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

1.本发明涉及超声机器人技术领域，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。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明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。
7.在一些实施方式中，采用如下技术方案：
8.一种工作在共振状态的无电缆系留超声机器人，包括：
9.超声机器人基体；
10.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；
11.至少两个驱动单元，对称设置在超声机器人基体的底部；
12.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。
13.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。
14.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；
15.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。
16.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。
17.在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
18.一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：
19.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。
20.当驱动单元为两个时：
21.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；
22.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；
23.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。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.(1)本发明将电池(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。
26.(2)本发明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。
27.(3)本发明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。
28.本发明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
29.图1为本发明实施例中的超声机器人整体结构示意图；
30.图2为本发明实施例中的超声机器人整体结构爆炸图；
31.图3为本发明实施例中的第一驱动单元结构示意图；
32.图4为本发明实施例中的纵振和弯振模态示意图；
33.图5为本发明实施例中的驱动电路结构示意图；
34.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；
35.10.基体上盖，11.控制电路，12.电池，13.基体外壳，14.基体外壳卡口；
36.20.驱动电路，21.第一驱动单元外壳，22.第一驱动单元外壳卡口，23.第一驱动振子；230.驱动足，231.中心辊子，232.第一弯振压电片，233.第二弯振压电片，234.纵振压电片。
具体实施方式
37.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
38.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
39.实施例一
40.在一个或多个实施方式中，公开了一种工作在共振状态的无电缆系留超声机器人，结合图1和图2，具体包括：
41.超声机器人基体；
42.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；
43.至少两个驱动单元，对称设置在超声机器人基体的底部；
44.每一个驱动单元包括驱动振子和驱动电路20，驱动振子包括：纵振压电片234，对称设置在纵振压电片234两侧的第一弯振压电片232和第二弯振压电片233；本实施例中，压电片一般布置在振动节点的位置，当驱动振子结构确定后，节点位置同时确定，压电片粘贴位置也就确定了。
45.驱动振子底部设有与地面接触的驱动足230；驱动电路20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，该交流电压信号能够激励纵振压电片234和/或第一弯振压电片232和第二弯振压电片233，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。
46.用于激发激励纵振压电片234和两个弯振压电片的交流信号频率相同，相位相差90度；两个交流信号的电压大小可以不同，电压不同的影响是驱动足230端振幅，表现为最终得到的运动轨迹(椭圆轨迹形状)。
47.当然，交流信号可以同时施加与纵振压电片234和两个弯振压电片，此时驱动振子在纵振模态和弯振模态的混合模态下运动，且驱动足230运动轨迹为椭圆形。
48.交流信号也可以单独施加与纵振压电片234或两个弯振压电片；当单独对纵振压电片234施加电压时，驱动振子为纵振模态；当仅对第一弯振压电片232和第二弯振压电片233施加电压时，驱动振子为弯振模态；通过调节对纵振压电片234与弯振压电片作用时间，即可得到驱动足230合称的运动轨迹。
49.具体地，结合图2和图3，本实施例中，电源模块采用电池12；超声驱动机器人基体1包括基体上盖10、基体外壳13和基体外壳卡口14。基体上盖10和基体外壳13构成了超声驱动机器人基体1的壳体，电池12和控制电路11设置在该壳体内；基体外壳卡口14与驱动单元卡口配合，用于安装固定驱动单元。
50.本实施例中，控制电路11包括微控单元(mcu)，用于控制驱动单元速度差，实现差速运动控制；同时也可以控制驱动单元内的纵振压电片234和第一弯振压电片232及第二弯振压电片233的激发顺序。
51.驱动单元的个数通常为两个或偶数个，两两对称设置。本实施例以两个驱动单元(即第一驱动单元2和第二驱动单元3)对称设置为例进行说明。
52.第一驱动单元2和第二驱动单元3的结构相同，下面结合图3对第一驱动单元2的结构进行说明。
53.第一驱动单元2包括：第一驱动单元外壳，第一驱动单元外壳上设有第一驱动单元外壳卡口22；第一驱动单元外壳卡口22与基体外壳卡口14配合，安装固定驱动单元；驱动电路20设置在第一驱动单元外壳内，并与基体外壳13内的电源连接。
54.第一驱动单元外壳底部设有第一驱动振子23，第一驱动振子23包括：驱动振子本体、驱动足230、中心辊子231、第一弯振压电片232、第二弯振压电片233和纵振压电片234；其中，驱动足230设置在驱动振子本体的底部并与地面接触，第一弯振压电片232、第二弯振压电片233和纵振压电片234分别设置在驱动振子本体的表面，第一弯振压电片232和第二弯振压电片233对称设置在纵振压电片234的两侧。
55.驱动电路20输出的交流电压信号作为第一弯振压电片232、第二弯振压电片233和纵振压电片234的激励源信号；第一弯振压电片232和第二弯振压电片233接收到激励源信号后能够激发第一驱动振子23产生弯振；纵振压电片234接收到激励源信号后能够激发第一驱动振子23产生纵振。第一驱动振子23在纵振模态和弯振模态的混合模态下运动，且驱动足230的运动轨迹为椭圆形；同时，由于驱动电路20输出的交流电压信号是与驱动振子固有频率相同或相近的高压交流频率信号，因此，超声机器人工作在共振状态。
56.本实施例中，驱动电路20能够将电池12的输出转换为设定大小和频率的交流电压信号(即与驱动振子固有频率相同或相近的高压交流频率信号)。结合图5，控制电路11硬件系统主要包括电池12、无线模块和微控单元(mcu)；驱动电路20主要由多级放大电路组成。系统从无线模块接收输入信号(控制信号)后，在电池12供电条件下，由控制电路11中微控
单元(mcu)解析控制信号指令，计算弯振激励信号与纵振激励信号驱动电压和时间间隔并发送至驱动电路20。驱动电路20接收控制信号，并将信号分别发送至第一驱动单元2与第二驱动单元3，由驱动单元分别生成对应控制信号并驱动振动体运动，最终实现机器人运动控制。
57.其中，驱动单元接收控制信号后，通过包含三级放大的多级谐振电路，将电源直流信号转换为高压交流信号，最终与振动体机械共振，实现对驱动振子的驱动效果。
58.本实施例电源模块集成到超声机器人基体内部，同时在内部驱动电路20的作用下输出与驱动振子固有频率相同或相近的高压交流频率信号，实现了超声机器人工作在共振状态时无外部无线缆系留；若不考虑电池12容量，超声机器人有效运动范围为面内任意位置而不受线缆限制。
59.本实施例中，纵振压电片234和纵振压电片234均属于两类片状压电陶瓷(pzt)。纵振压电片234为横向位移类型(d31模式)，高度薄、面积较大；纵振压电片234为垂直位移类型(d33模式)，高度厚，面积较小。
60.图4给出了第一驱动振子23的纵振模态和弯振模态示意图；图中标识出了振动节点的位置；振动节点也叫机械振动振型节点，是指结构在某阶固有频率下，振型与原来形状的交汇节点，振动节点处的振幅为零。第一驱动振子23的振动模态被设计为包含一阶纵振模态与四阶弯振模态，两种振动模态在振动足中间的同一位置出现振动节点。
61.中心辊子231作为第一驱动振子23和第一驱动单元外壳的连接件，中心辊子231设置在驱动振子上纵振模态和弯振模态的振动节点重合的位置；一方面，共同节点有利于振动体安装，具有强机电耦合的结构特性；另一方面，通过配置纵振模态和弯振模态的阶数(即振动节点的数量)与振动分布(本实施例中弯振模态下的振动节点相对于与纵振模态重合的振动节点对称分布)，通过调整纵振压电片234和纵振压电片234激发顺序，实现驱动足230最优轨迹，驱动单元中两个驱动足230在时域内与地面连续接触，从而增大了超声机器人与地面间的摩擦力，减小了超声机器人与地面间的滑动，降低驱动足230与地面摩擦损失，实现了超声机器人低能耗与高承载。
62.本实施例通过纵振模态和弯振模态的共同作用，能够实现基于简单的结构实现超声机器人的二自由度运动，二自由度运动包括面内移动和面内转动，其中，面内移动可实现往复运动，面内转动包括左转(左侧驱动足230速度大于右侧)、右转(右侧驱动足230速度大于左侧)和绕中心转动(左右两侧驱动足230速度大小相等，方向相反)。
63.具体地，当第一驱动单元2和第二驱动单元3分别在纵振/弯振混合模态下被激发运动时，通过控制电路11调节第一驱动单元2与第二驱动单元3中的电压，可实现第一驱动单元2和第二驱动单元3驱动足230的差速运动。
64.当第一驱动单元2和第二驱动单元3的电压相同时，两者驱动足230速度相同，超声驱动机器人做直线运动；当第一驱动单元2和第二驱动单元3之间的电压存在电压差时，两者驱动足230差速运动，可实现超声驱动机器人转向运动；当施加在第一驱动单元2和第二驱动单元3上的激励电压大小相同、方向相反时，可实现超声驱动机器人绕轴心自转。
65.实施例二
66.在一个或多个实施方式中，公开了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：
67.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234和/或第一弯振压电片232和第二弯振压电片233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。
68.当驱动单元为两个时：
69.若第一驱动单元2与第二驱动单元3所施加的电压相同，则两者驱动足230速度相同，从而驱动超声驱动机器人做直线运动；
70.若第一驱动单元2与第二驱动单元3所施加的电压存在电压差，则两者驱动足230差速运动，从而驱动超声驱动机器人做转向运动；
71.若第一驱动单元2与第二驱动单元3所施加的电压反向，则驱动超声驱动机器人绕轴心自转。
72.上述过程的具体实现方式已经在实施例一中进行了说明，此处不再详述。
73.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
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。6.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反向，则驱动超声驱动机器人绕轴心自转。7.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，所述超声机器人基体包括基体壳体，基体壳体内分别设有电源模块和控制电路。8.一种工作在共振状态的无电缆系留超声机器人的控制方法，其特征在于，包括：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。9.如权利要求8所述的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，其特征在于，当驱动单元为两个时：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。

技术总结
本发明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
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.02.13
技术公布日：2023/7/21