CN105871248A - 一种具有复合脚支座的定向驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有复合脚支座的定向驱动器，包括：压电振子、第一支撑腿、第二支撑腿、第一脚支座和第二脚支座，其中：所述压电振子由弹性基板和贴在其上下表面的压电薄片材料组成；所述第一支撑腿和第二支撑腿为矩形薄板结构，具有一定的弹性，能够实现小角度的弯曲变形，分别布置在压电振子两端；所述第一脚支座和第二脚支座由两种具有不同摩擦系数的材质复合而成，分别布置在所述第一支撑腿和所述第二支撑腿上；该装置作为驱动器，主要用于软体机器人、探测救援、生物医疗等领域，具有结构简单、环境适应性强等优点。

Description

一种具有复合脚支座的定向驱动器
技术领域
本发明属于压电驱动领域，具体涉及一种具有复合脚支座的定向驱动器。
背景技术
随着科学技术的发展，微型驱动技术在超精密机械及其制造、精密测量、探测救援、生物医疗等学科领域中占据越来越重要的地位，各种形式各异的具有精密驱动、精密定位的新型驱动器被陆续开发出来。伴随着压电驱动技术的发展，以压电陶瓷为核心功能材料的驱动器在超精密定位驱动领域脱颖而出。压电陶瓷驱动器具有能量密度大、响应速度快、分辨率高、抗电磁干扰、耐低温真空环境等优势。然而，现有的压电式微型驱动器结构复杂、加工困难、不易更换易损易耗件，并且多为刚性结构，工作时驱动器直接与工作平面刚性接触，对工作环境的要求相对较高，因此设计一种结构简单、环境适应性强的微小型驱动器已十分重要。
发明内容
为了解决目前一般的微小型压电驱动器结构复杂、环境适应性差的问题，提出了一种具有复合脚支座的定向驱动器，该驱动器由压电振子、第一支撑腿、第二支撑腿、第一脚支座和第二脚支座构成，所述压电振子通电发生往复弯曲变形，使两个脚支座间距增加或减小，脚支座在往复运动过程中由于摩擦力的存在使得不同摩擦系数材质交替与工作面接触，因此脚支座正向和逆向运动时滑移距离不同，形成向低摩擦系数材质所在方向的驱动能力。本发明与现有的压电驱动器相比，磨损主要发生在两个脚支座并且失效后可以更换，因此维护成本低；另一方面，驱动器本身通过柔性体脚支座与工作面相接触，避免了刚性接触，对工作面的要求较低，提高了环境适应性和驱动能力，同时还能延长 驱动器中压电陶瓷的使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种具有复合脚支座的定向驱动器，包括：压电振子、第一支撑腿、第二支撑腿、第一脚支座和第二脚支座，其中：所述压电振子由弹性基板和贴在其上下表面的压电薄片材料组成；所述第一支撑腿和第二支撑腿为矩形薄板结构，大小形状完全相同；所述第一支撑腿和第二支撑腿具有一定的弹性，能够实现小角度的弯曲变形，弯曲变形的目的是为了使复合脚支座上不同摩擦系数材质更容易过渡切换；所述第一支撑腿一端的端面粘贴在所述压电振子第一端的下表面，另一端为自由端；所述第二支撑腿一端的端面粘贴在所述压电振子第二端的下表面，另一端为自由端；所述第一脚支座为柱体结构，由两种具有不同摩擦系数的材质复合而成，即由第一高摩擦系数材质和第一低摩擦系数材质对称粘接而成；所述第二脚支座的大小、结构、材质与所述第一脚支座完全相同；所述第一支撑腿的自由端与所述第一脚支座通过粘接的方式相连接；所述第二支撑腿的自由端与所述第二脚支座通过粘接的方式相连接；所述第一脚支座上的第一低摩擦系数材质与所述第二脚支座上的第二高摩擦系数材质相对布置，或所述第一脚支座上的第一高摩擦系数材质与所述第二脚支座上的第二低摩擦系数材质相对布置。
工作时，将驱动器放置在工作平面上，所述第一脚支座和第二脚支座与工作平面接触。在所述压电振子上施加交流电压使其发生往复弯曲变形，带动第一脚支座和第二脚支座相互靠近或相互远离。在脚支座移动过程中，脚支座受到与移动方向相反的摩擦力，摩擦力使脚支座和支撑腿发生一定的扭动，促使两个脚支座上不同摩擦系数的材质分别与工作面相接触，从而两个脚支座产生不同的滑移量。该驱动器的工作原理示意图如图3所示：该驱动器第一脚支座 和第二脚支座的左半侧部分分别为第一高摩擦系数材质和第二高摩擦系数材质，右半侧部分分别为第一低摩擦系数材质和第二低摩擦系数材质，当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，支撑腿和脚支座未发生扭动，如图3中a所示；当压电振子通电产生凹变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离，同时工作平面产生的摩擦力使驱动器两端的支撑腿和脚支座发生一定扭动，致使第一脚支座上的第一高摩擦系数材质与工作面接触，而第二脚支座上的第二低摩擦系数材质与工作面接触，因此当第一脚支座和第二脚支座相互远离时第一脚支座的滑移距离明显小于第二脚支座的滑移距离，如图3中b所示；当压电振子通电产生凸变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互靠近，此时工作平面产生的摩擦力方向发生改变，两侧的支撑腿和脚支座分别又产生一定的反方向扭动，此时第一脚支座上的第一低摩擦系数材质与工作面接触，而第二脚支座上的第二高摩擦系数材质与工作面接触，因此当第一脚支座和第二脚支座相互靠近时第一脚支座的滑移距离明显大于第二脚支座的滑移距离，如图3中c所示，此时完成一个工作循环；同理，当压电振子通电再次产生凹变形时，第一脚支座的滑移距离明显小于第二脚支座的滑移距离，如图3中d所示。在压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离或相互靠近，当第一脚支座和第二脚支座相互远离时，第二脚支座发生较大的滑移，当第一脚支座和第二脚支座相互靠近时，第一脚支座发生较大的滑移，因此在一个通电周期内驱动器会产生一个向右的总步长。在交变电压作用下，该驱动器实现定向的步进驱动能力。
附图说明
图1是本发明一种具有复合脚支座的定向驱动器结构示意图。
图2是本发明一种具有复合脚支座的定向驱动器安装关系示意图。
图3是本发明一种具有复合脚支座的定向驱动器工作原理示意图。
具体实施方式
参照图1、图2和图3，本发明一种具有复合脚支座的定向驱动器由压电振子1、第一支撑腿2、第二支撑腿3、第一脚支座4和第二脚支座5构成，其中：
所述压电振子1由弹性基板11和贴在其上下表面的压电薄片材料12组成；所述第一支撑腿2和第二支撑腿3为矩形薄板结构，大小形状完全相同；所述第一支撑腿2和第二支撑腿3具有一定的弹性，能够实现小角度的弯曲变形；所述第一支撑腿2一端的端面粘贴在所述压电振子1第一端的下表面，另一端为自由端；所述第二支撑腿3一端的端面粘贴在所述压电振子1第二端的下表面，另一端为自由端；所述第一脚支座4为柱体结构，由两种具有不同摩擦系数的材质复合而成，即由第一高摩擦系数材质41和第一低摩擦系数材质42对称粘接而成；所述第二脚支座5的大小、结构、材质与所述第一脚支座4完全相同；所述第一支撑腿2的自由端与所述第一脚支座4连接；所述第二支撑腿3的自由端与所述第二脚支座5连接；所述第一脚支座4上的第一低摩擦系数材质42与所述第二脚支座5上的第二高摩擦系数材质51相对布置。
工作时，将驱动器放置在工作平面上，所述第一脚支座4和第二脚支座5与工作平面接触。在所述压电振子1上施加交流电压使其发生往复弯曲变形，在变形的过程中，带动两个脚支座相互靠近或相互远离，脚支座在往复运动过程中由于摩擦力的存在使得不同摩擦系数材质交替与工作面接触，因此脚支座正向和逆向运动时滑移距离不同，形成向低摩擦系数材质所在方向的驱动能力。

Claims (1)

1.一种具有复合脚支座的定向驱动器，包括：压电振子(1)、第一支撑腿(2)、第二支撑腿(3)，其特征在于还包括两个相同的复合脚支座，即第一脚支座(4)和第二脚支座(5)，其中：所述压电振子(1)由弹性基板(11)和贴在其上下表面的压电薄片材料(12)组成；所述第一支撑腿(2)和第二支撑腿(3)为矩形薄板结构，大小形状完全相同；所述第一支撑腿(2)和第二支撑腿(3)具有一定的弹性，能够实现小角度的弯曲变形；所述第一支撑腿(2)一端的端面粘贴在所述压电振子(1)第一端的下表面，另一端为自由端；所述第二支撑腿(3)一端的端面粘贴在所述压电振子(1)第二端的下表面，另一端为自由端；所述第一脚支座(4)为柱体结构，由两种具有不同摩擦系数的材质复合而成，即由第一高摩擦系数材质(41)和第一低摩擦系数材质(42)对称粘接而成；所述第二脚支座(5)的大小、结构、材质与所述第一脚支座(4)完全相同；所述第一支撑腿(2)的自由端与所述第一脚支座(4)连接；所述第二支撑腿(3)的自由端与所述第二脚支座(5)连接；所述第一脚支座(4)上的第一低摩擦系数材质(42)与所述第二脚支座(5)上的第二高摩擦系数材质(51)相对布置，或所述第一脚支座(4)上的第一高摩擦系数材质(41)与所述第二脚支座(5)上的第二低摩擦系数材质(52)相对布置。
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