qū)動車輪實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動和轉(zhuǎn)向，無需減速機(jī)構(gòu)，易于小型化，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，控制系統(tǒng)簡單，可在月面或者火星表面等極端環(huán)境下工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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針對傳統(tǒng)機(jī)器人移動系統(tǒng)需要復(fù)雜的傳動和減速機(jī)構(gòu)致使其難以實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)的問題，本實(shí)用新型提出了一種貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，依靠摩擦力直接驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)，不需要復(fù)雜的傳動和減速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于實(shí)現(xiàn)小型化。

本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：一種貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人，由車架組件、豎梁、橫梁、驅(qū)動螺栓和車輪組件組成，所述豎梁包括第一豎梁和第二豎梁，橫梁包括第一橫梁和第二橫梁，所述車架組件由第一豎梁、第二豎梁、第一橫梁、第二橫梁、若干縱振壓電陶瓷片、若干彎振壓電陶瓷片和連接梁組成，所述第一豎梁與第二豎梁平行，第一橫梁與第二橫梁平行，所述第一豎梁、第二豎梁與第一橫梁、第二橫梁相互正交，構(gòu)成了矩形框架結(jié)構(gòu)，所述第一橫梁與第二橫梁位于第一豎梁和第二豎梁的振動節(jié)點(diǎn)處，連接梁的兩端分別與第一橫梁與第二橫梁正交，并且與第一豎梁和第二豎梁平行，所述連接梁設(shè)置在第一橫梁與第二橫梁的振動節(jié)點(diǎn)處，第一豎梁和第二豎梁的端部均設(shè)置有用于安裝驅(qū)動螺栓的螺紋孔，所述驅(qū)動螺栓端部設(shè)置有用于安裝與驅(qū)動車輪組件的斜面。

進(jìn)一步地，所述驅(qū)動螺栓端部設(shè)置有兩個(gè)斜面，所述車輪組件包括兩片車輪、調(diào)節(jié)螺栓和彈簧，所述調(diào)節(jié)螺栓和彈簧將兩片車輪相對設(shè)置在驅(qū)動螺栓的兩個(gè)斜面上。

進(jìn)一步地，所述第一豎梁、第二豎梁和第一橫梁、第二橫梁的兩端均設(shè)置為變幅桿結(jié)構(gòu)，用于放大端部振幅。

進(jìn)一步地，兩片沿著厚度方向極化的且極化方向相反的壓電陶瓷片構(gòu)成一組縱振壓電陶瓷片，兩片沿著厚度方向極化的且極化方向相同的壓電陶瓷片構(gòu)成一組彎振壓電陶瓷片，第一橫梁和第二橫梁分別設(shè)置了兩組沿著厚度方向極化且極化方向相反縱振壓電陶瓷片，并且位于同一橫梁同一表面的壓電陶瓷片的極化方向相反以及兩根橫梁同一表面的壓電陶瓷片的極化方向相同，兩組縱振壓電陶瓷片均位于第一橫梁和第二橫梁的縱向振動的節(jié)點(diǎn)位置；第一豎梁和第二豎梁分別設(shè)置一組沿著厚度方向極化且極化方向相同彎振壓電陶瓷片，并且位于兩根豎梁同一表面的壓電陶瓷片的極化方向相同，彎振壓電陶瓷片設(shè)置在第一豎梁和第二豎梁的彎振振動模態(tài)的最大振幅處。

本實(shí)用新型還采用如下技術(shù)方案：一種貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人的工作方法，包括如下步驟：

1)對4組縱振壓電陶瓷片施加第一簡諧電壓信號可激勵(lì)出所述第一橫梁和第二橫梁的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)，即第一橫梁和第二橫梁的一端伸長而另一端縮短，此時(shí)第一豎梁和第二豎梁將隨著第一橫梁和第二橫梁的縱向伸長或者縮短而水平向前或者向后剛性平移，即端部的驅(qū)動螺栓沿著第三橫梁和第二橫梁的伸長或者縮短方向水平剛性平移；

2)當(dāng)對所述第一豎梁和第二豎梁上的2組彎振壓電陶瓷片同時(shí)施加第二簡諧電壓信號，可激勵(lì)出所述的第一豎梁和第二豎梁的2n+1(n≥0，n為整數(shù))階彎曲振動模態(tài)，振動方向垂直于水平面，即第一豎梁和第二豎梁上設(shè)置的驅(qū)動螺栓同時(shí)做垂直于水平方向的運(yùn)動，因此第一橫梁和第二橫梁上的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)和第一豎梁和第二豎梁的2n+1(n≥0，n為整數(shù))階彎曲振動模態(tài)同時(shí)被激勵(lì)出來并在驅(qū)動螺栓上進(jìn)行耦合，四個(gè)驅(qū)動螺栓同時(shí)具有兩個(gè)空間上垂直的振動位移；

3)通過調(diào)整第一簡諧電壓信號和第二簡諧電壓信號在時(shí)間上具有π/2的相位差，使得驅(qū)動螺栓上的任意質(zhì)點(diǎn)均做方向相同的橢圓運(yùn)動，進(jìn)而通過摩擦作用驅(qū)動與驅(qū)動螺栓上的兩個(gè)斜面接觸的車輪轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人向前移動；

4)調(diào)整第一簡諧電壓信號和第二簡諧電壓信號的相位差為-π/2，實(shí)現(xiàn)貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人向后移動。

進(jìn)一步地，1)對第一橫梁上的2組縱振壓電陶瓷片施加第一簡諧電壓信號，同時(shí)對第二橫梁上的2組縱振壓電陶瓷片施加與第一簡諧電壓信號具有π的相位差的第三簡諧電壓信號，激勵(lì)出的第一橫梁和第二橫梁的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)，第一橫梁的縱向振動模態(tài)與第二橫梁的縱向振動模態(tài)在空間上具有π的相位差，即第一橫梁的伸長端與第二橫梁的縮短端對應(yīng)，第一橫梁的縮短端與第二橫梁的縮伸長端對應(yīng)，此時(shí)，第一豎梁和第二豎梁的左端向前水平剛性平移，而右端向后水平剛性平移，即第一豎梁和第二豎梁左邊的驅(qū)動螺栓向前水平剛性平移，右邊的驅(qū)動螺栓則向后水平剛性平移；

2)當(dāng)對第一豎梁和第二豎梁上的2組彎振壓電陶瓷片同時(shí)施加第二簡諧電壓信號，激勵(lì)出第一豎梁和第二豎梁的2n+1(n≥0，n為整數(shù))階彎曲振動模態(tài)，振動方向垂直于水平面，即第一豎梁和第二豎梁上設(shè)置的驅(qū)動螺栓同時(shí)做垂直于水平方向的運(yùn)動；

3)若第一簡諧電壓信號、第二簡諧電壓信號和第三簡諧電壓信號同時(shí)激勵(lì)出第一橫梁和第二橫梁的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)和第一豎梁和第二豎梁的2n+1(n≥0，n為整數(shù))階彎曲振動模態(tài)，即實(shí)現(xiàn)同一根豎梁上的兩個(gè)驅(qū)動螺栓上的表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動軌跡的方向相反，并且兩根豎梁同一邊的兩個(gè)驅(qū)動螺栓的橢圓運(yùn)動軌跡相同，通過摩擦作用驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動整個(gè)貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)彎運(yùn)動；

4)改變第一簡諧電壓信號和第二簡諧電壓信號的相位差，實(shí)現(xiàn)貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)彎。

本實(shí)用新型具有如下有益效果：本實(shí)用新型貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，經(jīng)摩擦力直接驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，不需要復(fù)雜的傳動和減速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于控制，在微小型機(jī)器人移動系統(tǒng)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

附圖說明：

圖1是貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是橫梁和豎梁上設(shè)置的壓電陶瓷片的粘貼方式和極化方向示意圖。

圖3是豎梁與驅(qū)動螺栓、以及驅(qū)動螺栓與車輪組件的安裝方式示意圖。

圖4是橫梁上的縱振模態(tài)以及激勵(lì)信號示意圖。

圖5是豎梁上的彎振模態(tài)以及激勵(lì)信號示意圖。

圖6是橫梁上的轉(zhuǎn)彎模態(tài)以及激勵(lì)信號示意圖。

其中：

1-第一豎梁，2-第二豎梁，3-第一橫梁，4-第二橫梁，5-連接梁，6-車輪組件，7-縱振壓電陶瓷片，8-驅(qū)動螺栓，9-車輪，10-調(diào)節(jié)螺栓，11-彈簧，12-彎振壓電陶瓷片。

具體實(shí)施方式：

本實(shí)用新型的一種貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人，如圖1所示，由車架組件、豎梁、橫梁、4個(gè)驅(qū)動螺栓8和車輪組件6組成，其中豎梁包括第一豎梁1和第二豎梁2，橫梁包括第一橫梁3和第二橫梁4，車架組件6由第一豎梁1、第二豎梁2、第一橫梁3、第二橫梁4、若干縱振壓電陶瓷片7、若干彎振壓電陶瓷片12和兩根連接梁5組成。

第一豎梁1與第二豎梁2平行，第一橫梁3與第二橫梁4平行，第一豎梁1、第二豎梁2與第一橫梁3、第二橫梁4相互正交，構(gòu)成了矩形框架結(jié)構(gòu)。第一橫梁3與第二橫梁4位于第一豎梁1和第二豎梁2的振動節(jié)點(diǎn)處。兩根連接梁5的兩端分別與第一橫梁3與第二橫梁4正交，并且與第一豎梁1和第二豎梁2平行，并且連接梁5均設(shè)置在第一橫梁3與第二橫梁4的振動節(jié)點(diǎn)處。第一豎梁1、第二豎梁2和第一橫梁3、第二橫梁4的兩端均設(shè)置為變幅桿結(jié)構(gòu)，用于放大端部振幅。

橫梁和豎梁上壓電陶瓷片的粘貼方式和極化方向如圖2所示，兩片沿著厚度方向極化的且極化方向相反的壓電陶瓷片構(gòu)成一組縱振壓電陶瓷片7，兩片沿著厚度方向極化的且極化方向相同的壓電陶瓷片構(gòu)成一組彎振壓電陶瓷片12，第一橫梁3和第二橫梁4分別設(shè)置了兩組沿著厚度方向極化且極化方向相反縱振壓電陶瓷片7，并且位于同一橫梁同一表面的壓電陶瓷片的極化方向相反，同時(shí)兩組縱振壓電陶瓷片7均位于在第一橫梁3和第二橫梁4的縱向振動的節(jié)點(diǎn)位置；第一豎梁1和第二豎梁2分別設(shè)置一組沿著厚度方向極化且極化方向相同彎振壓電陶瓷片12，并且位于兩根豎梁同一表面的壓電陶瓷片的極化方向相同，同時(shí)彎振壓電陶瓷片12設(shè)置在第一豎梁1和第二豎梁2的彎振振動模態(tài)的最大振幅處。

豎梁與驅(qū)動螺栓8，以及驅(qū)動螺栓8與車輪組件6的裝配示意圖如圖3所示，第一豎梁1和第二豎梁2的端部均設(shè)置了螺紋孔用于安裝驅(qū)動螺栓8；驅(qū)動螺栓8端部均設(shè)置有2個(gè)具有一定傾角的斜面用于安裝與驅(qū)動車輪組件6。

車輪組件6包括兩片車輪9、調(diào)節(jié)螺栓10和彈簧11，調(diào)節(jié)螺栓10和彈簧11將兩片車輪9固定在驅(qū)動螺栓8的兩個(gè)斜面上，調(diào)節(jié)彈簧11的伸長長度即可同時(shí)調(diào)節(jié)兩片車輪9與驅(qū)動螺栓8的斜面之間的預(yù)壓力。

橫梁上壓電陶瓷片的電壓信號以及激勵(lì)的模態(tài)示意圖如圖4所示，以sin(ωt)作為驅(qū)動信號來說明車架組件的工作方式。對4組縱振壓電陶瓷片7同時(shí)施加sin(ωt)的電壓信號可激勵(lì)出第一橫梁3和第二橫梁4的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)，以2階縱振為例，在第一橫梁3和第二橫梁4上均有兩個(gè)振動節(jié)點(diǎn)，且位于4組縱振壓電陶瓷片和兩根連接梁的安裝位置，其工作振型即第一橫梁3和第二橫梁4的一端伸長而另一端縮短，此時(shí)第一豎梁1和第二豎梁2將隨著第一橫梁3和第二橫梁4的縱向伸長或者縮短而水平向前或者向后剛性平移，即端部的4個(gè)驅(qū)動螺栓8沿著第一橫梁3和第二橫梁4的伸長或者縮短方向水平剛性平移。

豎梁上壓電陶瓷片的電壓信號以及激勵(lì)的模態(tài)示意圖如圖5所示，以cos(ωt)作為驅(qū)動信號來說明車架組件的工作方式。當(dāng)對第一豎梁1和第二豎梁2上的2組彎振壓電陶瓷片12同時(shí)施加cos(ωt)電壓信號，可激勵(lì)出第一豎梁1和第二豎梁2的2n+1(n≥0，n為整數(shù))階彎曲振動模態(tài)，振動方向垂直于水平面，以一階彎振為例，在第一豎梁1和第二豎梁2上均有兩個(gè)振動節(jié)點(diǎn)，且位于第一橫梁3和第二橫梁4的安裝位置，其工作振型即第一豎梁1和第二豎梁2上設(shè)置的驅(qū)動螺栓8同時(shí)做垂直于水平方向的運(yùn)動。若第一橫梁3和第二橫梁4上的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)和第一豎梁1和第二豎梁2的2n+1(n≥0，n為整數(shù))階彎曲振動模態(tài)同時(shí)被激勵(lì)出來并在驅(qū)動螺栓8上進(jìn)行耦合，四個(gè)驅(qū)動螺栓8將同時(shí)具有兩個(gè)空間上垂直的振動位移。由于兩相驅(qū)動電壓信號在時(shí)間上具有π/2的相位差，可使得四個(gè)驅(qū)動螺栓8上的任意質(zhì)點(diǎn)均做方向相同橢圓運(yùn)動，進(jìn)而通過摩擦作用驅(qū)動與驅(qū)動螺栓上的兩個(gè)斜面接觸的車輪轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)所述的貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人向前移動。若施加在縱振陶瓷片上的驅(qū)動信號為cos(ωt)，而施加在彎振陶瓷片上的驅(qū)動信號為sin(ωt)，即可實(shí)現(xiàn)所述的貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人向后移動。因此通過調(diào)節(jié)兩相驅(qū)動信號之間的相位差可實(shí)現(xiàn)貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人的雙向運(yùn)動。

為了實(shí)現(xiàn)貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎功能，對第一橫梁3和第二橫梁4上的驅(qū)動信號進(jìn)行了改變，如圖6所示，即對第一橫梁3施加sin(ωt)的信號，而對第二橫梁4施加-sin(ωt)的信號，將激勵(lì)出第一橫梁3與第二橫梁4具有π的空間相位差的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)，即第一橫梁3的伸長端與第二橫梁4的縮短端對應(yīng)，第一橫梁3的縮短端與第二橫梁4的縮伸長端對應(yīng)，此時(shí)，第一豎梁1和第二豎梁2的左端向前水平剛性平移，而右端向后水平剛性平移，即第一豎梁1和第二豎梁2左邊的驅(qū)動螺栓向前水平剛性平移，右邊的驅(qū)動螺栓則向后水平剛性平移。而對第一豎梁1和第二豎梁2上的2組彎振壓電陶瓷片仍然采用如圖5所示的激勵(lì)信號，即第一豎梁1和第二豎梁2上設(shè)置的驅(qū)動螺栓仍做垂直于水平方向的運(yùn)動，即可實(shí)現(xiàn)同一根豎梁上的兩個(gè)驅(qū)動螺栓上的表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動軌跡的方向相反，并且兩根豎梁同一邊的兩個(gè)驅(qū)動螺栓的橢圓運(yùn)動軌跡相同，即通過摩擦作用可驅(qū)動兩根豎梁左邊的兩個(gè)車輪向前旋轉(zhuǎn)，而右邊的兩個(gè)車輪向后旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動整個(gè)貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人沿著前進(jìn)方向向左進(jìn)行轉(zhuǎn)彎運(yùn)動；當(dāng)?shù)谝粰M梁3和第二橫梁4上的驅(qū)動信號互換，第一橫梁3與第二橫梁4的2n(n≥1，n為整數(shù))階縱向振動模態(tài)之間的空間相位差將變?yōu)?π，因此同一根豎梁上的橢圓運(yùn)動軌跡方向互換，即經(jīng)摩擦作用可驅(qū)動兩根豎梁右邊的兩個(gè)車輪向前旋轉(zhuǎn)，而左邊的兩個(gè)車輪向后旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動整個(gè)貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人沿著前進(jìn)方向向右進(jìn)行轉(zhuǎn)彎運(yùn)動；若改變豎梁和橫梁上的驅(qū)動電壓信號的相位差為-π/2，可實(shí)現(xiàn)貼片式壓電驅(qū)動四輪行星探測機(jī)器人進(jìn)行向后運(yùn)動的雙向轉(zhuǎn)彎。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。