一种鳐鱼式水下压电机器人的制作方法

1.本发明属于机器人技术领域，具体为一种鳐鱼式水下压电机器人。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，超声电机在多自由度的机械中进行多次的应用，科研人员对其研究后取得了很好的进展。麻省理工大学研制出一种三自由度平面闭环作动器，在低力矩的精密定位中进行应用；日本的东京工业大学设计出一种仅为1mm的微型爬坡装置，通过运用薄层合金制作成的多自由度装置；名古屋大学制作出一种可在管道内爬行的作动器装置，可以用于人体器官的检测等；美国研制了一种能在墙面上爬行的机作动器，可以让作动器借助静电的作用力吸附在墙面上运动。在我国，吉林大学的韦东东设计了一种仿树蜂压电步进机器人，该机器人主要是依靠两对不同摩擦系数的驱动足实现机器人的步进式直线运动；陈畅等人提出了一种基于压电驱动的六组爬行机器人，机器人由传动机构和驱动器部分组成，可以实现直线和转弯运动，由于该种机器人依靠多个驱动单元组合的方式实现运动，所以可以通过拓展单元节的数量进一步提升机器人的负载能力和稳定性。超声电机通常情况只能做一种直线或者转向运动的力的输出，因此在应用的多自由度机器人中，需要用多个超声电机来完成，其结构相对复杂，制作过程也比较繁琐，并且制造成本也很高。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明公开了一种鳐鱼式水下压电机器人。本发明可实现直线或者转向运动的力的输出，且具有结构新颖、安装制造方便、节约成本的优势，具有广泛的市场潜力，适合推广使用。
4.为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案：一种鳐鱼式水下压电机器人，包括一个弹性基体和八片压电陶瓷片，八片压电陶瓷片分布在弹性基体的上下各四片，压电陶瓷片的极化方向为上面四片压电陶瓷片负向极化，下面四片压电陶瓷片正向极化，弹性基体截面为梯形，弹性基体底部的四个角设置四个驱动足；弹性基体顶部上方设有一个凸起的结构孔，弹性基体两侧的中间设有两个切除的半圆形，且弹性基体顶部的中间设有两个圆形的通孔。
5.进一步的，弹性基体材质为聚苯硫醚。
6.进一步的，弹性基体的底部设有两个对称设置的方槽。
7.进一步的，弹性基体截面为等腰梯形。
8.进一步的，上面四片压电陶瓷片两两对称设置，分别设置在弹性基体的两个腰面上，下面四片压电陶瓷片两两对称设置，分别设置在方槽内。
9.同时公开了上述鳐鱼式水下压电机器人的信号激励方式，当施加具有90度相位差的激励信号时，弹性体会跟随压电陶瓷片产生振动，当振动频率达到时，产生弹性体的三阶面外弯曲模态和一阶面内纵向振动模态，两相振动模态为相邻振动模态，且两相模态相互
耦合可使弹性体两端实现左右方向上的椭圆运动，实现压电机器人的直线运动；调节激励信号，当振动频率达到另外一个振动频率时候，产生二阶面外反对称模态与二阶面内弯曲振动模态，两相振动模态为相邻模态，两相振动模态相互耦合可实现弹性体前后方向的椭圆运动，实现压电机器人运动角度的调整。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公开一种鳐鱼式水下压电机器人。通过一弹性基体和八片压电陶瓷片组成，八片压电陶瓷片分布为上下各四片。弹性基体材质为聚苯硫醚，该材质密度低于水，可漂浮在水中。压电陶瓷片的极化方向为上面四片压电陶瓷片负向极化，下面四片压电陶瓷片正向极化，信号激励方式如下，当施加具有90度相位差的激励信号时，弹性体会跟随压电陶瓷片产生振动。当振动频率达到一定的条件时，可以产生弹性体的三阶面外弯曲模态和一阶面内纵向振动模态，两相振动模态为相邻振动模态，且两相模态相互耦合可使弹性体两端实现左右方向上的椭圆运动，进而可以实现压电机器人的直线运动；调节激励信号，当振动频率达到另外一个振动频率时候，可以产生二阶面外反对称模态与二阶面内弯曲振动模态，两相振动模态为相邻模态，两相振动模态相互耦合可实现弹性体前后方向的椭圆运动，进而可以实现压电机器人运动角度的调整。
11.弹性基体侧面为梯形，底部的四个角设置四个驱动足。顶部上方设有一个凸起的结构孔，为了方便连接地线。中间的两侧有两个切除的半圆形，且中间的顶部有两个圆形的通孔，其目的是为了调节两组共振模态的频率一致性，并且可以起到放大振幅的作用。
附图说明
12.图1为本发明的结构图。
13.图2（a）为压电机器人所选取的四种振动模态图（面外反对称模态）。
14.图2（b）为压电机器人所选取的四种振动模态图（面内纵向振动模态）。
15.图2（c）为压电机器人所选取的四种振动模态图（面内弯曲振动模态）。
16.图2（d）为压电机器人所选取的四种振动模态图（面外对称模态）。
17.图3直线驱动时运动周期图。
18.图4 转向驱动时运动周期图。
19.附图标记列表：1、结构孔；2、圆形的通孔；3、半圆孔；4、弹性基体；5、驱动足；6、压电陶瓷片。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
21.实施例1如图所示的一种鳐鱼式水下压电机器人，包括一个弹性基体4和八片压电陶瓷片6，八片压电陶瓷片分布在弹性基体的上下各四片，压电陶瓷片的极化方向为上面四片压电陶瓷片负向极化，下面四片压电陶瓷片正向极化，弹性基体截面为梯形，弹性基体底部的四个角设置四个驱动足5；弹性基体顶部上方设有一个凸起的结构孔1，弹性基体两侧的中间设有两个切除的半圆孔3，且弹性基体顶部的中间设有两个圆形弹性基体的通孔2。
22.弹性基体材质为聚苯硫醚。八片压电陶瓷片粘连在弹性基体上。
23.弹性基体的底部设有两个对称设置的方槽。
24.弹性基体截面为等腰梯形。
25.上面四片压电陶瓷片两两对称设置，分别设置在弹性基体的两个腰面上，下面四片压电陶瓷片两两对称设置，分别设置在方槽内。
26.图3和图4分别为直线运动和转向运动的一个运动周期。当t在（a）时刻，此时压电机器人的面外弯曲振动位移和纵向伸长振动速度均达到最大值。从（a）到（b）的过程中，右侧的驱动足由弯曲振动最低位置逐渐变化到了平衡位置，左侧驱动足由最高位置逐渐达到平衡位置。当从（b）到（c）过程中，左侧驱动足逐渐由平衡位置逐渐达到最低点位置。当从（c）运动到（d）的过程中，面外弯曲振动位移和纵向伸长振动速度均达到最大值。在（b）～（d）阶段中，压电机器人两个驱动足均交替完成了一次椭圆运动。给定子施加一定的预压力，驱动足通过预压力的作用与直线滑轨接触，在定子椭圆运动的作用下，通过摩擦力推动直线滑轨运动。若调整两路激励信号相位差为
‑
90
°
时，可实现反向转动。相同方式，也可以解释图4转向运动的周期情况。
27.同时公开了上述鳐鱼式水下压电机器人的信号激励方式，当施加具有90度相位差的激励信号时，弹性体会跟随压电陶瓷片产生振动，当振动频率达到时，产生弹性体的三阶面外弯曲模态和一阶面内纵向振动模态，两相振动模态为相邻振动模态，且两相模态相互耦合可使弹性体两端实现左右方向上的椭圆运动，实现压电机器人的直线运动；调节激励信号，当振动频率达到另外一个振动频率时候，产生二阶面外反对称模态与二阶面内弯曲振动模态，两相振动模态为相邻模态，两相振动模态相互耦合可实现弹性体前后方向的椭圆运动，实现压电机器人运动角度的调整。
28.本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。