一种夹心式纵弯复合型压电驱动履带装置及其使用方法与流程

本发明属于压电超声驱动器技术领域，具体涉及一种夹心式纵弯复合型压电驱动履带装置及其使用方法。

背景技术：

2020年7月我国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功在中国文昌航天发射场升空，正式开启了中国人自主探测火星之旅。星球探测、救灾探险和军事防爆侦察等方面对特种机器人的需求日益增加。为了满足非结构化地形环境的作业需求，近年来国内外开发和研制了各种足式、轮式、履带式以及上述形式复合结构的移动机器人。

履带式机器人能够很好地适应复杂地形，且具有优秀的越障性能和适应能力，其履带支撑面积大，接地比压小，适合在地形松软或者泥泞场地作业。

履带式机器人能够很好地适应复杂地形，且具有优秀的越障性能和适应能力，其履带支撑面积大，接地比压小，适合在地形松软或者泥泞场地作业。但是传统履带车的链轮、惰轮、负重轮、传动系统及润滑系统等驱动行驶系统导致履带装置的重量大、结构复杂、机械集成度低，驱动效率低等缺点。压电驱动器无需和减速系统，避免了繁琐的传动系统；另外，压电驱动器还无需润滑系统；因此压电驱动器驱动的履带装置在星球探索等特种领域具有潜在的应用前景。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种夹心式纵弯复合型压电驱动履带装置及其使用方法，其把传统履带行驶机构的优点和压电驱动器具有的结构紧凑、直接驱动的特点相结合，具有结构简单及紧凑、设计灵活多变、速度快、能量密度大等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种夹心式纵弯复合型压电驱动履带装置，包括驱动器安装底座、金属履带以及三个相同的纵弯复合型压电驱动器；其中，驱动器安装底座布置在金属履带的内侧，三个纵弯复合型压电驱动器呈旋转对称布设在驱动器安装底座周向上，并与金属履带的内侧接触；

每个纵弯复合型压电驱动器的一端安装在驱动器安装底座上的后端盖，另一端为与金属履带内侧接触的压电驱动器圆环，且纵弯复合型压电驱动器能够通过后端盖与安装底座的相对位置，调节金属履带与压电驱动器圆环的相对位置，进而改变金属履带的张紧力。

本发明进一步的改进在于，驱动器安装底座包括固定底座，以及沿着固定底座的周向呈旋转对称布设的三个移动底座。

本发明进一步的改进在于，固定底座上开设有供后端盖向靠近或者远离转金属履带方向移动的t型凹槽，移动底座能够在对应的t型凹槽内。

本发明进一步的改进在于，每个纵弯复合型压电驱动器均包括后端盖、压电驱动器圆环、纵振压电陶瓷组、弯振压电陶瓷组、双头螺柱以及和压电驱动器圆环一体的变幅杆，所述变幅杆与后端盖之间夹有纵振压电陶瓷组和弯振压电陶瓷组，所述纵振压电陶瓷组的每片纵振陶瓷为整片陶瓷，且相邻两片压电陶瓷的极化方向相反，所述弯振压电陶瓷组的每片纵振陶瓷为整片陶瓷，且相邻两片压电陶瓷的极化方向相反。

本发明进一步的改进在于，所述纵振压电陶瓷组和弯振压电陶瓷组的每片陶瓷均为圆环形陶瓷，陶瓷穿过双头螺柱，通过螺纹预紧夹持在后端盖和变幅杆之间。

一种夹心式纵弯复合型压电驱动履带装置的使用方法，该使用方法基于所述的一种夹心式纵弯复合型压电驱动履带装置，包括以下步骤：

步骤一、夹心式纵弯复合型压电驱动器的装配与调节：

步骤101、纵振压电陶瓷组通过螺纹连接夹持在变幅杆与双头螺柱之间，弯振压电陶瓷组通过螺纹连接夹持在双头螺柱与后端盖之间，纵振压电陶瓷组与弯振压电陶瓷组的每片陶瓷分别通过环氧树脂胶粘接；

步骤102、在安装底座的固定底座上安装移动底座，并移动底座上安装夹心式纵弯复合型压电驱动器；

步骤103、调节夹心式纵弯复合型压电驱动器与驱动器安装底座之间的位置，以调节压电驱动器圆环与金属履带接触面之间的预紧力；其中，三个所述夹心式纵弯复合型压电驱动器呈旋转对称布设，压电驱动器圆环与金属履带相切并接触；

步骤二、夹心式纵弯复合型压电驱动履带装置施加两相正弦激励电压及履带运动：

步骤201、给夹心式纵弯复合型压电驱动器的纵振压电陶瓷组施加正弦激励电压，纵振压电陶瓷组沿夹心式纵弯复合型压电驱动器的轴向伸缩，激励夹心式纵弯复合型压电驱动器产生纵向振动，从而激励圆环产生面内弯曲振动模态，且变幅杆与圆环的接触位置为圆环弯曲振动模态的节点位置；

步骤202、给夹心式纵弯复合型压电驱动器的弯振压电陶瓷组施加另一相相位差为90°的正弦激励电压，弯振压电陶瓷组交替伸缩，激励夹心式纵弯复合型压电驱动器产生弯曲振动，从而激励圆环产生面内弯曲振动模态，且变幅杆与圆环的接触位置为圆环弯曲振动模态的波峰或者波谷位置；

步骤203、圆环上述两相面内弯曲振动模态在时间和空间上的相位差均为90°，因此叠加后形成面内弯曲行波，圆环表面质点为椭圆运动轨迹，进而通过圆环和金属履带之间的摩擦接触驱动履带运动。

本发明进一步的改进在于，所述正弦激励电压v(t)＝vppsin(2πft)，另一相正弦激励电压v(t)＝vppsin(2πft+π/2)；

其中，vpp表电压的峰峰值，f表示频率，t表示时间，f的取值范围为大于20khz，ωpp的取值范围为10≤ωpp≤300；变上述两相正弦激励电压的相位差为-π/2能够改变金属履带的运动方向。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种夹心式纵弯复合型压电驱动履带装置，压电驱动器无需和减速系统，避免了繁琐的传动系统；另外，压电驱动器还无需润滑系统；因此压电驱动器驱动的履带装置在星球探索等特种领域具有潜在的应用前景。采用纵弯复合型压电驱动器，纵振陶瓷组和弯振陶瓷组均为整片陶瓷；弯振陶瓷片分左右两区，中间分隔区域未极化；避免了半片陶瓷的装配复杂度，简化了压电驱动器的结构。纵弯复合型压电驱动器能够通过后端盖与安装底座的相对位置，调节金属履带与压电驱动器圆环的相对位置，便于改变金属履带的张紧力。

本发明提供的一种夹心式纵弯复合型压电驱动履带装置的使用方法，圆环两相弯曲振动模态的共振频率一致，且在时间和空间上的相位差均为90°，叠加后形成面内弯曲行波，圆环表面质点为椭圆运动轨迹，进而通过圆环和金属履带之间的摩擦接触驱动履带运动；驱动简单，原理易于理解。两相正弦激励电压的相位差从π/2改为-π/2，圆环上形成的行波将反向运行，能够方便地改变金属履带的运动方向。

综上，本发明避免了传统履带行驶系统中使用的齿轮传动系统、润滑系统以及链轮、惰轮和负重轮等结构，基于夹心式纵弯复合型压电驱动的独特优势，压电驱动履带装置具有结构简单紧凑、行驶速度快、设计灵活、能量密度高、环境适应能力强以及驱动效率高等优点。

附图说明

图1为本发明夹心式纵弯复合型压电驱动履带装置的结构示意图。

图2为本发明夹心式纵弯复合型压电驱动器的结构示意图。

图3为本发明固定底座的结构示意图。

图4为本发明履带的结构示意图。

图5为本发明夹心式纵弯复合型压电驱动器的纵振和弯振陶瓷组示意图，其中图5(a)为纵振压电陶瓷组，图5(b)为弯振压电陶瓷组。

图6为本发明夹心式纵弯复合型压电驱动履带装置的使用方法示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1至图5所示，本发明提供的一种夹心式纵弯复合型压电驱动履带装置，包括驱动器安装底座2、金属履带3以及三个相同的纵弯复合型压电驱动器1；其中，驱动器安装底座2布置在金属履带3的内侧，三个纵弯复合型压电驱动器呈旋转对称布设在驱动器安装底座2周向上，并与金属履带3的内侧接触；每个纵弯复合型压电驱动器1的一端安装在驱动器安装底座2上的后端盖1-1，另一端为与金属履带3内侧接触的压电驱动器圆环1-2，且纵弯复合型压电驱动器1能够通过后端盖1-1与安装底座2的相对位置，调节金属履带3与压电驱动器圆环1-2的相对位置，进而改变金属履带3的张紧力。

如图3所示，驱动器安装底座2包括固定底座2-1，以及沿着固定底座2-1的周向呈旋转对称布设的三个移动底座2-2。固定底座2-1上开设有供后端盖1-1向靠近或者远离转金属履带3方向移动的t型凹槽2-1-1，移动底座2-2能够在对应的t型凹槽2-1-1内。

如图2所示，每个纵弯复合型压电驱动器1均包括后端盖1-1、压电驱动器圆环1-2、纵振压电陶瓷组1-4、弯振压电陶瓷组1-5、双头螺柱1-6以及和压电驱动器圆环1-2一体的变幅杆1-3，所述变幅杆1-3与后端盖1-1之间夹有纵振压电陶瓷组1-4和弯振压电陶瓷组1-5，所述纵振压电陶瓷组1-4的每片纵振陶瓷为整片陶瓷，且相邻两片压电陶瓷1-4的极化方向相反，所述弯振压电陶瓷组1-5的每片纵振陶瓷为整片陶瓷，且相邻两片压电陶瓷1-5的极化方向相反。所述纵振压电陶瓷组1-4和弯振压电陶瓷组1-5的每片陶瓷均为圆环形陶瓷，陶瓷穿过双头螺柱1-6，通过螺纹预紧夹持在后端盖1-1和变幅杆1-3之间。

本发明提供的一种夹心式纵弯复合型压电驱动履带装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、夹心式纵弯复合型压电驱动器的装配与调节：

步骤101、纵振压电陶瓷组1-4通过螺纹连接夹持在变幅杆1-3与双头螺柱1-6之间，弯振压电陶瓷组1-5通过螺纹连接夹持在双头螺柱1-6与后端盖1-1之间，纵振压电陶瓷组1-4与弯振压电陶瓷组1-5的每片陶瓷分别通过环氧树脂胶粘接；

步骤102、在安装底座2的固定底座2-1上安装移动底座2-2，并移动底座2-2上安装夹心式纵弯复合型压电驱动器；

步骤103、调节夹心式纵弯复合型压电驱动器与驱动器安装底座2之间的位置，以调节压电驱动器圆环1-2与金属履带3接触面之间的预紧力；其中，三个所述夹心式纵弯复合型压电驱动器1呈旋转对称布设，压电驱动器圆环1-2与金属履带3相切并接触；

步骤二、夹心式纵弯复合型压电驱动履带装置施加两相正弦激励电压及履带运动：

步骤201、给夹心式纵弯复合型压电驱动器1的纵振压电陶瓷组1-4施加正弦激励电压，纵振压电陶瓷组1-4沿夹心式纵弯复合型压电驱动器1的轴向伸缩，激励夹心式纵弯复合型压电驱动器1产生纵向振动，从而激励圆环产生面内弯曲振动模态，且变幅杆与圆环的接触位置为圆环弯曲振动模态的节点位置；

步骤202、给夹心式纵弯复合型压电驱动器1的弯振压电陶瓷组1-5施加另一相相位差为90°的正弦激励电压，弯振压电陶瓷组1-5交替伸缩，激励夹心式纵弯复合型压电驱动器1产生弯曲振动，从而激励圆环产生面内弯曲振动模态，且变幅杆与圆环的接触位置为圆环弯曲振动模态的波峰或者波谷位置；

步骤203、圆环上述两相面内弯曲振动模态在时间和空间上的相位差均为90°，因此叠加后形成面内弯曲行波，圆环表面质点为椭圆运动轨迹，进而通过圆环和金属履带之间的摩擦接触驱动履带运动。

所述正弦激励电压v(t)＝vppsin(2πft)，另一相正弦激励电压v(t)＝vppsin(2πft+π/2)；其中，vpp表电压的峰峰值，f表示频率，t表示时间，f的取值范围为大于20khz，ωpp的取值范围为10≤ωpp≤300；变上述两相正弦激励电压的相位差为-π/2能够改变金属履带的运动方向。

实施例

如图6所示，以n＝5，第一电信号为余弦信号，第二电信号为正弦信号为例。

修改补充为：

如图6所示，以n＝5，第一电信号为正弦信号，第二电信号为余弦为例。

给夹心式纵弯复合型压电驱动器的纵振压电陶瓷组施加正弦激励电压，纵振压电陶瓷组沿夹心式纵弯复合型压电驱动器的轴向伸缩，激励压电驱动器产生纵向振动，从而激励圆环产生面内5阶弯曲振动模态，且变幅杆与圆环的接触位置位于圆环5阶弯曲振动模态的节点位置；

给夹心式纵弯复合型压电驱动器的弯振压电陶瓷组施加另一相相位差为90°的余弦激励电压，弯振压电陶瓷组交替伸缩，激励夹心式纵弯复合型压电驱动器产生弯曲振动，从而激励圆环产生面内5阶弯曲振动模态，且变幅杆与圆环的接触位置为圆环5阶弯曲振动模态的波峰或者波谷位置。

圆环上述两相面内5阶弯曲振动模态在时间和空间上的相位差均为90°，因此叠加后形成面内弯曲行波，圆环表面质点为椭圆运动轨迹，进而通过圆环和金属履带之间的摩擦接触驱动履带运动。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。