基于压电振动驱动的快速旋转软体驱动器

发布时间：2021-06-22 10:11

　　软体驱动器由于具有可实现大变形、柔性接触、人体友好等特性,在机器人、生物医学器件、驱动器件等领域具有重要的应用价值.然而,目前的软体驱动器大多基于弯曲、伸缩、扭转等变形形式,无法实现连续旋转运动.本文从无肢动物获得灵感,提出一种基于压电振动驱动的新型可旋转软体驱动器,通过圆形压电双晶片为硅胶软体结构提供激励力,诱导软体结构底部倾斜触角阵列与地面摩擦产生圆周方向的转矩,驱动该软体结构实现快速旋转运动.结合理论和有限元模拟分析旋转软体驱动器在激励作用下的受力及运动机理,并通过实验研究频率和电压对其旋转性能的影响.结果显示,在压电双晶片产生的激励力作用下,该驱动器可实现连续旋转运动,最高旋转速度可达到118.3 r/min,高于目前报道的软体驱动器的旋转速度,有望应用于驱动机械手和移动机器人等. 

【文章来源】：科学通报. 2020,65(32)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

(网络版彩色)旋转软体驱动器的运动特性.(a)激励力和接触力随时间的变化曲线;(b)速度和摩擦力矩随时间的变化曲线;(c)一个振动周期内旋转软体驱动器接触应力云图和刚毛变形示意图

为了探究电压和频率对驱动器旋转性能的影响,根据模拟结果,用刚毛参数为θ=60°、l=7 mm、d=1.6 mm的旋转软体驱动器进行实验,测量其在不同频率和电压下的转速,如图7所示.可以看到,当施加频率超过700 Hz后,该旋转软体驱动器的旋转速度存在明显的规律,即其呈现先增大后减小的趋势.造成这种现象的可能原因是,当外加电压接近驱动器的共振频率时,旋转软体驱动器有较大的转速.当电压VP-P为400 V、频率为1400 Hz时,该驱动器最大转速可达到118.3 r/min,与激励力角频率103rad/s、幅值0.36 N下有限元模拟得到的驱动器转速113.5 r/min相近,验证了数值分析结果.相对于现有的扭转驱动器[1 5,1 6]、旋转软体驱动器[1 7]以及刚性旋转驱动器[27,28],本文基于压电振动驱动的旋转软体驱动器具有较高转速.图7 (网络版彩色)旋转软体驱动器转速随频率和电压的变化曲线

图5 (网络版彩色)旋转软体驱动器的接触应力云图及角频率和力幅值对转速的影响.(a)旋转软体驱动器的接触应力分布;(b) 0.1 N激励力作用下转速随角频率变化曲线;(c) 103rad/s激励力作用下转速随载荷的变化曲线4 结论

【参考文献】：
期刊论文
[1]软体机器人:结构、驱动、传感与控制[J]. 王田苗,郝雨飞,杨兴帮,文力.  机械工程学报. 2017(13)
[2]基于纤维增强型驱动器的气动软体抓手设计[J]. 魏树军,王天宇,谷国迎.  机械工程学报. 2017(13)
[3]离子液凝胶软体机器人操作手[J]. 王志鹏,何斌,刘新华,王启刚.  科学通报. 2016(23)
[4]软体机器人结构机理与驱动材料研究综述[J]. 李铁风,李国瑞,梁艺鸣,程听雨,杨栩旭,黄志龙.  力学学报. 2016(04)
[5]新型压电步进旋转驱动器[J]. 赵宏伟,吴博达,刘国嵩,程光明,杨志刚,王涛.  吉林大学学报(工学版). 2006(06)
[6]新型压电精密步进旋转驱动器[J]. 刘建芳,杨志刚,赵宏伟,程光明.  吉林大学学报(工学版). 2006(05)

博士论文
[1]流体驱动的模块化软体机器人的关键技术研究[D]. 林杨乔.浙江大学 2019



本文编号：3242651