CN103997254B - 一种压电驱动式软体位移驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电驱动式软体位移驱动器，包括：第一箝位结构、第一压电振子、伸缩结构、第二压电振子、第二箝位结构和液体，各箝位结构与伸缩结构由柱形的软体隔膜构成，其内部充满液体，压电振子布置于箝位结构与伸缩结构之间，当第一压电振子在电压作用下发生弯曲回复变形时，第一箝位机构上的厚度减少区发生往复变形，箝位结构的摩擦力发生周期性变化，结合伸缩结构的伸缩变形，形成整机向第一箝位结构方向的运动，当第二压电振子发生弯曲回复变形时，则形成整机向第二箝位结构方向的运动，通过使用压电材料构成软体驱动器，解决了目前软体驱动器所采用功能材料无工业化规模生产的问题。

Description

一种压电驱动式软体位移驱动器

技术领域

本发明属于微小型机器人领域，具体涉及一种压电驱动式软体位移驱动器装置。

背景技术

软体驱动器是一种输出端为软体结构的位移或力输出装置，是构成柔性机器人或软体机器人的核心部件，用于多在多变环境特别是在狭窄空间、形状复杂通道及界面多变环境中提供稳定的定向驱动能力，在军事侦察、灾难救援、科学探测和生化医疗等领域具有广泛的应用前景，特别是软体结构所构成的驱动器，具有通过能力强、环境适应能力强等特点。传统的软体驱动器一般采用功能材料和气动驱动两种驱动方式，气动驱动的动力原件小型化存在困难，因此一般采用包括形状记忆合金、电火星聚合物等功能材料作为动力源，这些类型的功能材料目前还都未进入工业化生产阶段，限制了软体驱动器的实际应用。

发明内容

为了解决目前软体驱动器所采用材料无工业化规模生产问题，提出了一种压电驱动式软体位移驱动器装置，该装置利用压电材料作为驱动器的动力源，压电材料是一种已经大规模供应市场的功能材料，但由于其属于脆性材料且刚度较大，以往并未应用于软体驱动器领域，本发明利用液体将压电振子的位移放大同时传递给软体输出端结构，由软体输出端输出位移与力，形成软体结构的驱动器在界面上输出位移运动的能力，可有效发挥压电材料的产业化优势，同时克服其刚度大难以形成软体驱动器的不足。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种压电驱动式软体位移驱动器总体呈柱状结构，包括：至少两个压电振子，三个软体位移输出端、液体，其中：

所述软体位移输出端包括三个部分和两种类型，第一种是发生沿着长条状主体结构轴向伸长或缩短变形的软体结构称为伸缩结构，第二种是沿着垂直轴线方向发生局部径向变形的软体结构称为箝位结构，整个驱动器两端布置箝位结构，两箝位机构之间布置伸缩结构；

所述箝位结构为一柱体结构，由软体隔膜和内部的液体构成，可以是圆柱或棱柱，软体隔膜可以采用橡胶材料制成，也可以采用其它弹性较好的有机材料制成，柱体侧面的软体隔膜处至少布置一处局部厚度减少区，该局部厚度减少区在内部液体的压力下会先于其余位置发生变形，箝位结构柱体上布置有两个与其内部腔体连通的过流孔，所述过流孔包括用于向箝位体内部注入液体的第一过流孔和用于排出内部气泡的第二过流孔；

所述伸缩结构为一中间收缩的柱状结构，由橡胶材料制成，中间收缩部分截面减小，可以增加伸缩结构内部发生单位体积变化量时的伸长量，以实现位移放大效果，其收缩部分采用特殊的形状结构来保证在内部压力发生变化时结构主要沿着柱状结构轴线的长度方向发生变形，所述特殊形状结构可以是波纹管结构也可以是螺纹管结构，伸缩结构上布置至少两个与内部腔体连通的过流孔，实现内部液体的注入和气体的排出；

第一箝位结构柱体的第一端面与所述伸缩结构的第一端面间布置第一压电振子，三者层合，层合后第一箝位结构与伸缩结构连接，第二箝位结构柱体的第一端面与所述伸缩结构的第二端面间布置第二压电振子，三者层合，层合后第二箝位结构与伸缩结构连接。

工作时，有两种工作状态，第一种是向第一箝位结构方向运动称为前进运动，第二种是向第二箝位机构方向运动称为后退运动。参考图1(a)和图1(b)，压电振子在交变电压的作用下会发生弯曲回复变形，第一压电振子在电压的作用下发生中心指向向第一箝位结构的弯曲变形，第一箝位结构被压缩，内部压力增加，厚度减小区产生向外突出的变形，该变形导致箝位机构与运动界面间的摩擦力增加，与此同时，伸缩结构内部压力减小，发生缩短的变形，所述的缩短变形带动第二箝位机构向第一箝位机构方向运动运动距离为2h。参考图1(c)，当第一压电振子变形回复时，箝位机构与运动界面件的摩擦力减小，同时伸缩结构内部压力增大，发生伸缩变形，所述的伸缩变形向第一箝位结构方向和第二箝位结构方向的变形量相同各为h，在上述的一个运动周期内软体位移驱动器向第一箝位结构方向即前进方向移动距离h。当第二压电振子发生向第二箝位结构方向的弯曲与回复变形时，一个周期内软体位移驱动器向第二箝位结构方向即后退方向移动距离h。当工作界面的条件发生改变时，摩擦力的情况会发生变化，该驱动器在一个运动周期内的实际移动距离会小于h。

附图说明

图1(a)是本发明一种压电驱动式软体位移驱动器运动初始状态示意简图。

图1(b)是本发明一种压电驱动式软体位移驱动器第一压电振子变形过程

示意简图。

图1(c)是本发明一种压电驱动式软体位移驱动器第一压电振子回复运动

过程示意简图。

图2是本发明一种压电驱动式软体位移驱动器的结构示意图。

图3(a)是本发明中涉及的单晶片压电振子结构示意图。

图3(b)是本发明中涉及的双晶片压电振子结构示意图。

具体实施方式

参照图2，本发明的压电驱动式软体位移驱动器由第一箝位结构1、第一压电振子2、伸缩结构3、第二压电振子4、第二箝位结构5和液体6构成，其中：

所述第一箝位结构1为一圆柱体结构，由软体隔膜11和内部的液体6构成，软体隔膜由橡胶材料制成，主体侧面的软体隔膜11上布置有与其内部腔体连通的第一箝位过流孔111和第二箝位过流孔112，所述液体6通过第二箝位过流孔112注入，内部气体从第一箝位过流孔111排出，内部充满液体6后第一箝位过流孔111和第二箝位过流孔112采用胶水密封，在主体侧面的软体隔膜11处布置一处厚度减少区113，第二箝位结构与第一箝位结构相同；

所述伸缩结构3为一中间收缩的圆柱状结构，由橡胶材料制成，中间收缩部分截面减小，其收缩部分采用波纹管结构31，圆柱侧面靠近端面处布置第一伸缩过流孔321，第二伸缩过流孔322，第三伸缩过流孔323和第四伸缩过流孔324，液体6从第四伸缩过流孔324处注入，其余伸缩过流孔排出空气，注入液体6完成后采用胶水密封各过流孔；

所述第一箝位结构1柱体的第一端面12与所述伸缩结构3的第一端面32之间布置第一压电振子2，三者通过胶水粘接；第二箝位结构5的第一端面52与所述伸缩结构3的第二端面33间布置第二压电振子4，三者通过胶水粘接；

所述压电振子2和压电振子4具有相同结构，参照图3(a)和图3(b)，压电振子2可以采用由一片压电材料薄片21与弹性基板22粘接形成的单晶片压电振子，单晶片压电振子结构参考图3(a)，也可以采用由两片压电材料薄片21与弹性基板22粘接形成的双晶片压电振子，双晶片压电振子结构参考图3(b)。

工作时，对第一压电振子2施加交变电压实现压电驱动式软体位移驱动器的前进运动，对第二压电振子4施加交变电压实现压电驱动式软体位移驱动器的后退运动。

Claims (3)

1.一种压电驱动式软体位移驱动器，包括：第一箝位结构(1)、第一压电振子(2)、伸缩结构(3)、第二压电振子(4)、第二箝位结构(5)和内部液体(6)，其中：所述第一箝位结构(1)为一柱体结构，由软体隔膜(11)和内部的液体(6)构成，软体隔膜由橡胶材料制成，主体侧面的软体隔膜(11)上布置有与其内部腔体连通的第一箝位过流孔(111)和第二箝位过流孔(112)，所述液体(6)通过第二箝位过流孔(112)注入，内部气体从第一箝位过流孔(111)排出，内部充满液体(6)后用胶水密封第一箝位过流孔(111)和第二箝位过流孔(112)，其特点为在所述第一箝位结构(1)主体侧面的软体隔膜(11)处布置至少一处环形厚度减少区(113)，第二箝位结构(5)与第一箝位结构(1)相同；所述伸缩结构(3)为一中间收缩的圆柱状结构，由橡胶材料制成，中间收缩部分截面减小，其收缩部分采用波纹管结构(31)，圆柱侧面靠近端面处布置至少两个过流孔，分别为第一伸缩过流孔(321)和第二伸缩过流孔(322)，注入液体(6)完成后采用胶水密封各过流孔；所述第一箝位结构(1)柱体的第一端面(12)与所述伸缩结构(3)的第一端面(32)之间布置第一压电振子(2)，三者通过胶水粘接；第二箝位结构(5)的第一端面(52)与所述伸缩结构(3)的第二端面(32)间布置第二压电振子(4)，三者通过胶水粘接。

2.根据权利要求1所述的一种压电驱动式软体位移驱动器，其特征在于：所述伸缩结构(3)的收缩部分可以采用波纹管结构(31)也可以采用螺纹管结构。

3.根据权利要求1所述的一种压电驱动式软体位移驱动器，其特征在于：所述第一压电振子(2)和第二压电振子(4)可以是由一个压电薄片(21)和弹性基板(22)构成的单晶片压电振子，也可以是由两个压电薄片(21)和弹性基板(22)构成的双晶片压电振子。