术语“致动球和插座”(ABS)表征了一种拟议的球形窝关节,该组接头包括超声波电动机和其他压电致动器以产生多维致动。在一些应用中,ABS接头可以提出传统的关节和致动器组件,该组件包括通过电磁电动机通过齿轮致动的被动旋转接头。与这种组件相比,ABS接头提供紧凑性,相对机械简洁性,更高的扭矩 - 重量比,无间隙,电源的自动制动以及较低的成本。ABS关节预计将用作机器人关节和普通低功耗定向执行器,可以包括用于瞄准科学仪器的机器人手,工具和机制的不同应用程序。

图1.超声振动刺将插入地面,以类似于Manaual搜索矿山的方式。机器人车辆也可以配备有用于挖掘和移除矿山的臂。

图1示出了类似于那些将包含在ABS接头中的超声波电动机。该电动机包括弹簧加载的垫圈转子与垫圈的定子接触。定子包括带有压电织式致动器元件的环,其粘合到基座定子子结构上,在与转子接触的定子面上。压电陶瓷元件以圆周间隔定位,并且以交替极性电连接。当通过具有适当相位差的波形电激发时,压电陶瓷元件以这样的方式变形,以引起围绕定子周向周向行进的波。该波可以通过定子的谐振来放大,并且可以具有几微米的幅度。当该波浪围绕定子时,它导致定子边缘的自由表面上的点以在小椭圆形轨道中行进。在波的波峰处,定子推动转子,使得通过摩擦,一些椭圆运动被转换成转子的旋转运动。

图2描绘了ABS关节。球形转子适合含有轴承的壳体。壳体还包含三个驱动单元(A,B和C) - 每个用于旋转三个轴中的一个。这些轴跨越三维空间,在转子的中心相交。(轴不一定垂直。)电源和控制电缆将连接到每个驱动单元。

图2.在行进波的影响下,定子表面上的点的小椭圆形轨道运动导致(通过摩擦)转子以与波的传播相反的圆周方向移动

在每个驱动单元内,推进器块将支撑超声波电动机定子。该定子可能比图1的定子更复杂:在其他方面,其转子接触表面可能是球形的,其半径匹配转子的半径。尽管增加了复杂性,但操作的基本原理与上述超声波电动机的基本原理相同。通过合适的定子电激励,可以使转子围绕驱动单元的对称轴线旋转。弹簧垫圈将推动推进器块,从而推动定子,径向抵靠转子。与该径向预载相关的转子/定子摩擦将在不存在施加功率的情况下建立保持(制动)扭矩。

压电陶瓷环表示推进器,将位于推进器块和壳体中的架子之间。当没有通电时,推进器不会发挥任何影响。当电通电时,推进器将径向向外推动推进器块(抵靠弹簧垫圈),从而将定子拉出与转子接触。因此,激励推进器将防止驱动单元驾驶或制动转子。

为了避免在其他驱动单元的保持扭矩上工作,可以仅使用一个驱动单元来产生旋转。例如,为了获得围绕轴A的旋转,是必要的(1)激发驱动单元A的定子以适当相控的波形,而(2)激励驱动单元B和C的推进器,以防止这些单元自动制动围绕轴A的旋转。为了将转子从初始取向移动到所需的最终方向,必须产生由围绕A,B和C轴的小旋转序列组成的轨迹。有必要开发一种电子数据处理和控制系统来计算和实现三个推进器和三个超声波电动机定子的协调,顺序致动以产生轨迹。据估计,在典型的应用中,旋转的增量将以千赫兹的顺序的频率为特征。

这项工作是由CALTECH的ISSA NESNA完成的美国宇航局的喷气推进实验室。有关详细信息,请访问技术支持包(TSP)免费在线www.nasatech.com/tsp.在机械/自动化类别下。

NPO-20984


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致动球和插座关节

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美国宇航局科技简报杂志

本文首先出现在2001年10月期问题美国宇航局技术简报杂志。

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