本發(fā)明涉及機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域。具體地說，是指一種應(yīng)用于撲翼飛行器關(guān)節(jié)部位的新的微型關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，交叉了壓電驅(qū)動(dòng)和機(jī)器人關(guān)節(jié)兩個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)。

背景技術(shù)：

蝙蝠作為唯一能飛行的哺乳動(dòng)物，其飛行機(jī)動(dòng)性極強(qiáng)，對(duì)于撲翼飛行器的研制具有借鑒意義。蝙蝠的翅膀不同于鳥類和昆蟲之處在于，蝙蝠翅膀具有極多數(shù)量的關(guān)節(jié)。在飛行過程中，蝙蝠可以通過控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來主動(dòng)改變翼面形狀，進(jìn)而達(dá)到精確的飛行控制。

經(jīng)過研究，蝙蝠翅膀單側(cè)具有多達(dá)20個(gè)自由度?，F(xiàn)在普遍使用的，成熟的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)多采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)核心。這種關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于撲翼關(guān)節(jié)上有三個(gè)方面的難點(diǎn)。首先，電磁電機(jī)主要部件是金屬制的，金屬絲電阻和體積成反比，因此微型化之后性能會(huì)變差；其次，電磁電機(jī)微型化之后轉(zhuǎn)速并不能隨之降低，因此減速機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生很多重量和體積；最后，電磁電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)自鎖，而撲翼飛行器飛行過程中很多時(shí)間需要保持某一固定攻角和姿態(tài)角，因此需要關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)具有一定的自鎖能力。

壓電驅(qū)動(dòng)是近幾年來的研究熱點(diǎn)之一。壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)以壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)，通過控制其機(jī)械變形產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低速、大力矩的優(yōu)點(diǎn)。在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)、精密儀器、工業(yè)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

結(jié)合上述壓電驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)以及撲翼關(guān)節(jié)的實(shí)際要求，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種以高頻壓電驅(qū)動(dòng)為核心的微型撲翼關(guān)節(jié)。

本發(fā)明提供一種微型撲翼關(guān)節(jié)，包括前結(jié)構(gòu)桿、動(dòng)子、預(yù)緊機(jī)構(gòu)、壓電定子和后結(jié)構(gòu)桿五個(gè)部分,所述的前結(jié)構(gòu)桿與動(dòng)子之間粘接，動(dòng)子與壓電定子之間通過預(yù)緊機(jī)構(gòu)預(yù)緊連接，壓電定子粘接在后結(jié)構(gòu)桿上；所述的前結(jié)構(gòu)桿和后結(jié)構(gòu)桿分別連接仿生撲翼飛行器的前翼和后翼。

所述的動(dòng)子由動(dòng)子圓環(huán)、動(dòng)子軸承兩個(gè)部分組成，動(dòng)子軸承設(shè)置于動(dòng)子圓環(huán)的圓心處，動(dòng)子軸承套在預(yù)緊機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)軸之上，動(dòng)子整體可以繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

所述的預(yù)緊機(jī)構(gòu)由預(yù)緊支架、轉(zhuǎn)軸、固定支座和預(yù)緊螺釘組成；所述預(yù)緊支架上半部分設(shè)置有轉(zhuǎn)軸，與動(dòng)子中的動(dòng)子軸承相配合，預(yù)緊支架下半部分固定在固定支座上；所述的預(yù)緊支架包括兩個(gè)背對(duì)背的“L”型支架，所述的兩個(gè)背對(duì)背的“L”型支架的底部均加工有通孔，所述固定支座的上表面鉆有螺紋孔，所述預(yù)緊螺釘穿過通孔，旋入螺紋孔，將預(yù)緊支架緊固在固定支座上。

所述的壓電定子包括驅(qū)動(dòng)頭、兩組壓電疊堆、電極和定子基座，其中兩組壓電疊堆的構(gòu)造均相同，兩組壓電疊堆的位移方向相互垂直；壓電疊堆的一端與定子基座固定在一起，另一端與驅(qū)動(dòng)頭固定在一起；兩組壓電疊堆和定子基座位于一個(gè)平面內(nèi)，該平面通過固定支座的中心線，且相對(duì)于固定支座的中心線呈軸對(duì)稱；所述的固定支座為圓柱狀結(jié)構(gòu)，所述的固定支座與所述的定子基座一體加工成型。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明是微型化產(chǎn)品，相比較微型電磁電機(jī)，壓電材料本身尺寸很小，且性能不隨尺寸減小和減弱；

(2)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有微型電磁電機(jī)的減速機(jī)構(gòu)，加工制造較為簡(jiǎn)單；

(3)本發(fā)明簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)能帶來較高的工作可靠性；

(4)由于預(yù)緊機(jī)構(gòu)的存在，在動(dòng)子和定子之間會(huì)有一定的預(yù)緊力，進(jìn)而能產(chǎn)生靜摩擦力來使得機(jī)構(gòu)在無能量輸入的情況下實(shí)現(xiàn)自鎖；

(5)由于本發(fā)明基本原理是將微米尺度下的微幅振動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)，因此輸出轉(zhuǎn)動(dòng)角度的分度值小，精度高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明微型關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的總體結(jié)構(gòu)組成圖。

圖2是本發(fā)明微型關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的定子和動(dòng)子的結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本發(fā)明微型關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的預(yù)緊機(jī)構(gòu)組成圖。

圖4是本發(fā)明微型關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于撲翼上的安裝示意圖。

圖中：

1-前結(jié)構(gòu)桿； 2-動(dòng)子； 3-預(yù)緊機(jī)構(gòu)； 4-壓電定子；

5-后結(jié)構(gòu)桿； 6-前翼； 7-后翼；

201-動(dòng)子圓環(huán)； 202-動(dòng)子軸承； 203-軸承支架； 204-圓環(huán)支架；

301-軸承墊片； 302-轉(zhuǎn)軸； 303-預(yù)緊支架； 304-預(yù)緊螺釘；

305-橡膠墊片； 401-驅(qū)動(dòng)頭； 402-電極； 403-壓電疊堆；

404-定子基座； 405-固定支座； 406-螺紋孔；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供一種用于仿生撲翼飛行器上的微型撲翼關(guān)節(jié)，如圖1所示，所述微型撲翼關(guān)節(jié)包括前結(jié)構(gòu)桿1、動(dòng)子2、預(yù)緊機(jī)構(gòu)3、壓電定子4和后結(jié)構(gòu)桿5五個(gè)部分。所述的前結(jié)構(gòu)桿1與動(dòng)子2之間粘接，動(dòng)子2與壓電定子4之間通過預(yù)緊機(jī)構(gòu)3提供預(yù)緊力，壓電定子4粘接在后結(jié)構(gòu)桿5上。所述的前結(jié)構(gòu)桿1和后結(jié)構(gòu)桿5分別連接所述仿生撲翼飛行器的前翼6和后翼7，如圖4所示。

所述的前結(jié)構(gòu)桿1和后結(jié)構(gòu)桿5的結(jié)構(gòu)相同，均是圓柱狀主體結(jié)構(gòu)，并采用碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成。考慮到微型化和輕質(zhì)化的需要，后結(jié)構(gòu)桿5的一個(gè)端面與壓電定子4上的固定支座405的下表面固接在一起，前結(jié)構(gòu)桿1的一個(gè)端面和動(dòng)子2連接，并且在連接的地方采用粘接進(jìn)行連接。

所述的動(dòng)子2由動(dòng)子圓環(huán)201、動(dòng)子軸承202兩個(gè)部分組成，主要功能是輸出轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2，動(dòng)子軸承202設(shè)置于動(dòng)子圓環(huán)201的圓心處，可以通過一個(gè)或多個(gè)軸承支架203實(shí)現(xiàn)固定。所述動(dòng)子圓環(huán)201可以直接粘接在前結(jié)構(gòu)桿1的端面，也可以通過圓環(huán)支架204粘接在前結(jié)構(gòu)桿1上，并且所述的圓環(huán)支架204與動(dòng)子圓環(huán)201一體加工成型。同時(shí)，動(dòng)子軸承202套在預(yù)緊機(jī)構(gòu)3中的轉(zhuǎn)軸302之上，動(dòng)子2整體可以繞轉(zhuǎn)軸302轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)楸景l(fā)明的微型撲翼關(guān)節(jié)要求輸出的是轉(zhuǎn)動(dòng)，而壓電定子4輸出的是微幅振動(dòng)，因此需要通過將微幅振動(dòng)作用于動(dòng)子圓環(huán)201上來形成轉(zhuǎn)動(dòng)輸出。動(dòng)子2的動(dòng)子圓環(huán)201與前結(jié)構(gòu)桿1固定在一起，當(dāng)動(dòng)子2繞轉(zhuǎn)軸302轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，前結(jié)構(gòu)桿1也一同產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的主要功能。

如圖3所示，所述的預(yù)緊機(jī)構(gòu)3主要由預(yù)緊支架303、轉(zhuǎn)軸302和預(yù)緊螺釘304組成。所述預(yù)緊支架303上半部分靠近邊緣位置設(shè)置有轉(zhuǎn)軸302，與動(dòng)子2中的動(dòng)子軸承202相配合，為動(dòng)子2提供轉(zhuǎn)動(dòng)支撐。預(yù)緊支架303下半部分通過預(yù)緊螺釘304固定在固定支座405上。

所述的預(yù)緊支架303如圖3所示，包括兩個(gè)背對(duì)背的“L”型支架，所述的兩個(gè)背對(duì)背的“L”型支架的底部均加工有通孔，所述固定支座405的上表面鉆有螺紋孔406，所述預(yù)緊螺釘304穿過通孔，旋入螺紋孔406，將預(yù)緊支架303緊固在固定支座405上。為使預(yù)緊支架303和固定支座405之間的預(yù)緊力均勻作用在固定支座405上，在預(yù)緊支架303和固定支座405之間放置橡膠墊片305。橡膠墊片305在預(yù)緊螺釘304施加預(yù)緊力的作用下可以被壓縮，因此可以通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺釘304旋入固定底支座406上螺紋孔406的深度，進(jìn)而控制預(yù)緊支架303和固定支座405的間距，進(jìn)而調(diào)整動(dòng)子圓環(huán)201外表面和壓電定子4頂部(驅(qū)動(dòng)頭401)的距離，從而能給動(dòng)子2和壓電定子4之間施加合適的預(yù)緊力。在無激勵(lì)情況下，動(dòng)子圓環(huán)201外表面和壓電定子4的驅(qū)動(dòng)頭401之間有足夠的預(yù)緊力，動(dòng)子2和壓電定子4之間會(huì)有一定的靜摩擦力提供自鎖能力，通過控制預(yù)緊力大小可以進(jìn)而控制自鎖能力的大小。

如圖2所示，所述的壓電定子4包括驅(qū)動(dòng)頭401、兩組壓電疊堆403、電極402、定子基座404和固定支座405。其中兩組壓電疊堆403的構(gòu)造均相同，兩組壓電疊堆403的位移方向相互垂直。電極402的布置方向和壓電疊堆403的位移向量組成的平面垂直。壓電疊堆403的一端與定子基座404固定在一起，另一端與驅(qū)動(dòng)頭401固定在一起。兩組壓電疊堆403和定子基座404位于一個(gè)平面內(nèi)，該平面通過固定支座405的中心線，且相對(duì)于固定支座405的中心線呈軸對(duì)稱。所述的固定支座405為圓柱狀結(jié)構(gòu)，所述的固定支座405與所述的定子基座404一體加工成型。

當(dāng)電極402接入電壓時(shí)，壓電疊堆403產(chǎn)生垂直于驅(qū)動(dòng)頭401和壓電疊堆403的交界面方向的位移。采用壓電疊堆403而不是單一壓電片的目的是實(shí)現(xiàn)在低驅(qū)動(dòng)電壓作用下產(chǎn)生較大的位移。驅(qū)動(dòng)工作時(shí)，在兩個(gè)壓電疊堆403上分別施加同頻同幅的正弦信號(hào)，兩路正弦信號(hào)的相位差為90°，此時(shí)兩個(gè)壓電疊堆403產(chǎn)生的位移在驅(qū)動(dòng)頭401的頂部疊加，使得驅(qū)動(dòng)頭401頂部產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)動(dòng)子2轉(zhuǎn)動(dòng)。具體原理如下：驅(qū)動(dòng)未工作時(shí)，在預(yù)緊力作用下，動(dòng)子2和壓電定子4的驅(qū)動(dòng)頭401頂部處于接觸狀態(tài)。當(dāng)兩個(gè)垂直放置的壓電疊堆403在激勵(lì)信號(hào)作用下微幅振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)頭401頂部產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，形成橢圓形運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)驅(qū)動(dòng)頭401頂部處于橢圓軌跡上半部分時(shí)，驅(qū)動(dòng)頭401通過靜摩擦力推動(dòng)動(dòng)子2繞轉(zhuǎn)軸302旋轉(zhuǎn)；驅(qū)動(dòng)頭401位于橢圓軌跡下半部分時(shí)，驅(qū)動(dòng)頭401頂部和動(dòng)子2脫離，二者之間無作用力，由于驅(qū)動(dòng)頭401的橢圓運(yùn)動(dòng)的頻率極高，一般為90kHz左右，所以這段無作用力的時(shí)間極短，外力作用的沖量可以忽略不計(jì)，動(dòng)子2會(huì)保持既有的運(yùn)動(dòng)速度。這種作用模式經(jīng)過高頻循環(huán)往復(fù)，使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)壓電定子4中的兩個(gè)壓電疊堆403的驅(qū)動(dòng)電流相位差改變?yōu)?90°時(shí)，驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)向相反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

實(shí)施例：

本發(fā)明提供一種微型撲翼關(guān)節(jié)，下面將結(jié)合圖4對(duì)具體的實(shí)施方式做進(jìn)一步說明。如圖4所示，本發(fā)明提供的微型撲翼關(guān)節(jié)應(yīng)用于微型仿生撲翼飛行器上時(shí)，所述的微型撲翼關(guān)節(jié)連接每個(gè)撲翼的前翼6和后翼7，具體連接如下：

前翼6和前結(jié)構(gòu)桿1連接在一起，采用膠接還是螺紋連接或者其他緊固方式，由實(shí)際撲翼的尺寸決定。后翼7固定于后結(jié)構(gòu)桿5上，緊固方式和前翼的情況一致。在微型仿生撲翼飛行器中，一方面，前翼6的拍動(dòng)幅度會(huì)大于后翼7；另一方面，動(dòng)子2的主體是空心的動(dòng)子圓環(huán)201，相對(duì)于壓電定子4以及和其固定在一起的預(yù)緊機(jī)構(gòu)3來說，動(dòng)子2的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都較小，因此，將前翼6通過前結(jié)構(gòu)桿1與動(dòng)子2相連，后翼7通過后結(jié)構(gòu)桿5與壓電定子4相連，這樣的設(shè)計(jì)能達(dá)到減小能量消耗的目的。

所述的壓電定子4采用德國(guó)PI公司生產(chǎn)壓電疊堆作為壓電定子4的振動(dòng)來源。其中，壓電定子4整體的外形尺寸不超過一枚一分硬幣的大小，動(dòng)子圓環(huán)201的外徑為10mm。

采用了碳纖維棒作為前結(jié)構(gòu)桿1和后結(jié)構(gòu)桿5的材料之后，前結(jié)構(gòu)桿1和后結(jié)構(gòu)桿5的總重量在15g以內(nèi)，大大小于市面上存在的伺服驅(qū)動(dòng)。經(jīng)過仿真計(jì)算，在幅值5V，頻率90kHz的電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，所述微型撲翼關(guān)節(jié)的動(dòng)子空載旋轉(zhuǎn)速度最達(dá)可到300度每秒，最大轉(zhuǎn)矩為

2N*cm。所述微型撲翼關(guān)節(jié)的最小分度值可以達(dá)到0.003度，優(yōu)于機(jī)器人關(guān)節(jié)常用的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。