三自由度旋转惯性压电电机
阅读说明：本技术 三自由度旋转惯性压电电机 (Three-freedom-degree rotation inertia piezoelectric motor ) 是由 邢继春 邸龙昊 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种三自由度旋转惯性压电电机,其包括上定子、上预紧垫片、主体圆筒、下预紧垫片、下定子、球形转子以及预紧螺栓,上定子、上预紧垫片、主体圆筒、下预紧垫片以及下定子从上往下依次设置并借助于预紧螺栓进行连接,球形转子设置在主体圆筒内部；其中上定子和下定子结构上相同,上预紧垫片与下预紧垫片结构上相同,整体呈三明治式结构。通过旋转上下预紧螺栓来调整定子与球形转子之间的预紧力；压电陶瓷片正对的均匀的分布于定子的上下表面,一个定子共粘贴有16个压电陶瓷片；上下定子的8个驱动足分别与球形转子相切接触。本发明的压电电机结构紧凑,体积小,能实现三自由度旋转运动。(The invention provides a three-degree-of-freedom rotation inertia piezoelectric motor which comprises an upper stator, an upper pre-tightening gasket, a main body cylinder, a lower pre-tightening gasket, a lower stator, a spherical rotor and a pre-tightening bolt, wherein the upper stator, the upper pre-tightening gasket, the main body cylinder, the lower pre-tightening gasket and the lower stator are sequentially arranged from top to bottom and are connected by virtue of the pre-tightening bolt, and the spherical rotor is arranged inside the main body cylinder; the upper stator and the lower stator are structurally the same, the upper pre-tightening gasket and the lower pre-tightening gasket are structurally the same, and the whole stator is of a sandwich structure. The pre-tightening force between the stator and the spherical rotor is adjusted by rotating the upper pre-tightening bolt and the lower pre-tightening bolt; the piezoelectric ceramic plates are oppositely and uniformly distributed on the upper surface and the lower surface of the stator, and 16 piezoelectric ceramic plates are pasted on one stator; the 8 driving feet of the upper stator and the lower stator are respectively contacted with the spherical rotor in a tangent way. The piezoelectric motor has compact structure and small volume, and can realize three-degree-of-freedom rotary motion.)
技术领域
本发明涉及惯性式压电电机领域，具体涉及一种三自由度旋转惯性压电电机。
背景技术
随着机器人技术的不断发展，越来越需要多自由度的微型电机来驱动机器人关节，传统的电磁电机由于易受电磁干扰，结构复杂，在微型机器人的背景下，很难依靠单个电磁电机来实现多自由度的旋转运动，近年来为解决这些问题也提出了一系列的材料来制作驱动器，形状记忆合金，磁致伸缩材料，压电材料不断涌现。压电电机以其不受电磁干扰，响应速度快，体积小，质量轻，位移分辨率高的优点得到业界的广泛认可。特别是多自由度的压电电机以其结构简单等优点一直是研究的热点方向，多自由度旋转压电电机能很好地满足实际的需求。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种三自由度旋转惯性压电电机，其结构紧凑简单，整体尺寸小，负载能力强，整体为“三明治”结构形状，能够进一步减小体积。
具体地，本发明提供一种三自由度旋转惯性压电电机，所述电机包括上定子、上预紧垫片、主体圆筒、下预紧垫片、下定子、球形转子以及预紧螺栓，所述上定子、上预紧垫片、主体圆筒、下预紧垫片以及下定子从上往下依次设置并借助于预紧螺栓进行连接，所述球形转子设置在所述主体圆筒内部，
所述上定子和下定子均包括多个驱动足、金属基板、板簧以及压电陶瓷片，所述多个驱动足沿金属基板靠近转子的侧面圆周呈一定角度均匀对称分布并与金属基板一体成型，所述压电陶瓷片在所述金属基板的上侧和下侧成对设置，且成对的压电陶瓷片均匀的对称分布于金属基板的圆周上，每一对压电陶瓷片与相对应的激励电源连接；
所述金属基板包括板簧、内环和外环，所述板簧分别连接内环和外环；所述板簧均匀的分布于内环和外环之间；
所述上预紧垫片和下预紧垫片通过预紧螺栓的扭转使得定子与转子之间形成一定的预紧力；
所述主体圆筒上设置有螺纹孔和出线孔，所述预紧螺栓用于与主体圆筒的螺纹孔连接且与定子表面接触，并向上定子、转子以及下定子之间施加竖直的预压力；所述转子分别与上定子和下定子的驱动足相切接触，驱动足基于惯性粘滑原理驱动转子旋转；
上定子和下定子的金属基板上驱动足所在平面的压电陶瓷片的变形用于产生电机绕x,y轴的旋转，上定子和下定子的金属基板驱动足所在平面相对面的压电陶瓷片用于产生电机绕z轴的旋转；
当电机需要绕x,y轴旋转时，首先给驱动足所在平面的压电陶瓷片施加激励信号，当激励信号处在0-t1时刻时，压电陶瓷片缓慢收缩，带动金属基板向转子方向弯曲，从而带动驱动足向转子方向运动，通过摩擦带动转子旋转，当激励信号处于t1-t2时刻时，压电陶瓷片快速恢复，此时驱动足和转子具有加速度以及惯性力，惯性力与驱动足和转子之间的摩擦力之和大于压电陶瓷片的恢复力，转子在一个信号周期下会旋转一定的角度，之后通过施加连续的激励信号产生连续的旋转；
当电机需要绕z轴旋转时，首先给驱动足所在平面相对面的压电陶瓷片施加激励信号，0-t1时刻时压电陶瓷片缓慢变形带动驱动足缓慢周向偏移，通过摩擦带动转子沿z轴旋转，t1-t2时刻时，压电陶瓷片快速恢复，此时驱动足和转子具有周向加速度和相反的惯性力，此时驱动足和转子的摩擦力与惯性力之和大于压电陶瓷片的恢复力，转子在一个周期会绕z轴旋转一定的角度，通过施加连续的激励信号会产生连续的旋转。
优选地，所述上定子、上预紧垫片、下定子以及下预紧垫片均为圆环状结构，所述上定子与所述下定子的结构相同，所述上预紧垫片和下预紧垫片的结构相同。
优选的，所述上定子、上预紧垫片、下定子、下预紧垫片以及主体圆筒的的外径均相等，且所述上定子、上预紧垫片、下定子、下预紧垫和主体圆筒上在相对位置上均设置有同轴心的安装孔，预紧螺栓穿过安装孔将上定子、上预紧垫片、下定子、下预紧垫片以及主体圆筒连接到一起。
优选的，所述压电陶瓷片呈圆弧状，圆弧的角度为25-35度。
优选的，所述驱动足为半球式结构且均匀分布于内环的圆周上，并与球形转子相切接触。
优选的，所述压电陶瓷片为烧结而成的单体结构，所述压电陶瓷片均匀的粘贴于金属基板上。
优选的，所述上预紧垫片和下预紧垫片的圆周上均匀分布有4个连接孔。
优选的，所述主体圆筒包括8个螺纹孔以及两个出线孔，所述螺纹孔分别位于主体圆筒的上表面和下表面，每四个螺纹孔位于一个平面且均匀的分布于平面的圆周上。
优选的，所述主体圆筒上的两个出线孔相对且对称分布，出线孔圆心位于主体圆筒中间位置处，且与主体圆筒上的螺纹孔成30-45度夹角。
优选的，所述转子为空心圆球结构，所述上定子和下定子的压电陶瓷片分别设置有8对，所述上定子和下定子的驱动足分别设置有4个。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的三自由度惯性旋转压电电机相对于一般线圈旋转电机和压电旋转电机具有体积小，重量轻，结构简单紧凑，响应时间快，负载能力强，输出转速大，不受电磁干扰等优点。
(2)本发明仅通过一个电机就能实现三自由度的旋转，避免了由单个自由度旋转不断组合带来的结构复杂且体积大等缺点，更好的满足实际的需求。
(3)本发明采用三明治式结构，通过上下垫片来调节电机的预紧力，在保证可调预紧力的前提下最大程度上保证了电机结构的紧凑性，使得电机尺寸进一步缩小。
(4)本发明中球形转子由多个驱动足同时驱动，大大提升了电机的转速和负载能力。因此这种三自由度惯性旋转压电电机在机器人关节、微型运动系统、手机摄像头等领域中具有重要的应用价值。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的粘贴有陶瓷片定子结构示意图；
图3是本发明的预紧垫片的结构示意图；
图4是本发明的主体圆筒结构示意图；
图5是本发明整体结构的下视图；
图6是本发明整体结构剖视图；
图7a是本发明的一个定子上相对驱动足上压电陶瓷片电极示意图之一；
图7b是本发明的一个定子上相对驱动足上压电陶瓷片电极示意图之二；
图8是本发明的激励信号示意图；
图9a是实现球形转子绕下x轴旋转时压电陶瓷片弯曲状态示意图；
图9b是实现球形转子绕下y轴旋转时压电陶瓷片弯曲状态示意图；
图10是实现球形转子绕z轴旋转时压电陶瓷片弯曲状态示意图；
图11是实现转子绕x轴旋转时电机状态示意图；
图12是实现转子绕y轴旋转时电机状态示意图；
图13是实现转子绕z轴旋转时电机状态示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供一种三自由度旋转惯性压电电机，如图1所示，其包括上定子1、上预紧垫片2、主体圆筒3、下预紧垫片4、下定子5、上预紧螺栓6、下预紧螺栓7在下视图图5中标出和球形转子8在图6整体剖视图中标出。图3示出了上预紧垫片2的示意图，下预紧垫片4的结构与上预紧垫片2的结构一致。
图2至图4为电机的零件图，分别为定子、垫片和主体圆筒；具体的图2定子包括定子基板11、驱动足12和压电陶瓷片13。
具体地，本发明提供一种三自由度旋转惯性压电电机，电机包括上定子1、上预紧垫片2、主体圆筒3、下预紧垫片4、下定子5、球形转子8以及预紧螺栓，上定子1、上预紧垫片2、主体圆筒3、下预紧垫片4以及下定子5从上往下依次设置并借助于预紧螺栓进行连接，球形转子8设置在主体圆筒3内部。
上定子1和下定子5均包括多个驱动足12、金属基板、板簧以及压电陶瓷片13，多个驱动足12沿金属基板圆周呈一定角度均匀对称分布并与金属基板一体成型，压电陶瓷片13在金属基板的上侧和下侧成对设置，且成对的压电陶瓷片13均匀的对称分布于金属基板的圆周上并分别与相应的激励电源连接。
金属基板包括板簧、内环和外环，板簧分别连接内环和外环；板簧成90度均匀的分布于内环和外环之间。
上预紧垫片2和下预紧垫片4通过预紧螺栓的扭转使得定子与转子之间形成一定的预紧力。
主体圆筒3上设置有螺纹孔和出线孔，预紧螺栓用于与主体圆筒3的螺纹孔连接且与定子表面接触，并向上定子1、转子以及下定子5之间施加竖直的预压力；转子分别与上定子1和下定子5的驱动足相切接触，转子为空心圆球结构。
优选地，上定子1、上预紧垫片2、下定子5以及下预紧垫片4均为圆环状结构，上定子1与下定子5的结构相同，上预紧垫片2和下预紧垫片4的结构相同。
优选的，上定子1、上预紧垫片2、下定子5、下预紧垫片4以及主体圆筒3的的外径均相等，且上定子1、上预紧垫片2、下定子5、下预紧垫和主体圆筒3上在相对位置上均设置有同轴心的安装孔，预紧螺栓31穿过安装孔将上定子1、上预紧垫片2、下定子5、下预紧垫片4以及主体圆筒3连接到一起。
本发明的具体操作步骤如下：
如图1所示，本发明的三自由度旋转惯性压电电机，上定子1、上预紧垫片2、主体圆筒3、下预紧垫片4、下定子5之间通过上预紧螺栓6、下预紧螺栓7连接固定；其中定子和垫片上的连接孔为通孔，主体圆筒3上的孔为螺纹孔，通过旋转上预紧螺栓6和下预紧螺栓7来调整定子与球形转子之间的预紧力；压电陶瓷片13正对的均匀的分布于定子的上下表面，一个定子共粘贴有16个压电陶瓷片13；上定子1和下定子5的8个驱动足12分别与球形转子8相切接触，通过压电陶瓷片13的变形带动驱动足的运动从而通过驱动足的运动来带动球形转子8的转动。
定子上相对两个驱动足12周围两对压电陶瓷片13的极化方向如图7所示，电机所采用的激励信号如图8所示，基于惯性粘滑原理驱动转子旋转；定子金属基板靠近转子的表面，即驱动足12所在的金属基板的平面粘贴的压电陶瓷片13的变形用于产生电机绕x,y轴的旋转，金属基板远离转子的表面，即驱动足所在的金属基板的平面的相对面的压电陶瓷片用于产生电机绕z轴的旋转。
当需要电机绕x,y轴旋转时，首先给靠近转子的表面粘贴的压电陶瓷片施加如图8的激励信号，当信号处在0-t1时刻时，压电陶瓷片13缓慢收缩，带动定子金属基板向转子弯曲，从而驱动足12向上运动，通过摩擦带动球形转子8旋转，当信号处于t1-t2时刻时，压电陶瓷片13快速恢复，此时驱动足12和球形转子8有向下的加速度，驱动足12和球形转子8有向上的惯性力，此时惯性力与驱动足和球形转子之间的摩擦力之和大于压电陶瓷片的恢复力，故球形转子8在一个信号周期下会旋转一定的角度，通过施加连续的信号产生连续的旋转；当电机绕x,y轴运动时压电陶瓷片13的弯曲状态图如图9所示,压电陶瓷片13的变形带动驱动足12上下运动，从而产生对球形转子8的旋转力矩来驱动转子旋转，一个定子面上相对的驱动足控制转子一个方向的旋转，另一个定子相应的驱动足产生相反的振动变形来协同驱动转子绕特定轴的旋转，通过驱动足与球形转子之间的摩擦力来带动球形转子旋转，电机绕x,y轴旋转时电机的状态示意图分别如图11、12所示。
同理，当需要电机绕z轴旋转时，给远离转子的表面粘贴的压电陶瓷片施加如图8所示的激励信号时，0-t1时刻时压电陶瓷片缓慢变形带动驱动足缓慢周向偏移，通过摩擦带动球形转子沿z轴旋转，t1-t2时刻时，压电陶瓷片快速恢复，此时驱动足和转子具有周向加速度和相反的惯性力，此时驱动足和转子的摩擦力与惯性力之和大于压电陶瓷片的恢复力，故球形转子在一个周期会绕z轴旋转一定的角度，通过施加连续的激励信号会产生连续地旋转的运动；定子金属基板下表面粘贴的压电陶瓷片的变形用于产生绕z轴的旋转，当电机绕z轴运动时压电陶瓷片的弯曲状态如图10所示，压电陶瓷片的变形带动驱动足沿圆周方向偏移，从而产生对球形转子沿z轴的旋转力来驱动转子，一个定子下表面的8片压电陶瓷片同时振动带动4个驱动足周向偏移驱动球形转子旋转，另一个定子相应的4个驱动足产生相反的偏移来协同转子沿z轴旋转，通过驱动足与球形转子之间的摩擦力来带动转子绕z轴旋转，电机绕z轴旋转时电机的状态示意图分别如图13所示。
最后应说明的是：以上的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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