CN105634327A - 一种二自由度球形超声电机及其控制方法 - Google Patents

一种二自由度球形超声电机及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二自由度球形超声电机及其控制方法，超声电机包括上振子、下振子和球形转子；上振子和下振子结构相同，均包含圆环结构、两根横梁和四片压电薄膜，其中，两根横梁的一端均与所述圆环结构的外侧壁固定相连、轴线均指向所述圆环结构的圆心且在一条直线上，四片压电薄膜分别对称设置在两根横梁的上下表面，沿厚度方向极化，并且两根横梁上下表面设置的压电薄膜的极化方向相反；球形转子设置在下振子圆环结构的内圆环上，上振子圆环结构的内圆环设置在球形转子上，上振子和下振子呈正交平行分布。通过调整上振子和下振子的模态，进而控制球形转子实现二自由度运动。本发明成本低、结构简单、机械集成度高并且易于微型化。

Description

一种二自由度球形超声电机及其控制方法
技术领域
本发明涉及多自由度超声电机领域，尤其涉及一种二自由度球形超声电机及其控制方法。
背景技术
随着科技的发展，精密定位装置对运动的要求越来越高，单自由度驱动已经无法满足需求。若每个自由度的运动都由一台单自由度电机来完成，必然会使整个机构变得复杂、控制难度增加以及生产成本增加。与单自由度超声电机相比，多自由度超声电机的机械集成度更高，机构更紧凑，在需要有多自由度运动的设备中有广泛的应用前景，可用于微小型机器人关节和眼球的驱动，以及精密加工和装配的进给、空间探测器等装置。
然而传统多自由度超声电机定子结构相对复杂、制造困难和控制系统冗余，同时难以将整个结构进行微型化设计。针对已由多自由度超声电机存在的问题，本发明提出的二自由度球形超声电机具有结构简单、紧凑、易于制造、生产成本低且易于微型化设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种成本低、结构简单紧凑且易于微型化的二自由度球形超声电机及其控制方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种二自由度球形超声电机，包括上振子、下振子和球形转子；
所述上振子和下振子结构相同，均包含圆环结构、两根横梁和四片压电薄膜，其中，两根横梁的一端均与所述圆环结构的外侧壁固定相连、轴线均指向所述圆环结构的圆心，且两根横梁的轴线之间的夹角为180°，四片压电薄膜分别对称设置在所述两根横梁的上下表面，沿厚度方向极化，并且两根横梁上下表面设置的压电薄膜的极化方向相反；
所述球形转子设置在下振子圆环结构的内圆环上，上振子圆环结构的内圆环设置在球形转子上，上振子和下振子呈正交平行分布。
作为本发明一种二自由度球形超声电机进一步的优化方案，所述上振子和下振子中的压电薄膜均通过镀层的方式设置在横梁上。
作为本发明一种二自由度球形超声电机进一步的优化方案，所述上振子、下振子中圆环结构和横梁的横截面均为矩形。
作为本发明一种二自由度球形超声电机进一步的优化方案，所述上振子、下振子中圆环结构和横梁的横截面均为圆形。
本发明还公开了一种基于该二自由度球形超声电机的控制方法，令下振子中横梁所在的直线为X轴，上振子横梁所在的直线为Y轴，控制球形转子绕X轴转动的具体方法如下：
当需要驱动球形转子绕X轴进行正向转动时：
步骤A.1）,对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有π相位差；
步骤A.2），对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜均施加相同的电信号，并使得该电信号与上振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有π/2相位差；
当需要驱动球形转子绕X轴进行反向转动时：
步骤B.1），对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有-π相位差；
步骤B.2），对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜均施加相同的电信号，并使得该电信号与上振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有-π/2相位差。
作为基于该二自由度球形超声电机的控制方法进一步的优化方案，控制球形转子绕Y轴转动的具体方法如下：
当需要驱动球形转子绕Y轴进行正向转动时：
步骤C.1），对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有π相位差；
步骤C.2），对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜均施加相同的电信号，并使得该电信号与下振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有π/2相位差；
当需要驱动球形转子绕Y轴进行反向转动时：
步骤D.1），对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有-π相位差；
步骤D.2），对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜均施加相同的电信号，并使得该电信号与下振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有-π/2相位差。
本发明一种二自由度球形超声电机具有成本低、结构简单、机械集成度高并且易于微型化的优点。
附图说明
图1是二自由度球形超声电机的结构示意图；
图2（a）是上振子或下振子结构示意的正视图；
图2（b）是振子结构示意的俯视图；
图3为振子圆环结构的面外振动模态的激励方式以及压电薄膜的极化方向图；
图4为振子圆环结构的面内振动模态的激励方式以及压电薄膜的极化方向图；
图5是振子的A相模态振型图；
图6是振子的B相模态振型图。
图中，1-上振子，2-球形转子，3-下转子，4-压电薄膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明公开了一种二自由度球形超声电机，包括上振子、下振子和球形转子。
上振子和下振子的结构完全相同，如图2所示,其中（a）为正视图，（b）为俯视图。上振子和下振子均包含圆环结构、两根横梁和四片压电薄膜，其中，两根横梁的一端均与所述圆环结构的外侧壁固定相连、轴线均指向所述圆环结构的圆心，且两根横梁的轴线之间的夹角为180°，四片压电薄膜分别对称设置在所述两根横梁的上下表面，沿厚度方向极化，并且两根横梁上下表面设置的压电薄膜的极化方向相反。
所述球形转子设置在下振子圆环结构的内圆环上，上振子圆环结构的内圆环设置在球形转子上，上振子和下振子呈正交平行分布，即上振子和下振子平行，且上振子横梁所在直线与下振子横梁所在直线垂直。
上振子和下振子圆环结构的内圆环与球形转子接触，并通过一定预压力夹紧球形转子。
上振子和下振子中的压电薄膜通过镀层的方式设置在横梁上，以实现整个定子结构的微型化。
上振子、下振子中圆环结构和横梁的横截面既可以为矩形，也可以为圆形。
令下振子中横梁所在的直线为X轴，上振子横梁所在的直线为Y轴，控制球形转子绕X轴转动的具体方法如下：
1）对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有π相位差；对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜均施加相同的电信号，并使得该电信号与上振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有π/2相位差；在这样的电压施加方式下，球形转子将在上、下振子的共同驱动下绕X轴旋转，并定义此旋转方向为绕X轴正向转动。
2）对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有-π相位差；对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜均施加相同的电信号，并使得该电信号与上振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有-π/2相位差；在这样的电压施加方式下，球形转子将在上、下振子的共同驱动下绕X轴进行反向旋转。
控制球形转子绕Y轴转动的具体方法如下：
1）对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有π相位差；对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜均施加相同的电信号，并使得该电信号与下振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有π/2相位差；在这样的电压施加方式下，球形转子将在上、下振子的共同驱动下绕Y轴旋转，并定义此旋转方向为绕Y轴正向转动。
2）对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的电信号具有-π相位差；对上振子两根横梁上下表面的压电薄膜均施加相同的电信号，并使得该电信号与下振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有-π/2相位差；在这样的电压施加方式下，球形转子将在上、下振子的共同驱动下绕Y轴进行反向旋转。
本发明的压电作动器的可用工作模态有很多，不失一般性，现以上振子中两根横梁激发出一阶弯振模态，在下振子中两根横梁上激发出一阶纵振模态为例对作动器的工作原理进行说明，压电薄膜的激励方式分别如图3和图4所示。
以sin(ωt)信号作为例子进行说明，当对上振子中两根横梁上下表面压电薄膜分别施加两相具有π相位差的sin(ωt)信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的sin(ωt)信号具有π相位差，即如图3所示的激励方式，上振子将被激发出A相振动模态，其中横梁呈现出一阶弯曲振动，且两根横梁的振动方向相反，圆环结构呈现具有一个节径和一个波峰的面外弯曲振动，两根横梁与圆环的连接处分别交替位于圆环结构的面外弯曲振动的波峰或波谷位置，如图5所示；当对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜均施加相同的sin(ωt)信号，并使得该电信号与上振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有π/2相位差，即在对两根横梁上下表面的压电薄膜均施加cos(ωt)信号，如图4所示，下振子将被激发出B相振动模态，其中横梁呈现一阶纵向振动，且两根横梁的振动方向相反，圆环结构呈现具有两个节径的面内弯曲振动，两根横梁与圆环的连接处同时位于圆环结构的面内弯曲振动的波峰或波谷位置，如图6所示；当上振子工作在A相模态，下振子同时工作在B相模态，球形转子将受到下振子圆环结构施加的一个周期性变化的预压力和上振子圆环结构施加的对应的周期性变化的推动力，球形转子将绕X轴正向旋转。由于下振子圆环结构的工作模态的变化导致施加在球形转子上的预压力呈周期性变化，因此使得上振子施加在球形转子上的推动力也呈周期性变化。
当对上振子中两根横梁上下表面压电薄膜分别施加两相具有-π相位差的sin(ωt)信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜上的sin(ωt)信号具有-π相位差，上振子将被激发出与A相振动模态振动方向相反的的另一同形同频的工作模态，其中，横梁呈现出一阶弯曲振动，且两根横梁的振动方向相反，圆环结构呈现具有一个节径和一个波峰的面外弯曲振动，两根横梁与圆环的连接处分别交替位于圆环结构的面外弯曲振动的波峰或波谷位置；当对下振子两根横梁上下表面的压电薄膜均施加相同的sin(ωt)信号，并使得该电信号与上振子两根横梁上表面压电薄膜上施加的电信号具有-π/2相位差，即在对两根横梁上下表面的压电薄膜均施加-cos(ωt)信号，下振子将被激发出与B相振动模态振动方向相反的另一同形同频的工作模态，其中横梁呈现一阶纵向振动，且两根横梁的振动方向相反，圆环结构呈现具有两个节径的面内弯曲振动，两根横梁与圆环的连接处同时位于圆环结构的面内弯曲振动的波峰或波谷位置；当上振子工作在与A相振动模态振动方向相反的的另一同形同频的工作模态，下振子同时工作在与B相振动模态振动方向相反的的另一同形同频的工作模态，球形转子将受到下振子圆环结构施加的一个周期性变化的预压力和上振子圆环结构施加的对应的周期性变化的推动力，球形转子将绕X轴反向旋转。
当对调上下振子的工作模态，球形转子可实现绕Y轴的正向或反向旋转，因此可实现二自由度运动。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种二自由度球形超声电机，包括上振子（1）、下振子（3）和球形转子（2），其特征在于：
所述上振子（1）和下振子（3）结构相同，均包含圆环结构、两根横梁和四片压电薄膜（4），其中，两根横梁的一端均与所述圆环结构的外侧壁固定相连、轴线均指向所述圆环结构的圆心，且两根横梁的轴线之间的夹角为180°，四片压电薄膜（4）分别对称设置在所述两根横梁的上下表面，沿厚度方向极化，并且两根横梁上下表面设置的压电薄膜（4）的极化方向相反；
所述球形转子（2）设置在下振子（3）圆环结构的内圆环上，上振子（1）圆环结构的内圆环设置在球形转子（2）上，上振子（1）和下振子（3）呈正交平行分布。
2.根据权利要求1所述的二自由度球形超声电机，其特征在于，所述上振子（1）和下振子（3）中的压电薄膜（4）均通过镀层的方式设置在横梁上。
3.根据权利要求1所述的二自由度球形超声电机，其特征在于，所述上振子（1）、下振子（3）中圆环结构和横梁的横截面均为矩形。
4.根据权利要求1所述的二自由度球形超声电机，其特征在于，所述上振子（1）、下振子（3）中圆环结构和横梁的横截面均为圆形。
5.基于权利要求1所述的二自由度球形超声电机的控制方法，令下振子（3）中横梁所在的直线为X轴，上振子（1）横梁所在的直线为Y轴，其特征在于，控制球形转子（2）绕X轴转动的具体方法如下：
当需要驱动球形转子（2）绕X轴进行正向转动时：
步骤A.1）,对上振子（1）两根横梁上下表面的压电薄膜（4）分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜（4）上的电信号具有π相位差；
步骤A.2），对下振子（3）两根横梁上下表面的压电薄膜（4）均施加相同的电信号，并使得该电信号与上振子两根横梁上表面压电薄膜（4）上施加的电信号具有π/2相位差；
当需要驱动球形转子（2）绕X轴进行反向转动时：
步骤B.1），对上振子（1）两根横梁上下表面的压电薄膜（4）分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜（4）上的电信号具有-π相位差；
步骤B.2），对下振子（3）两根横梁上下表面的压电薄膜（4）均施加相同的电信号，并使得该电信号与上振子两根横梁上表面压电薄膜（4）上施加的电信号具有-π/2相位差。
6.根据权利要求5所述的二自由度球形超声电机的控制方法，其特征在于，控制球形转子（2）绕Y轴转动的具体方法如下：
当需要驱动球形转子（2）绕Y轴进行正向转动时：
步骤C.1），对下振子（3）两根横梁上下表面的压电薄膜（4）分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜（4）上的电信号具有π相位差；
步骤C.2），对上振子（1）两根横梁上下表面的压电薄膜（4）均施加相同的电信号，并使得该电信号与下振子两根横梁上表面压电薄膜（4）上施加的电信号具有π/2相位差；
当需要驱动球形转子（2）绕Y轴进行反向转动时：
步骤D.1），对下振子（3）两根横梁上下表面的压电薄膜（4）分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得两根横梁上表面的压电薄膜（4）上的电信号具有-π相位差；
步骤D.2），对上振子（1）两根横梁上下表面的压电薄膜（4）均施加相同的电信号，并使得该电信号与下振子两根横梁上表面压电薄膜（4）上施加的电信号具有-π/2相位差。
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