CN102916607B - 基于直线超声电机的三自由度运动平台及其激励方式 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于直线超声电机的三自由度运动平台及其激励方式，该平台包括上部平板以及为上部平板下方的下部运动台，所述下部运动台包括弹性支架，该弹性支架包括中部固定台以及均布在中部固定台四周的四个弹性足，每一个弹性足均与一个直线超声电机连接；所述中部固定台与上部平板连接成一体，所述弹性足包括弹性连接臂和弹性连接块，弹性连接臂的一端与中部固定台连接，另一端则通过弹性连接块与直线超声电机连接，所述弹性连接块为弹性弧形状构件，该弹性弧形状构件的两端与直线超声电机固定。本发明便于超声电机的夹持和上部平板的固定，致使本发明具有体积小巧、运行稳定的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种三自由度运动平台，其基于直线超声电机建立；属超声电机领域。
本发明还涉及一种上述基于直线超声电机的三自由度运动平台的激励方式。
背景技术
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，依靠摩擦力驱动的新型作动器。直线型超声电机属于超声电机的一种。与传统电磁电机相比，超声电机具有大转矩质量比、快速响应、精密定位和无电磁干扰等优点，在生物医疗、精密驱动、光学器件以及航空航天等领域具有广泛的应用前景。
目前基于超声电机设计的微位移运动平台，由于导向装置和执行电机尺寸的限制，往往体型庞大，质量较大，控制系统复杂。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于直线超声电机的三自由度运动平台，该运动平台采用弹性支架作为上部平板和直线超声电机之间的连接构件，便于本发明超声电机的夹持和上部平板的固定，致使本发明具有体积小巧、运行稳定的特点；另外，本发明次要技术目的是采用微小型减摩驱动式超声电机作为驱动源，进一步巩固本发明体积小巧、控制方便、运行稳定的特点，使得本发明在微型机构中具有很好的应用前景。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种基于直线超声电机的三自由度运动平台，包括上部平板以及为上部平板下方的下部运动台，所述下部运动台包括弹性支架，该弹性支架包括中部固定台以及均布在中部固定台四周的四个弹性足，每一个弹性足均与一个直线超声电机连接；所述中部固定台与上部平板连接成一体，所述弹性足包括弹性连接臂和弹性连接块，弹性连接臂的一端与中部固定台连接，另一端则通过弹性连接块与直线超声电机连接，所述弹性连接块为弹性弧形状构件，该弹性弧形状构件的两端与直线超声电机固定。
所述弹性连接臂为弧形薄板结构，且弹性连接臂背向上部平板呈弹性弧形弯曲状。
所述中部固定台呈矩形，所述弹性连接臂包括第一连接臂分体以及第二连接臂分体，第一连接臂分体为矩形状中部固定台的其中一个对角向外延伸而形成，且第一连接臂分体的延伸端部设置端耳，第二连接臂分体为薄板弹片构件，且第二连接臂分体的一端与端耳连接，另一端则与弹性连接块连接，所述第二连接臂分体与弹性连接块的连接端位于中部固定台下侧，同时第二连接臂分体与弹性连接块的连接端相应于上部平板呈上下移动。
所述直线超声电机为微小型减摩驱动式超声电机，包括金属基板以及压电陶瓷片；所述压电陶瓷片具有三个极化方向相同的极化分区，其中：所述的三个极化分区中，位于中部的为弯振极化分区，而位于两侧的则为纵振极化分区；所述金属基板包括基板本体，该基板本体的一侧与压电陶瓷片复合成一体，另一侧的两端则分别设置第一驱动足、第二驱动足，第一驱动足、第二驱动足分别与压电陶瓷片两侧的纵振极化分区相对设置；所述弯振极化分区、纵振极化分区分别与相应的激励电源连接，以分别对应地促使弯振极化分区的相对端产生一阶弯曲振动模态、纵振极化分区的相对端产生局部微幅振动模态，所述金属基板以一阶弯曲振动模态作为摩擦驱动力、以局部微幅振动模态作为摩擦驱动力的超声振动减摩模态；所述弹性足与微小型减摩驱动式超声电机的连接部位为一阶弯曲振动模态的节线位置。
所述压电陶瓷片弯振极化分区的激励电源为连续式方波信号、压电陶瓷片两侧纵振极化分区的激励电源为两路时间相位差为180°的间隔式正弦信号；压电陶瓷片的弯振极化分区在连续式方波信号的激发下，促使弯振极化分区的相对端产生一阶弯曲振动模态，连续式方波信号的激励频率与一阶弯曲振动模态频率f1相等；压电陶瓷片两侧的纵振极化分区在两路时间相位差为180°的间隔式正弦信号的激发下，促使金属基板两侧纵振极化分区的相对端分别产生局部微幅振动模态，间隔式正弦信号的间隔频率与一阶弯曲振动模态频率f1接近，所述间隔式正弦信号的激励频率与局部微幅振动模态的频率f2相等；且局部微幅振动模态的频率f2远大于一阶弯曲振动模态频率f1。
所述局部微幅振动模态为一阶局部弯振模态或者一阶局部纵振模态。
一种上述基于直线超声电机的三自由度运动平台的激励方式，控制各微小型减摩驱动式超声电机的激励电源，使得运动平台沿任一组微小型减摩驱动式超声电机的中心连线做直线运动或者沿自身中心轴做旋转运动；当运动平台做直线运动时，相对设置的一组微小型减摩驱动式超声电机作输出方向相同的直线运动，而另一组相对设置的微小型减摩驱动式超声电机工作在超声振动减摩模态；当运动平台沿自身中心轴做旋转运动时，相对设置的两组微小型减摩驱动式超声电机的均作输出方向相反的直线运动，且相对设置的两组微小型减摩驱动式超声电机的直线运动相对于运动平台的中心轴具有相同的时针方向。
根据以上的技术方案，相应于现有技术，本发明具有以下的优点：
1、本发明采用弹性支架作为超声电机和上部平板之间的连接机构，该连接机构能够完成超声电机的夹持和上部平板的固定，致使本发明具有体积小巧、运行稳定的特点；另外，本发明采用微小型减摩驱动式超声电机作为运动平台的驱动源，进一步巩固本发明体积小巧、控制方便、运行稳定的特点，使得本发明在微型机构中具有很好的应用前景
2、本发明的工作方式由减摩驱动式直线超声电机的运动状态决定，通过控制四个减摩驱动式直线超声电机的工作状态，可以实现平台在平面内x方向，y方向和自身旋转三个自由度的运动；
3、本发明所述减摩驱动式直线超声电机采用一片三分区式的压电陶瓷片激发电机的弯曲振动模态和局部纵向振动模态；电机在非对称的摩擦驱动力作用下发生定向运动；通过控制纵向振动的频率和幅度，可以提高电机的输出功率；另外，该电机的金属基板对频率一致性没有要求，因此，便于控制；一阶弯曲振动模态频率较低，以便获得端部驱动足较大的运动幅度；一阶局部纵向振动模态频率较高，以便获得较好的减摩效果；电机的运动方向由激励信号的相位差确定；另外，实现减摩作用的振动模态既可以是局部纵振模态，又可以是局部弯振模态，可根据电机尺寸和具体形状进行选择；在结构没有发生变化的情况下，调节激励源的频率至该模态频率，即可激发相应的振动。
附图说明
图1是本发明所述三自由度微小型运动平台的结构示意图
图2为图1的结构分解视图。
图3为图1所示三自由度微小型运动平台的工作方式示意图：图3-1为直线运动方式示意图；图3-2为旋转运动方式示意图。
图4为本发明所述三自由度微小型运动平台的另一种结构示意图图：图4-1为平台的立体视图；图4-2为平台的平面视图。
图5是本发明所述微小型减摩驱动式超声电机的结构示意图。
图6为微小型减摩驱动式直线超声电机沿x轴正向运动示意图及激发信号图；图6b1、b2、b3、b4均为压电陶瓷片的电源激励信号波形图；图6a1为对应于图6b1中t0-t1时刻的压电陶瓷片振动模态图；图6a2为对应于图6b2中t1-t2时刻的压电陶瓷片振动模态图；图6a3为对应于图6b3中t2-t3时刻的压电陶瓷片振动模态图；图6a4为对应于图6b4中t3-t4时刻的压电陶瓷片振动模态图。
图中标号名称：1、上部平板；2、下部运动台；3、弹性支架；4-1、4-2、5-1、5-2 均为微小型减摩驱动式直线超声电机；6、第一弹性足；7、第二弹性足；8、第三弹性足；9、第四弹性足；10、电机的定向运动；11、电机的超声振动减摩状态；12、电机的超声振动减摩状态；13、平台的定向运动；14、电机5-1的运动方向； 15、电机5-2的运动方向；16、电机4-1的运动方向；17、电机4-2的运动方向；18、平台的自身旋转方向；19、弹性支架；20、第一纵振极化分区；21、弯振极化分区；22、第二纵振极化分区；23、第一驱动足；24、中部薄板；25、第二驱动足。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图1、图2所示，本发明所述基于直线超声电机的三自由度运动平台，主体由上部平板1和下部运动台2组成，能够实现平面内的二维直线运动和旋转运动。下部运动台2包括弹性支架3和四个微小型减摩驱动式直线超声电机4-1，4-2，5-1和5-2；弹性支架3的中央为一平面，其上表面用于固定上部平板1；弹性支架2的四周有四个沿周向均布的弹性足6，7，8和9，与中央平面呈一定角度弯曲；弹性足的前端为弧形结构，弧形结构下弯的两端用于连接微小型减摩驱动式直线超声电机，安装位置与电机的一阶弯曲振动模态的节线位置对应；超声电机与固定底面接触，依靠电机振动产生的非对称的摩擦力驱动平台运动。
四个微小型减摩驱动式直线超声电机4-1，4-2，5-1和5-2为平台的运动提供驱动力；弹性支架2作为超声电机和上部平板1之间的连接机构，其主要实现两个功能，超声电机的夹持和上部平板的固定；弹性支架的弹性足结构6，7，8和9，用作超声电机的夹持，其连接点位于电机的一阶弯曲振动模态的节线位置；四个微小型减摩驱动式直线超声电机分为两组，相对安装的两个为一组，电机的长度方向与弹性支架3相邻近的上表面侧边平行。
上述三自由度微小型运动平台的驱动方式如下：
如图3所示，当一组电机5-1和5-2输出方向相同的运动10时，另一组电机4-1和4-2工作在超声振动减摩状态11和12，平台将实现沿x方向的直线运动功能13；由于所述平台在结构上的对称性，通过控制两组电机的不同工作状态，同样可以实现平台沿y方向的直线运动功能；当一组电机5-1和5-2输出方向相反的运动14和15时，另一组电机4-1和4-2同样输出方向相反的运动16和17，两组电机运动相对平台的中心轴具有相同的时针转向，平台将实现自身旋转运动功能18。
该三自由度微小型运动平台的工作方式由减摩驱动式直线超声电机的运动状态决定，通过控制四个减摩驱动式直线超声电机的工作状态，可以实现平台在平面内x方向，y方向和自身旋转三个自由度的运动。
图4 所示为本发明的另一种实现方式，同样采用四个微小型减摩驱动式直线超声电机作为动力源，但弹性支架19与弹性支架3在结构上的设计有很大的不同。中心平面的四个角分别沿对角线延伸出一定长度后，再沿上部平板的侧面向下折弯，形成弹性足结构。这种弹性支架的设计可以更有效的利用空间，保证弹性足具有更好的柔韧性以及上部平板具有更好的力学稳定性。
本发明所述微小型减摩驱动式直线超声电机，如图5所示，包括金属基板以及压电陶瓷片，该压电陶瓷片具有三个极化方向相同的极化分区，其中：所述的三个极化分区中，位于中部的为弯振极化分区，而位于两侧的则为纵振极化分区，且所述弯振极化分区的长度长于纵振极化分区长度；所述金属基板包括基板本体，该基板本体的一侧与压电陶瓷片复合成一体，另一侧的两端则分别设置第一驱动足、第二驱动足，第一驱动足、第二驱动足分别与压电陶瓷片两侧的纵振极化分区相对设置；所述弯振极化分区、纵振极化分区分别与相应的激励电源连接，以分别对应地促使弯振极化分区的相对端产生一阶弯曲振动模态、纵振极化分区的相对端产生局部微幅振动模态，所述金属基板以一阶弯曲振动模态作为摩擦驱动力、以局部微幅振动模态作为摩擦驱动力的减摩模态。
上述微小型减摩驱动式直线超声电机的电激励方式如下：采用连续式方波信号作为压电陶瓷片弯振极化分区的激励电源、两路时间相位差为180°的间隔式正弦信号作为压电陶瓷片两侧纵振极化分区的激励电源；压电陶瓷片的弯振极化分区在连续式方波信号的激发下，促使弯振极化分区的相对端产生一阶弯曲振动模态，连续式方波信号的激励频率与一阶弯曲振动模态频率f1相等；压电陶瓷片两侧的纵振极化分区在两路时间相位差为180°的间隔式正弦信号的激发下，促使金属基板两侧纵振极化分区的相对端分别产生局部微幅振动模态，间隔式正弦信号的间隔频率与一阶弯曲振动模态频率f1接近，所述间隔式正弦信号的激励频率与局部微幅振动模态的频率f2相等；且局部微幅振动模态的频率f2远大于一阶弯曲振动模态频率f1。 所述局部微幅振动模态为一阶局部弯振模态或者一阶局部纵振模态。如图6所示，本发明所述微小型减摩驱动式直线超声电机的电激励方式具体为：弯曲振动的信号输入端定义为A，接地端定义为GND，两路纵向振动的信号输入端分别定义为B和C，与弯曲振动公用接地端GND；连续式的方波信号与信号输入端A相连，间隔式的正弦信号分别与信号输入端B和C相连。t0到t1时刻，信号输入端均无信号输入，电机处于初始位置；t1到t2时刻，信号输入端A收到频率为f1高电平信号，激发金属基板的一阶弯曲振动模态，信号输入端B收到频率为f2的正弦激励信号，信号输入端C无信号输入，由于超声纵向振动具有减小摩擦力的作用，因此，端部驱动足与接触地面的摩擦驱动力小于端部驱动足的摩擦驱动力，带动端部驱动足前进一段距离L1；t2到t3时刻，信号输入端A无信号输入，金属基板恢复平直状态，信号输入端B无信号输入，信号输入端C收到频率为f2的正弦激励信号，由于超声纵向振动具有减小摩擦力的作用，因此，端部驱动足与接触地面的摩擦驱动力大于端部驱动足的摩擦驱动力，带动端部驱动足前进一段距离L2；理论上，前进的距离L1= L2=L，电机总计前进的距离为L。t3到t4时刻重复t1到t2时刻的运动，如此反复，宏观上，电机将产生定向直线运动。
该电机的运动方向由正弦激励信号与方波信号的相位差决定：当正弦激励信号与方波信号同相位时，电机将产生沿x轴正向的直线运动；当正弦激励信号与方波信号同相位时，电机将产生沿x轴负向的直线运动。
Claims (6)
1.一种基于直线超声电机的三自由度运动平台，其特征在于：包括上部平板以及位于上部平板下方的下部运动台，所述下部运动台包括弹性支架，该弹性支架包括中部固定台以及均布在中部固定台四周的四个弹性足，每一个弹性足均与一个直线超声电机连接；所述中部固定台与上部平板连接成一体，所述弹性足包括弹性连接臂和弹性连接块，弹性连接臂的一端与中部固定台连接，另一端则通过弹性连接块与直线超声电机连接，所述弹性连接块为弹性弧形状构件，该弹性弧形状构件的两端与直线超声电机固定；所述中部固定台呈矩形，所述弹性连接臂包括第一连接臂分体以及第二连接臂分体，第一连接臂分体为矩形状中部固定台的四个角分别沿对角线延伸出形成，且第一连接臂分体的延伸端部设置端耳，第二连接臂分体为薄板弹片构件，且第二连接臂分体的一端与端耳连接，另一端则与弹性连接块连接，所述第二连接臂分体与弹性连接块的连接端位于中部固定台下侧，同时第二连接臂分体与弹性连接块的连接端相应于上部平板呈上下移动。
2.根据权利要求1所述基于直线超声电机的三自由度运动平台，其特征在于：所述弹性足为弧形薄板结构，且弹性足背向上部平板呈弹性弧形弯曲状。
3.根据权利要求2所述基于直线超声电机的三自由度运动平台，其特征在于：所述直线超声电机为微小型减摩驱动式超声电机，包括金属基板以及压电陶瓷片；所述压电陶瓷片具有三个极化方向相同的极化分区，其中：所述的三个极化分区中，位于中部的为弯振极化分区，而位于两侧的则为纵振极化分区；所述金属基板包括基板本体，该基板本体的一侧与压电陶瓷片复合成一体，另一侧的两端则分别设置第一驱动足、第二驱动足，第一驱动足、第二驱动足分别与压电陶瓷片两侧的纵振极化分区相对设置；所述弯振极化分区、纵振极化分区分别与相应的激励电源连接，以分别对应地促使弯振极化分区的相对端产生一阶弯曲振动模态、纵振极化分区的相对端产生局部微幅振动模态，所述金属基板以一阶弯曲振动模态作为摩擦驱动力、以局部微幅振动模态作为摩擦驱动力的超声振动减摩模态；所述弹性足与微小型减摩驱动式超声电机的连接部位为一阶弯曲振动模态的节线位置。
4.根据权利要求3所述基于直线超声电机的三自由度运动平台，其特征在于：所述压电陶瓷片弯振极化分区的激励电源为连续式方波信号、压电陶瓷片两侧纵振极化分区的激励电源为两路时间相位差为180°的间隔式正弦信号；压电陶瓷片的弯振极化分区在连续式方波信号的激发下，促使弯振极化分区的相对端产生一阶弯曲振动模态，连续式方波信号的激励频率与一阶弯曲振动模态频率f1相等；压电陶瓷片两侧的纵振极化分区在两路时间相位差为180°的间隔式正弦信号的激发下，促使金属基板两侧纵振极化分区的相对端分别产生局部微幅振动模态，间隔式正弦信号的间隔频率与一阶弯曲振动模态频率f1接近，所述间隔式正弦信号的激励频率与局部微幅振动模态的频率f2相等；且局部微幅振动模态的频率f2远大于一阶弯曲振动模态频率f1。
5.根据权利要求3所述基于直线超声电机的三自由度运动平台，其特征在于：所述局部微幅振动模态为一阶局部弯振模态或者一阶局部纵振模态。
6.一种权利要求3所述基于直线超声电机的三自由度运动平台的激励方式，其特征在于：控制各微小型减摩驱动式超声电机的激励电源，使得运动平台沿任一组微小型减摩驱动式超声电机的中心连线做直线运动或者沿自身中心轴做旋转运动；当运动平台做直线运动时，相对设置的一组微小型减摩驱动式超声电机作输出方向相同的直线运动，而另一组相对设置的微小型减摩驱动式超声电机工作在超声振动减摩模态；当运动平台沿自身中心轴做旋转运动时，相对设置的两组微小型减摩驱动式超声电机的均作输出方向相反的直线运动，且相对设置的两组微小型减摩驱动式超声电机的直线运动相对于运动平台的中心轴具有相同的时针方向。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150909 Termination date: 20180625 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |