一种工作在共振状态的无电缆系留超声机器人及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种工作在共振状态的无电缆系留超声机器人及控制方法，包括：超声机器人基体；电源模块，设置在超声机器人基体内；至少两个驱动单元，每一个驱动单元包括驱动振子和驱动电路，驱动振子上分别设有纵振压电片、第一弯振压电片和第二弯振压电片；驱动电路用于将供电电源的输出转换为设定大小和频率的交流电压信号，交流电压信号能够激励纵振压电片和/或第一弯振压电片和第二弯振压电片，使得超声机器人工作在共振状态。本发明专利技术通过控制驱动振子的振动模态，使得超声机器人在无线缆系留下工作在共振状态，解决了驱动电源线缆系留导致超声驱动机器人行程不足、运动形式受限的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种工作在共振状态的无电缆系留超声机器人及控制方法


[0001]本专利技术涉及超声机器人
，尤其涉及一种工作在共振状态的无电缆系留超声机器人及控制方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]超声/压电驱动机器人(超声/压电移动机器人或致动器)一般由超声驱动单元(换能器)和基体(或致动器)组成，超声驱动单元在工作电压激励下产生伸缩、弯曲、扭转等动作，并通过基体将运动传递给物体或形成自身移动、转动等特定形式运动。由于体积小、质量轻、结构简单、灵活性强、无电磁干扰等优点，超声驱动机器人在野外侦察、狭小空间的搜救或核电站、磁共振成像室等复杂/特殊环境下物体的移动/搬运工作中具有巨大优势。
[0004]超声/压电驱动机器人可以工作在共振状态和非共振状态；其中，非共振状态下，激励信号频率不等于驱动振子固有频率，且往往为低频信号。超声/压电驱动机器人工作在非共振状态时，系统工作频率远低于共振频率。根据振动导纳特性，低频/非共振状态下，系统导纳(输出振幅)小，适用于控制精度较高的场合。但是，非共振状态时，在低频、低振幅的共同作用下，振动体速度受限(<500Hz)，从而导致机器人移动速度慢，不足以满足搬运、搜寻等工作需求。
[0005]共振状态下，高压交流信号频率与驱动振子固有频率相同或相近；超声/压电驱动机器人工作在共振条件下时，系统运动速度高，负载能力强。但是，工作在共振状态下的超声/压电机器人虽然输出速度高，但在实现共振状态时，需要专门的设备(超声电源，或者信号发生器和功率放大器)来输出满足共振状态的高频高压交流信号；这些设备往往体积大、重量重，无法直接搭载、集成到机器人中，且这些设备需要通过线缆连接交流电，同时设备与超声机器人之间也需要通过线缆连接，这些线缆极大地限制了超声机器人的移动范围和运动形式。另外，现有的工作在共振状态下的超声/压电机器人在满足平面内直线运动和转动的二自由度运动时，往往结构设计较为复杂，系统故障率较高。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种工作在共振状态的无电缆系留超声机器人及激励方法，通过对内部电源进行转化控制，实现了共振状态下的无电缆系留；设计了具有纵振/弯振复合模态的驱动单元，同时通过配置纵振/弯振模态阶数与振动分布，实现了驱动单元结构优化与强机电耦合，增强驱动力的同时，降低驱动足与地面摩擦损失，实现了超声机器人低能耗与高承载。
[0007]在一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0008]一种工作在共振状态的无电缆系留超声机器人，包括：
[0009]超声机器人基体；
[0010]电源模块，设置在超声机器人基体内，用于输出设定的供电电源；
[0011]至少两个驱动单元，对称设置在超声机器人基体的底部；
[0012]每一个驱动单元包括驱动振子和驱动电路，驱动振子上分别设有纵振压电片、第一弯振压电片和第二弯振压电片；所述驱动振子底部设有与地面接触的驱动足；驱动电路用于将供电电源的输出转换为设定大小和频率的交流电压信号，所述交流电压信号能够激励纵振压电片和/或第一弯振压电片和第二弯振压电片，从而控制驱动振子的振动模态，使得超声机器人工作在共振状态。
[0013]作为进一步地方案，所述驱动振子上设有中心辊子，所述中心棍子设置在驱动振子上纵振模态和弯振模态的节点重合的位置；所述中心辊子与驱动单元的外壳连接。
[0014]作为进一步地方案，所述纵振压电片和/或第一弯振压电片和第二弯振压电片在所述交流信号的激励下，能够激发驱动振子产生纵向振动和/或弯振；
[0015]驱动振子能够在纵振模态和/或弯振模态的作用下运动且驱动足运动轨迹为椭圆形。
[0016]作为进一步地方案，所述驱动单元为两个时，若第一驱动单元与第二驱动单元所施加的电压相同，则两者驱动足速度相同，从而驱动超声驱动机器人做直线运动；若第一驱动单元与第二驱动单元所施加的电压存在电压差，则两者驱动足差速运动，从而驱动超声驱动机器人做转向运动；若第一驱动单元与第二驱动单元所施加的电压反向，则驱动超声驱动机器人绕轴心自转。
[0017]在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0018]一种工作在共振状态的无电缆系留超声机器人的控制方法，包括：
[0019]将机器人内部的供电电源输出转换为设定大小和频率的交流电压信号，所述交流电压信号分别作为激励电压施加在驱动单元的纵振压电片和/或第一弯振压电片和第二弯振压电片上，从而控制驱动振子的振动模态，使得超声机器人工作在共振状态。
[0020]当驱动单元为两个时：
[0021]若第一驱动单元与第二驱动单元所施加的电压相同，则两者驱动足速度相同，从而驱动超声驱动机器人做直线运动；
[0022]若第一驱动单元与第二驱动单元所施加的电压存在电压差，则两者驱动足差速运动，从而驱动超声驱动机器人做转向运动；
[0023]若第一驱动单元与第二驱动单元所施加的电压反向，则驱动超声驱动机器人绕轴心自转。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0025](1)本专利技术将电池(低压、直流)输出转换为与振动体驱动振子共振频率相近的高压、高频交流信号，通过控制驱动振子的振动模态，使得超声机器人工作在共振状态，并且没有线缆系留，解决了驱动电源线缆系留导致超声驱动机器人有效行程不足，运动形式受限的问题。
[0026](2)本专利技术中心棍子设置在了两种模态节点重合的位置，通过纵振/弯振模态阶数与振动分布配置，实现了驱动单元结构优化与强机电耦合，增强驱动力的同时，降低驱动足与地面摩擦损失，实现了超声机器人低能耗与高承载。
[0027](3)本专利技术通过驱动单元模块化配置与差速调控，实现了超声机器人平面内二自
由度的移动、转向和自转等灵活运动。所设计超声驱动机器人体积小、质量轻、结构紧凑、响应快、灵活性高，可模块化配置，极易在野外侦察、狭小空间的搜救或核电站、磁共振成像室等复杂/特殊环境下物体的移动/搬运等工作中应用。
[0028]本专利技术的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
[0029]图1为本专利技术实施例中的超声机器人整体结构示意图；
[0030]图2为本专利技术实施例中的超声机器人整体结构爆炸图；
[0031]图3为本专利技术实施例中的第一驱动单元结构示意图；
[0032]图4为本专利技术实施例中的纵振和弯振模态示意图；
[0033]图5为本专利技术实施例中的驱动电路结构示意图；
[0034]其中，1.超声驱动机器人基体，2.第一驱动单元，3.第二驱动单元；
[0035]10.基体上盖，11.控制电路，12.电池，13.基体外壳，14.基体外壳卡口；
[0036]20.驱动电路，21.第一驱动单元外壳，22本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工作在共振状态的无电缆系留超声机器人，其特征在于，包括：超声机器人基体；电源模块，设置在超声机器人基体内，用于输出设定的供电电源；至少两个驱动单元，对称设置在超声机器人基体的底部；每一个驱动单元包括驱动振子和驱动电路，驱动振子上分别设有纵振压电片、第一弯振压电片和第二弯振压电片；所述驱动振子底部设有与地面接触的驱动足；驱动电路用于将供电电源的输出转换为设定大小和频率的交流电压信号，所述交流电压信号能够激励纵振压电片和/或第一弯振压电片和第二弯振压电片，从而控制驱动振子的振动模态，使得超声机器人工作在共振状态。2.如权利要求1所述的一种工作在共振状态的无电缆系留超声机器人，其特征在于，所述驱动振子上设有中心辊子，所述中心棍子设置在驱动振子上纵振模态和弯振模态的节点重合的位置；所述中心辊子与驱动单元的外壳连接。3.如权利要求1所述的一种工作在共振状态的无电缆系留超声机器人，其特征在于，所述纵振压电片和/或第一弯振压电片和第二弯振压电片在所述交流信号的激励下，能够激发驱动振子产生纵向振动和/或弯振；驱动振子能够在纵振模态和/或弯振模态的作用下运动且驱动足运动轨迹为椭圆形。4.如权利要求1所述的一种工作在共振状态的无电缆系留超声机器人，其特征在于，所述驱动单元为两个时，若第一驱动单元与第二驱动单元所施加的电压相同，则两者驱动足速度相同，从而驱动超声驱动机器人做直线运动。5.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴疆，王立鹏，丁兆春，张燃煦，马龙，荣学文，宋锐，李贻斌，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：