CN104967355B - 仿生爬行多足直线压电驱动器 - Google Patents

Abstract

仿生爬行多足直线压电驱动器，属于压电驱动技术领域，本发明为解决现有压电驱动器输出不稳定、预压系统结构复杂、弹性支撑环节振动幅度大、预压力施加复杂、工作频率范围窄、机械输出特性调整不灵活的问题。本发包括安装座和n个弯曲换能器，n个弯曲换能器对称安装在安装座的两侧，其中n为大于等于4的偶数；弯曲换能器包括四片压电陶瓷、基梁、变幅杆和驱动足，基梁四个侧面分别固定一片压电陶瓷，变幅杆为截面逐渐变细的块体，基梁末端与变幅杆宽端固定连接，驱动足设置在变幅杆窄端，弯曲换能器通过基梁首端与安装座侧面固定连接；弯曲换能器中的4片压电陶瓷均沿厚度方向极化，且相互平行的2片压电陶瓷极化方向相同。本发明用于压电驱动。

Description

仿生爬行多足直线压电驱动器

技术领域

本发明涉及一种仿生爬行多足直线压电驱动器，属于压电驱动技术领域。

背景技术

压电驱动是一种利用压电功能材料的逆压电效应实现致动输出的新型驱动方式，与传统电磁驱动相比，具有结构多样、定位精度高、分辨力高、断电自锁、无电磁干扰、响应速度快、低速大推力/力矩、易于实现直线和多自由度驱动等优点，是目前常用一种精密驱动方式。

目前成熟的压电驱动一般通过两个或者多个定子固有振动的组合实现驱动齿或驱动足处椭圆轨迹振动的激励，进而通过定子和动子之间的摩擦耦合实现动子致动。目前已经有很多新结构的足式压电驱动器被提出，但是他们普遍采用单足或者双足实现驱动，由于驱动足数量有限，存在输出不稳定、预压系统结构复杂等问题；此外，目前压电驱动器采用的定子振动大多属于自由振动的范畴，多数采用薄壁环或者薄壁梁的实现弹性支撑和振动的隔离，实际工作过程中弹性环节存在高幅度振动，而且弹性环节的存在也不利于施加大的预压力；另外，压电驱动器一般工作在某一个共振模态，也就是只有一个最佳工作频率，其工作频率一般在共振频率附近，这使得其工作频率范围较窄，不利于机械输出特性的灵活调整。

发明内容

本发明目的是为了解决现有压电驱动器存在输出不稳定、预压系统结构复杂、弹性支撑环节振动幅度大、预压力施加复杂、工作频率范围窄、机械输出特性调整不灵活的问题，提供了一种仿生爬行多足直线压电驱动器。

本发明所述仿生爬行多足直线压电驱动器，它包括安装座和n个弯曲换能器，n个弯曲换能器对称安装在安装座的两侧，其中n为大于等于4的偶数；每个弯曲换能器包括四片压电陶瓷、基梁、变幅杆和驱动足，基梁的四个侧面分别固定一片压电陶瓷，变幅杆为截面逐渐变细的块体，基梁的末端与变幅杆的宽端固定连接，驱动足设置在变幅杆的窄端，弯曲换能器通过基梁的首端与安装座的侧面固定连接；n个弯曲换能器中的4n片压电陶瓷均沿厚度方向极化，且相互平行的2n片压电陶瓷极化方向相同。

本发明的优点：本发明提出的仿生爬行多足直线压电驱动器采用贴片结构，加工装配十分简便，对零件加工精度要求较低，且易于实现集成化和系列化；采用仿多足生物的多足驱动方式可实现稳定的输出，且预压系统较简单；工作过程中安装座与外部结构固定连接，换能器工作在悬臂弯曲振动状态，克服了薄壁构件弹性支撑带来的振幅大、预压力提高受限等问题；此外，弯曲换能器可以基于一阶弯振模态工作，也可以工作在其他高阶弯振模态，这使得该驱动器具有多个工作频率，极大程度的提高了其工作频率范围，也使其可以获得更加丰富的机械输出特性。本发明的仿生爬行多足直线压电驱动器具有结构简单、设计灵活、输出稳定、工作频率范围宽等突出优点。

附图说明

图1是本发明所述n＝4时仿生爬行多足直线压电驱动器的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的压电陶瓷的极化方向示意图；

图4是两个对称的弯曲换能器的一阶竖直弯曲振动的振型图；

图5是两个对称的弯曲换能器的一阶水平弯曲振动的振型图；

图6是两个对称的弯曲换能器的二阶竖直弯曲振动的振型图；

图7是两个对称的弯曲换能器的二阶水平弯曲振动的振型图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述夹心式T型多足直线压电超声电机振子，它包括安装座1和n个弯曲换能器2，n个弯曲换能器2对称安装在安装座1的两侧，其中n为大于等于4的偶数；每个弯曲换能器2包括四片压电陶瓷2-1、基梁2-2、变幅杆2-3和驱动足2-4，基梁2-2的四个侧面分别固定一片压电陶瓷2-1，变幅杆2-3为截面逐渐变细的块体，基梁2-2的末端与变幅杆2-3的宽端固定连接，驱动足2-4设置在变幅杆2-3的窄端，弯曲换能器2通过基梁2-2的首端与安装座1的侧面固定连接；n个弯曲换能器2中的4n片压电陶瓷2-1均沿厚度方向极化，且相互平行的2n片压电陶瓷2-1极化方向相同。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述基梁2-2的截面为对称结构。

本实施方式中，对称结构能够极大地简化超声电机振子制作工艺。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述基梁2-2的截面为方形。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述基梁2-2的截面为正八边形。

具体实施方式五：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述安装座1、基梁2-2、变幅杆2-3和驱动足2-4为一体件。

本实施方式中，一体件结构能够简化压电驱动的制作工艺。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述n个弯曲换能器2的结构参数均相同。

本实施方式中，n个弯曲换能器2的结构参数均相同能够保证所有驱动足产生的推动力一致。

具体实施方式七：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，安装座1上设置有用于安装紧固螺钉的螺钉孔1-1。

下面结合图1-图7说明本发明的工作原理为：本发明的仿生爬行多足直线压电驱动器在应用时，需要2n相激励信号，所有基梁2-2均与驱动电源的公共端(即为激励信号公共端)连接，每一个基梁2-2左右两个侧面上固定的两片压电陶瓷2-1的外表面与一相驱动信号连接，每一个基梁2-2上下两个侧面上固定的两片压电陶瓷2-1的外表面与另一相驱动信号连接；本发明的压电驱动器可以基于以下两种模式进行工作：

第一种模式：直流开关激励微驱动模式，在该模式下，通过给基梁2-2左右两个侧面上固定的两片压电陶瓷2-1施加正向或者负向直流激励电压，可以引起驱动足水平方向弯曲，从而获得驱动足左右的水平方向位移；通过给基梁2-2上下两个侧面上固定的两片压电陶瓷2-1施加正向或者负向直流激励电压，可以引起驱动足竖直方向弯曲，从而获得驱动足上下的竖直方向位移；驱动足水平方向的位移实现对动子的推动，竖直方向的位移则用于控制驱动足与动子的接触状态；每个驱动足对动子的状态均是一个“压-推-离-退”的周期性过程，通过控制各个换能器上压电陶瓷激励信号之间的相位差，可以实现多足交替蠕动驱动；通过调整激励电压幅值，可以实现单次蠕动步距的精确调整，通过调整各压电元件施加激励信号的开关频率可以实现输出速度的调整；

第二种模式：高频交流激励共振模态，在该模式下，2n相激励信号为同频率的高频交变信号，其频率可以是换能器任意一个固有弯振模态的特征频率(比如一阶弯振模态特征频率、二阶弯振模态特征频率、三阶弯振模态特征频率……)，从而保证所有换能器均工作在同频的共振状态；对于单个换能器而言，其所施加的两相激励信号在时间上具有90度相位差，从而保证振在时其竖直弯振和水平弯间上也具有90度相位差，通过两个弯振的复合，在驱动足处形成了高频的椭圆轨迹振动；驱动足水平方向的振动可实现对动子的推动，竖直方向的振动则用于克服动子驱动足之间的预压力；每个驱动足的运动状态均为同频的椭圆轨迹振动，通过控制各个换能器上压电陶瓷激励信号之间的相位差，可以实现多足同步或者交替致动；这种工作模式通过换能器共振状态，可以在驱动足处获得很高的振幅和振速，从而可以实现快速驱动。

Claims (7)

1.仿生爬行多足直线压电驱动器，其特征在于，它包括安装座(1)和n个弯曲换能器(2)，n个弯曲换能器(2)对称安装在安装座(1)的两侧，其中n为大于等于4的偶数；每个弯曲换能器(2)包括四片压电陶瓷(2-1)、基梁(2-2)、变幅杆(2-3)和驱动足(2-4)，基梁(2-2)的四个侧面分别固定一片压电陶瓷(2-1)，变幅杆(2-3)为截面逐渐变细的块体，基梁(2-2)的末端与变幅杆(2-3)的宽端固定连接，驱动足(2-4)设置在变幅杆(2-3)的窄端，弯曲换能器(2)通过基梁(2-2)的首端与安装座(1)的侧面固定连接；n个弯曲换能器(2)中的4n片压电陶瓷(2-1)均沿厚度方向极化，且相互平行的2n片压电陶瓷(2-1)极化方向相同。

2.根据权利要求1所述的仿生爬行多足直线压电驱动器，其特征在于，所述基梁(2-2)的截面为对称结构。

3.根据权利要求2所述的仿生爬行多足直线压电驱动器，其特征在于，所述基梁(2-2)的截面为方形。

4.根据权利要求2所述的仿生爬行多足直线压电驱动器，其特征在于，所述基梁(2-2)的截面为正八边形。

5.根据权利要求1所述的仿生爬行多足直线压电驱动器，其特征在于，所述安装座(1)、基梁(2-2)、变幅杆(2-3)和驱动足(2-4)为一体件。

6.根据权利要求1所述的仿生爬行多足直线压电驱动器，其特征在于，所述n个弯曲换能器(2)的结构参数均相同。

7.根据权利要求1所述的仿生爬行多足直线压电驱动器，其特征在于，安装座(1)上设置有用于安装紧固螺钉的螺钉孔(1-1)。