CN106982003A - 基于压电纤维的惯性驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于压电纤维的惯性驱动装置，包括致动器和两个质量块。致动器由压电纤维和预弯曲呈一定弧度的金属板粘接构成，压电纤维在交变电压作用下伸长变形，使金属板表面产生弯矩，金属板两端连接两个质量块，下方的质量块起到稳定及支撑作用，上方的质量块在运动的过程中产生惯性力。电信号激励下，压电纤维伸长变形，金属板带动上方质量块迅速向右摆动，产生向左的惯性冲击力，装置整体向左移动，然后改变输入的电信号，金属板复原，上方质量块左侧移动，装置恢复到原来的状态，完成一个运动周期。通过改变输入的电信号形式，也可使装置向右运动。本发明具有结构简单、易于实现、器件可靠性高、激励信号易于产生和控制等优点。
Description
技术领域
本发明属于精密机械驱动领域。应用于微型机器人驱动、微小型机械等方面。
背景技术
近年来，随着微纳米技术的迅猛发展，在生物医学工程、精密机械、机器人、计算机、自动控制、精密测量、精密器件微制造、超精密加工等技术领域对微小型机械的驱动技术的需求日益增多。作为微驱动技术的核心，微驱动技术在这种需求下成为人们关注的焦点。传统精密驱动主要采用机械式，如精密丝杠副及滚动滑动导轨、精密螺旋楔块机构等，但由于存在间隙、摩擦、爬行等问题，其精度很难满足要求，在这种条件下发展出许多新型的驱动方式，例如静电吸引式、电磁式、磁致伸缩式、形状记忆合金式以及压电式等。
压电驱动的工作原理主要是应用压电材料的逆压电效应，即当压电体受电场作用时会产生形变，与其他方式相比具有机电转化系数高、无电磁干扰、响应速度快等优点，而柔性压电纤维可以使用在曲面结构上，在新型智能材料方面具有广阔的应用前景。
另一方面惯性式压电驱动装置因其在工作行程、分辨率、工作频率、运动速度、频率响应、制造成本、受压电元件滞环蠕变影响程度等方面具有独特的优势，已经发展成为压电精密驱动的一个重要部分。现有的压电惯性驱动装置多采用非对称电信号作为激励信号，但这种驱动装置有信号不易于产生、机构不容易控制、有较大回退运动等缺点。鉴于目前压电惯性驱动装置所存在的问题，本发明提出一种基于压电纤维的惯性驱动装置，利用质量块产生的惯性冲击力，同时控制装置与接触面间的摩擦力，使压电驱动装置产生定向运动。具有结构简单、易于实现、器件可靠性高、无电磁干扰、激励信号易于产生和控制、装置可控性好等优点。
发明内容
本发明所需要解决的技术问题是：压电纤维(2)在电信号激励下伸长变形，驱动金属板(3)带动上方质量块1(1)摆动，利用质量块1(1)摆动过程中产生的惯性冲击力实现装置整体的运动。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
所述的压电纤维(2)与金属板(3)采用导电胶粘接。
所述的金属板(3)加工出一定弧度，从而使其具有更好的力学性能，端部加工成螺纹柱以便连接质量块1(1)、质量块2(4)。同时质量块1(1)和质量块2(4)均有对应螺纹孔。
所述的金属板(3)中部粘接压电纤维，两端分别与质量块1(1)质量块2(4)相连接。
对所述的基于压电纤维的惯性驱动装置输入激励信号，压电纤维(2)伸长变形，驱动金属板(3)带动质量块1(1)迅速向右摆动，然后改变电信号，金属板复原，质量块1(1)左侧移动，利用此过程中质量块1(1)运动时产生的惯性冲击力，实现装置向左运动。
对所述的基于压电纤维的惯性驱动装置输入激励信号，压电纤维(2)伸长变形，驱动金属板(3)带动质量块1(1)缓慢向右摆动，然后改变电信号，金属板快速复原，质量块1(1)迅速向左侧移动，产生向右的惯性冲击力，同时其离心惯性力减小了整个驱动装置与地面之间的正压力，也就是降低了驱动器与地面的摩擦力，装置整体向右移动。
本发明所述的基于压电纤维的惯性驱动器通过金属板(3)和压电纤维(2)相粘接的设计，有效减弱了结构的复杂程度，克服了装置不容易控制的缺点。达到了装置定向运动的目的。
附图说明
图1为基于压电纤维的惯性压电驱动装置的整体结构示意图；
图2为基于压电纤维的惯性压电驱动装置向左运动的运动示意图；
图3为基于压电纤维的惯性压电驱动装置向右运动的运动示意图；
图4为多个致动器共同作用于惯性压电驱动装置的示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种基于压电纤维的惯性驱动装置，是一种利用压电纤维的逆压电效应和惯性驱动原理驱动机构实现运动的新型驱动装置。如图1所示，预弯曲呈一定弧度的金属板(3)与压电纤维(2)粘接构成致动器，金属板(3)两端分别连接质量块1(1)和质量块2(4)，其中质量块2(4)起到稳定及支撑作用，质量块1(1)在运动的过程中产生惯性力。压电纤维与金属板之间采用导电胶并联粘接。金属板(3)加工出一定弧度，端部加工成螺纹柱以便连接质量块1(1)和质量块2(4)，质量块1(1)、质量块2(4)具有对应的螺纹孔。其中质量块2(4)长于质量块1(1)，使装置在运动的过程中更加稳定。金属板在粘接压电纤维时应有适当的预变形，达到增大质量块行程，从而利于储存动能的目的。
压电纤维(2)在电信号的作用下收缩变形，金属板(3)带动质量块1(1)迅速向右摆动，相应产生向左的惯性冲击力，同时其离心惯性力减小了整个装置与地面之间的正压力，也就是降低了驱动装置与地面的摩擦力，装置整体向左移动，然后改变电信号的输入，金属板复原，质量块1(1)左侧移动，装置恢复到原来的状态，完成一个运动周期，重复上述过程可以实现装置整体向左的连续运动。改变通入的电信号形式，压电纤维(2)收缩变形，驱动金属板(3)带动质量块1(1)缓慢向右摆动，然后改变电信号，金属板快速复原，质量块1(1)迅速向左摆动，产生向右的惯性冲击力，同时其离心惯性力减小了整个装置与地面之间的正压力，也就是降低了驱动装置与地面的摩擦力，装置整体向右移动，完成一个运动周期，重复上述过程可以实现装置整体向右的连续运动。
Claims (5)
1.一种基于压电纤维的惯性驱动装置，其包括质量块1(1)、压电纤维(2)、金属板(3)、质量块2(4)，其特征在于：动力源是具有柔性的压电纤维，预弯曲呈一定弧度的金属板与压电纤维粘接构成致动器，采用惯性驱动原理工作，电信号激励下，压电纤维伸长变形，金属板带动质量块1(1)迅速向右摆动，相应产生向左的惯性冲击力，同时其离心惯性力减小了整个驱动装置与地面之间的正压力，也就是降低了驱动装置与地面的摩擦力，装置整体向左移动，然后改变电信号的输入，金属板复原，质量块1(1)左侧移动，装置恢复原来的状态，完成一个运动周期，重复上述过程可以实现装置整体向左的连续运动。
2.根据权利要求1所述的基于压电纤维的惯性驱动装置，其特征在于：动力源是具有柔性的压电纤维，可以实现大挠度变形。
3.根据权利要求1所述的基于压电纤维的惯性驱动装置，其特征在于：金属板(3)具有一定的弧度，不是平板，与压电纤维(2)粘接构成致动器，提高了质量块1(1)的速度，利于储存动能。
4.根据权利要求1所述的基于压电纤维的惯性驱动装置，其特征在于：致动器可以有一个，也可以有多个分布在质量块2(4)上。
5.根据权利要求1所述的基于压电纤维的惯性驱动装置，其特征在于：质量块2(4)在实现惯性运动的同时，还减小了整个驱动装置与地面之间的正压力，也就是降低了驱动装置与地面的摩擦力。
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