CN107919812B - 一种基于压电精密驱动的直线双向作动器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电精密驱动的直线双向作动器及其工作方法，作动器主要由磷青铜基体、位于磷青铜基体上端面的压电陶瓷片和连接杆构成。传统作动器大多结构复杂，且多为旋转型作动器，难以微型化。本发明的作动器由一对磷青铜基体对置并由连接杆连接而成，磷青铜基体结构不对称，分别对两磷青铜基体上的压电陶瓷片施加正余弦电压可实现装置在直线上的双向运动。本发明的基于压电精密驱动的直线双向作动器结构简单，易于微型化，可用于消化道内窥镜中的活检通道进行药物供给、医疗器械如活检钳的移动等场景，实现在预定轨道上平稳、可靠、精确、可控地双向运动以及微小通道中的进给动作。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，更确切的说，是一种基于压电精密驱动的直线双向作动器及其工作方法。
背景技术
随着现代医学技术的发展，精准外科越来越受到广泛的关注。有别于经验主导的粗放式的传统外科，精准外科的实现依托于现代科技，尤其是高科技的精密医疗器械。通过医疗器械的辅助精准定位，确定病灶的准确位置从而进行有针对性的治疗。这样不仅可减少医疗资源的浪费，还可以减轻患者的痛苦。
现有医疗器械一般采用作动器作为实施主动控制的部件进行定位，该部件随着医学应用的需要越来越趋于微型化、高精密度。现有的应用于医疗器械上的压电陶瓷作动器、电致伸缩作动器、磁致伸缩作动器和形状记忆合金作动器等，他们大多结构复杂且多为旋转型作动器，难以微型化。
上述作动器中，压电陶瓷作动器采用压电精密驱动技术，相对于采用其他技术的作动器具有易于微型化以及无电磁干扰等优势，非常适合作为驱动部件用于精密医疗器械中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种易于微型化、结构简单、易于加工、功能齐全、操作方便、应用面广的基于压电精密驱动的直线双向作动器及其工作方法，发明的作动器属于压电陶瓷作动器。
本发明采用如下技术方案：
一种基于压电精密驱动的直线双向作动器，包括：第一磷青铜基体、安装于第一磷青铜基体上的第一压电陶瓷片、连接第一磷青铜基体和第二磷青铜基体的连接杆、安装于第二磷青铜基体上的第二压电陶瓷片。
所述第一磷青铜基体的下部开有沟槽，形成第一磷青铜基体的双足。
所述第二磷青铜基体的下部开有沟槽，形成第二磷青铜基体的双足。
所述第一压电陶瓷片非对称地安装在所述第一磷青铜基体上端面，所述第二压电陶瓷片非对称地安装在所述第二磷青铜基体上端面。
优选地，连接杆为刚性杆。
优选地，所述第一磷青铜基体与所述第二磷青铜基体的两侧分别由一根连接杆连接，且连接杆不连接在第一磷青铜基体的双足或第二磷青铜基体的双足上。
优选地，所述第一磷青铜基体下部的第一磷青铜基体的双足和所述第二磷青铜基体下部的第二磷青铜基体的双足均有倾角，第一磷青铜基体的双足倾角倾斜方向相同，第二磷青铜基体的双足倾角倾斜方向相同。
优选地，所述第一磷青铜基体和所述第二磷青铜基体均为非对称结构。
优选地，所述第一磷青铜基体与第二磷青铜基体的结构相同、布置方向相反。
优选地，所述第一压电陶瓷片紧贴所述第一磷青铜基体的上端边缘安装，并远离所述第一磷青铜基体和第二磷青铜基体的相对端；所述第二压电陶瓷片紧贴所述第二磷青铜基体上端边缘安装，并远离所述第一磷青铜基体和第二磷青铜基体的相对端。
优选地，所述第一磷青铜基体下部开有直角梯形槽，第一磷青铜基体位于所述直角梯形槽直槽面一端的端面开斜切面，所述直角梯形槽与第一磷青铜基体的两端面形成第一磷青铜基体的双足；所述第二磷青铜基体下部开有直角梯形槽，第二磷青铜基体位于所述直角梯形槽直槽面一端的端面开斜切面，所述直角梯形槽与第一磷青铜基体的两端面形成第二磷青铜基体的双足。第一磷青铜基体位于第一磷青铜基体下方直角梯形槽斜槽面一端的端面与第二磷青铜基体位于第二磷青铜基体下方直角梯形槽斜槽面一端的端面相对。
一种基于压电精密驱动的直线双向作动器的工作方法，包括如下步骤：
步骤1，第一压电陶瓷片在正余弦电压的作用下，使第一磷青铜基体双足产生同向的高频摆动，由于其双足具有一定角度的倾角，结构不对称，使第一磷青铜基体产生定向移动，通过连接杆带动整个作动器定向移动；
步骤2，第二压电陶瓷片在正余弦电压的作用下，使第二磷青铜基体双足产生同向的高频摆动，由于其双足具有一定角度的倾角，结构不对称，且第二磷青铜基体布置方向与第一磷青铜基体相反，故产生与步骤 1 相反方向的移动，通过连接杆带动整个作动器定向移动；
步骤3，通过给第一压电陶瓷片加正余弦电压，使整个作动器如步骤 1进行运动，通过给第二压电陶瓷片加正余弦电压，使整个作动器如步骤 2进行与步骤 1相反方向的运动；
步骤4，根据操作者需要，通过控制给第一压电陶瓷片或者第二压电陶瓷片加正余弦电场来控制作动器的移动，并通过对作动器位置实时监测，以达到精准定位。
本发明的有益效果在于：
本发明具有双基体串联结构优势，易于微型化，结构简单易加工，操作方便，适用性强。通过施加正余弦电场的控制方法实现作动器在直线上的双向往返运动，实现作动器在消化道内窥镜活检通道或其他微小通道中的精密驱动和定位目标装置，安全、可靠、可控，提高了工作效率和精度。
附图说明
图1是本发明的直线双向作动器结构示意图。
图2是本发明的直线双向作动器工作方法示意图。
图3 是本发明磷青铜基体工作示意图。
图1中：1-第一磷青铜基体；2-第一压电陶瓷片；3-连接杆；4第二磷青铜集体；5-第二压电陶瓷片；6-第一磷青铜基体的双足；7-第二磷青铜基体的双足。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示本发明的直线双向作动器，包括第一磷青铜基体1、安装于第一磷青铜基体1上的第一压电陶瓷片2、连接第一磷青铜基体1和第二磷青铜基体4的连接杆3、安装于第二磷青铜基体4上的第二压电陶瓷片5、第一磷青铜基体的双足6和第二磷青铜基体的双足7。
连接杆3为刚性杆，第一磷青铜基体1与第二磷青铜基体4的两侧分别由一根连接杆3连接，且连接杆3连接位置尽量远离第一磷青铜基体的双足6和第二磷青铜基体的双足7，减少对双足振动的影响。
第一压电陶瓷片2紧贴第一磷青铜基体1的上端边缘安装，并远离第一磷青铜基体1和第二磷青铜基体4的相对端；第二压电陶瓷片5紧贴第二磷青铜基体4上端边缘安装，并远离第一磷青铜基体1和第二磷青铜基体4的相对端。
第一磷青铜基体1与第二磷青铜基体4的结构相同、大小一致、布置方向相反并且均为非对称结构。第一磷青铜基体1下部开有直角梯形槽，第一磷青铜基体1位于所述直角梯形槽直槽面一端的端面开斜切面，所述直角梯形槽与第一磷青铜基体的两端面形成第一磷青铜基体的双足6；第二磷青铜基体4下部开有直角梯形槽，第二磷青铜基体4位于所述直角梯形槽直槽面一端的端面开斜切面，所述直角梯形槽与第二磷青铜基体4的两端面形成第二磷青铜基体的双足7。第一磷青铜基体的双足6和第二磷青铜基体的双足7相对水平面均有倾角，第一磷青铜基体的双足6倾角角度大小与倾斜方向相同，第二磷青铜基体的双足7倾角角度大小与倾斜方向相同。
第一磷青铜基体1位于第一磷青铜基体1下方直角梯形槽斜槽面一端的端面与第二磷青铜基体4位于第二磷青铜基体4下方直角梯形槽斜槽面一端的端面正相对。
第一磷青铜基体1与第二磷青铜基体4关于第一磷青铜基体1与第二磷青铜基体4的中心垂直轴平面镜像对称。
如图2所示的本发明的作动器的工作方法，包括如下步骤：
步骤1，第一压电陶瓷片2在正余弦电压的作用下，使第一磷青铜基体1双足产生同向的高频摆动，由于其双足具有一定角度的倾角，结构不对称，使第一磷青铜基体1产生定向移动，通过连接杆3带动整个作动器定向移动；
步骤2，第二压电陶瓷片5在正余弦电压的作用下，使第二磷青铜基体4双足产生同向的高频摆动，由于其双足具有一定角度的倾角，结构不对称，且第二磷青铜基体4布置方向与第一磷青铜基体1相反，故产生与步骤 1 相反方向的移动，通过连接杆3带动整个作动器定向移动；
步骤3，通过给第一压电陶瓷片2加正余弦电压，使整个作动器如步骤 1进行运动，通过给第二压电陶瓷片5加正余弦电压，使整个作动器如步骤 2进行与步骤 1相反方向的运动；
步骤 4，根据操作者需要，通过控制给第一压电陶瓷片或者第二压电陶瓷片加正余弦电场来控制作动器的移动，并通过对作动器位置实时监测，以达到精准定位。
如图3所示单个磷青铜基体的工作示意图，给压电陶瓷片外加正余弦交变电场，使其产生高频振动，激起磷青铜基体二阶弯振模态，使其双足同向摆动。由于在设计中的双足在同侧有一定的倾角，使得双足在向无倾角边（图3左侧）摆动时整体重心下移，而不产生横移；当双足向倾角方向（图3右侧）摆动时重心上移同时向无倾角边方向产生横移。
本发明的工作原理在于：
第一压电陶瓷片2在正余弦电压的作用下，使第一磷青铜基体的双足6产生同向的高频摆动，由于第一磷青铜基体1结构不对称，其双足具有一定角度的倾角，使第一磷青铜基体1产生定向移动，通过连接杆3带动整个作动器定向移动。第二压电陶瓷片5在正余弦电压的作用下，使第二磷青铜基体的双足7产生同向的高频摆动，由于第二磷青铜基体4结构不对称，其双足具有一定角度的倾角，且第二磷青铜基体4布置方向与第一磷青铜基体1相反，故产生相反方向的移动，通过连接杆3带动整个作动器定向移动。通过控制给第一压电陶瓷片2供电或给第二压电陶瓷片5供电来控制作动器的运动方向。
应当指出的是以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，如第一磷青铜基体1与第二磷青铜基体4对调位置、第一压电陶瓷片2与第二压电陶瓷片5对调位置、第一磷青铜基体1与第二磷青铜基体4的连接采用其他刚性连接方式、改变第一磷青铜基体1与第二磷青铜基体4的相对大小等，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于压电精密驱动的直线双向作动器，其特征在于,包括:第一磷青铜基体（1）、安装于第一磷青铜基体（1）上的第一压电陶瓷片（2）、连接第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（4）的连接杆（3）、安装于第二磷青铜基体（4）上的第二压电陶瓷片（5）；
第一磷青铜基体（1）的下部开有沟槽，形成第一磷青铜基体的双足(6)；
第二磷青铜基体（4）的下部开有沟槽，形成第二磷青铜基体的双足(7)；
第一压电陶瓷片（2）非对称地安装在第一磷青铜基体（1）上端面，第二压电陶瓷片（5）非对称地安装在第二磷青铜基体（4）上端面；
第一磷青铜基体（1）下部开有直角梯形槽，第一磷青铜基体（1）位于所述直角梯形槽直槽面一端的端面开斜切面，所述直角梯形槽与第一磷青铜基体（1）的两端面形成第一磷青铜基体的双足（6）；
第二磷青铜基体（4）下部开有直角梯形槽，第二磷青铜基体（4）位于所述直角梯形槽直槽面一端的端面开斜切面，所述直角梯形槽与第二磷青铜基体（4）的两端面形成第二磷青铜基体的双足（7）；
第一磷青铜基体（1）位于第一磷青铜基体（1）下方直角梯形槽斜槽面一端的端面与第二磷青铜基体（4）位于第二磷青铜基体（4）下方直角梯形槽斜槽面一端的端面相对。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电精密驱动的直线双向作动器，其特征在于，连接杆（3）为刚性杆。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电精密驱动的直线双向作动器，其特征在于，第一磷青铜基体（1）与第二磷青铜基体（4）的两侧分别由一根连接杆（3）连接,且连接杆（3）不连接在第一磷青铜基体的双足(6)或第二磷青铜基体的双足(7)上。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电精密驱动的直线双向作动器，其特征在于，第一磷青铜基体（1）下部的第一磷青铜基体的双足(6)和第二磷青铜基体（4）下部的第二磷青铜基体的双足(7)均有倾角，第一磷青铜基体的双足(6)倾角倾斜方向相同，第二磷青铜基体的双足(7)倾角倾斜方向相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电精密驱动的直线双向作动器，其特征在于，第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（4）均为非对称结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于压电精密驱动的直线双向作动器，其特征在于，第一磷青铜基体（1）与第二磷青铜基体（4）的结构相同、布置方向相反。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电精密驱动的直线双向作动器，其特征在于，第一压电陶瓷片（2）紧贴第一磷青铜基体（1）的上端边缘安装，并远离第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（4）的相对端；
第二压电陶瓷片（5）紧贴第二磷青铜基体（4）上端边缘安装，并远离第一磷青铜基体（1）和第二磷青铜基体（4）的相对端。
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