CN107968595B - 一种新型软体压电驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型软体压电驱动器，包括：固定壳体、输出轴、第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器，其中：固定壳体位置固定，三个压电驱动单元中的压电振子受到一定相位和幅值的驱动电压作用，中心轴受到压电驱动单元脚支座的摩擦力的作用运动，在三个压电驱动单元上施加不同的驱动电压，中心轴各扇形区域受到不同的摩擦力，不对称的摩擦力驱动中心轴产生不同的运动即轴向运动和弯曲变形。本发明实现了软体驱动，且具有环境适应能力强、高灵活性、人机交互性好和适合在复杂环境作业且结构简单、易于控制、无电磁干扰和响应快等优点。

Description

一种新型软体压电驱动器
技术领域
本发明属于压电驱动领域，具体涉及一种新型软体压电驱动器。
背景技术
针对刚体具有人机交互性差、复杂环境适应性差和灵活性差等缺点，软体驱动器具有无限自由度和连续变形能力、环境适应能力强、高灵活性、人机交互性好和适合在复杂环境作业等优点。软体驱动现有的驱动方式主要有气动驱动、拉线驱动、形状记忆合金驱动、电活性聚合物驱动和压电驱动，其中：气动驱动的气体具有可压缩性，响应特性复杂，密封性要求高；拉线驱动驱动结构复杂且需要相应的控制系统；形状记忆合金变形后需要时间散热才能进行下一次驱动，其驱动效率不高；电活性聚合物驱动存在应力松弛、电击穿和褶皱等多种失效形式。相比之下，压电驱动具有结构简单、易于控制、无电磁干扰和响应快等优点，因而，对软体的压电驱动进一步的探究必将进一步推动软体的应用。
发明内容
为了解决目前软体驱动结构和响应特性较为复杂，驱动效率不高的问题，提出了一种新型软体压电驱动器，该驱动器由固定壳体和中心轴组成，其特征在于还包括结构完全相同且均匀布置在中心轴的四周的第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器；其中所述中心轴由第一扇形区域、第二扇形区域和第三扇形区域复合而成且三个扇形区域端面固连；所述第一驱动器包括第一端侧连接板、第一压电驱动单元、压电振子连接板、第二压电驱动单元和第二端侧连接板且各构件依次连接，所述第一端侧连接板和第二端侧连接板分别与固定壳体连接；其中所述第一压电驱动单元由第一压电振子、第二压电振子、第一支撑腿、第二支撑腿和第三支撑腿组成，所述第一压电振子由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第二压电振子与第一压电振子结构完全相同且两压电振子相连，所述第一支撑腿一端垂直连接在第一压电振子与第一端侧连接板连接端的下表面，另一端为第一脚支座，所述第一脚支座由第一低摩擦系数材料和第一高摩擦系数材料复合而成且外端面为弧形，所述第二支撑腿一端垂直布置在第一压电振子和第二压电振子连接端的下表面，另一端为由第二低摩擦系数材料构成的第二脚支座，所述第三支撑腿一端垂直布置在第二压电振子与第一压电振子连接板连接端的下表面，另一端为由第三高摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料复合而成的第三脚支座，所述第三高摩擦系数材料与第一高摩擦系数材料完全相同且均布置在靠近第二支撑腿一侧，所述第一低摩擦系数材料、第二低摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料完全相同，所述三个脚支座都与中心轴的第一扇形区域相接触；所述第二压电驱动单元与第一压电驱动单元结构完全相同；所述第二驱动器和第三驱动器的脚支座分别与中心轴的和第二扇形区域和第三扇形区域相接触。
工作时，固定壳体位置固定，三个压电驱动单元中的压电振子受到一定相位和幅值的驱动电压作用，中心轴受到压电驱动单元脚支座的摩擦力的作用运动，在三个压电驱动单元上施加不同的驱动电压，中心轴各扇形区域受到不同的摩擦力，不对称的摩擦力驱动中心轴产生不同的运动即轴向运动和弯曲变形。轴向运动原理示意图如图(4)所示：第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器中各压电驱动单元中的第一压电振子首先受到幅值与相位相同的交变电压的驱动，中心轴在各驱动器脚支座摩擦力的作用下在一个周期内向右侧运动距离R0；弯曲变形原理示意图如图(5)所示：用原相位的驱动电压作用于第一驱动器中各压电驱动单元中的第一压电振子，同时用同相位的电压作用于第二驱动器和第三驱动器中各压电驱动单元中的第二压电振子，中心轴第一扇形区域受驱动力产生向右侧运动的趋势，第二扇形区域和第三扇形区域受驱动力产生向左侧运动的趋势，由于中心轴三个扇形区域端面固连，中心轴发生如图(5a)的弯曲变形。同理，在第二种驱动模式时，驱动第二驱动器编号为奇数的压电振子，第一驱动器和第三驱动器编号为偶数的压电振子时，中心轴发生如图(5b)的弯曲变形；在第二种驱动模式时，驱动第三驱动器编号为奇数的压电振子，第一驱动器和第二驱动器编号为偶数的压电振子时，中心轴发生如图(5c)的弯曲变形。
改变弯曲变形模式中作用于三个驱动器的压电振子的驱动电压的幅值和驱动周期个数，通过对驱动电压的控制，可实现三种基本弯曲变形的组合，中心轴的端部可以到达在曲面上任意位置。
中心轴的端部最终可到达的区域范围为一系列的半球面。
本发明具有环境适应能力强、高灵活性、人机交互性好和适合在复杂环境作业且结构简单、易于控制、无电磁干扰和响应快等优点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种新型软体压电驱动器，该驱动器由固定壳体和中心轴组成，其特征在于还包括结构完全相同且均匀布置在中心轴的四周的第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器；其中所述中心轴由第一扇形区域、第二扇形区域和第三扇形区域复合而成且三个扇形区域端面固连；所述第一驱动器包括第一端侧连接板、第一压电驱动单元、压电振子连接板、第二压电驱动单元和第二端侧连接板且各构件依次连接，所述第一端侧连接板和第二端侧连接板分别与固定壳体连接；其中所述第一压电驱动单元由第一压电振子、第二压电振子、第一支撑腿、第二支撑腿和第三支撑腿组成，所述第一压电振子由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第二压电振子与第一压电振子结构完全相同且两压电振子相连，所述第一支撑腿一端垂直连接在第一压电振子与第一端侧连接板连接端的下表面，另一端为第一脚支座，所述第一脚支座由第一低摩擦系数材料和第一高摩擦系数材料复合而成且外端面为弧形，所述第二支撑腿一端垂直布置在第一压电振子和第二压电振子连接端的下表面，另一端为由第二低摩擦系数材料构成的第二脚支座，所述第三支撑腿一端垂直布置在第二压电振子与第一压电振子连接板连接端的下表面，另一端为由第三高摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料复合而成的第三脚支座，所述第三高摩擦系数材料与第一高摩擦系数材料完全相同且均布置在靠近第二支撑腿一侧，所述第一低摩擦系数材料、第二低摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料完全相同，所述三个脚支座都与中心轴的第一扇形区域相接触；所述第二压电驱动单元与第一压电驱动单元结构完全相同；所述第二驱动器和第三驱动器的脚支座分别与中心轴的和第二扇形区域和第三扇形区域相接触。
工作时，固定壳体位置固定，三个压电驱动单元中的压电振子受到一定相位和幅值的驱动电压作用，中心轴受到压电驱动单元脚支座的摩擦力的作用运动，在三个压电驱动单元上施加不同的驱动电压，中心轴各扇形区域受到不同的摩擦力，不对称的摩擦力驱动中心轴产生不同的运动即轴向运动和弯曲变形。轴向运动原理示意图如图(4)所示：第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器中各压电驱动单元中的第一压电振子首先受到幅值与相位相同的交变电压的驱动，中心轴在各驱动器脚支座摩擦力的作用下在一个周期内向右侧运动距离R0；弯曲变形原理示意图如图(5)所示：用原相位的驱动电压作用于第一驱动器中各压电驱动单元中的第一压电振子，同时用同相位的电压作用于第二驱动器和第三驱动器中各压电驱动单元中的第二压电振子，中心轴第一扇形区域受驱动力产生向右侧运动的趋势，第二扇形区域和第三扇形区域受驱动力产生向左侧运动的趋势，由于中心轴三个扇形区域端面固连，中心轴发生如图(5a)的弯曲变形。同理，在第二种驱动模式时，驱动第二驱动器编号为奇数的压电振子，第一驱动器和第三驱动器编号为偶数的压电振子时，中心轴发生如图(5b)的弯曲变形；在第二种驱动模式时，驱动第三驱动器编号为奇数的压电振子，第一驱动器和第二驱动器编号为偶数的压电振子时，中心轴发生如图(5c)的弯曲变形。
改变弯曲变形模式中作用于三个驱动器的压电振子的驱动电压的幅值和驱动周期个数，通过对驱动电压的控制，可实现三种基本弯曲变形的组合，中心轴的端部可以到达在曲面上任意位置。
中心轴的端部最终可到达的区域范围为一系列的半球面。
本发明一种新型软体压电驱动器具有环境适应能力强、高灵活性、人机交互性好和适合在复杂环境作业且结构简单、易于控制、无电磁干扰和响应快等优点。
附图说明
图1是本发明一种新型软体压电驱动器三维结构示意图。
图2是本发明一种新型软体压电驱动器左视图结构示意图。
图3是本发明一种新型软体压电驱动器压电驱动单元结构示意图。
图4是本发明一种新型软体压电驱动器轴向运动过程示意图。
图5是本发明一种新型软体压电驱动器弯曲变形过程示意图。
具体实施方式
参照图1、图2、图3、图4和图5，本发明一种新型软体压电驱动器是由固定壳体1、中心轴2、第一驱动器3、第二驱动器4和第三驱动器5组成，其中：
所述中心轴2由第一扇形区域21、第二扇形区域22和第三扇形区域23复合而成且三个扇形区域端面固连；所述第一驱动器3包括第一端侧连接板31、第一压电驱动单元32、压电振子连接板33、第二压电驱动单元34和第二端侧连接板35且各构件依次连接，所述第一端侧连接板31和第二端侧连接板35分别与固定壳体1连接；其中所述第一压电驱动单元32由第一压电振子321、第二压电振子322、第一支撑腿323、第二支撑腿324和第三支撑腿325组成，所述第一压电振子321由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第二压电振子322与第一压电振子321结构完全相同且两压电振子相连，所述第一支撑腿323一端垂直连接在第一压电振子321与第一端侧连接板31连接端的下表面，另一端为第一脚支座3231，所述第一脚支座3231由第一低摩擦系数材料32311和第一高摩擦系数材料32312复合而成且外端面为弧形，所述第二支撑腿324一端垂直布置在第一压电振子321和第二压电振子322连接端的下表面，另一端为由第二低摩擦系数材料构成的第二脚支座3241，所述第三支撑腿325一端垂直布置在第二压电振子322与第一压电振子连接板33连接端的下表面，另一端为由第三高摩擦系数材料32511和第三低摩擦系数材料32512复合而成的第三脚支座3251，所述第三高摩擦系数材料32511与第一高摩擦系数材料32312完全相同且均布置在靠近第二支撑腿324一侧，所述第一低摩擦系数材料32311、第二低摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料32512完全相同，所述三个脚支座都与中心轴2的第一扇形区域21相接触；所述第二压电驱动单元34与第一压电驱动单元32结构完全相同；所述第二驱动器4和第三驱动器5的脚支座分别与中心轴2的和第二扇形区域22和第三扇形区域23相接触。
工作时，固定壳体位置固定，三个压电驱动单元中的压电振子受到一定相位和幅值的驱动电压作用，中心轴受到压电驱动单元脚支座的摩擦力的作用运动，在三个压电驱动单元上施加不同的驱动电压，中心轴各扇形区域受到不同的摩擦力，不对称的摩擦力驱动中心轴产生不同的运动即轴向运动和弯曲变形。轴向运动原理示意图如图(4)所示：第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器中各压电驱动单元中的第一压电振子首先受到幅值与相位相同的交变电压的驱动，中心轴在各驱动器脚支座摩擦力的作用下在一个周期内向右侧运动距离R0；弯曲变形原理示意图如图(5)所示：用原相位的驱动电压作用于第一驱动器中各压电驱动单元中的第一压电振子，同时用同相位的电压作用于第二驱动器和第三驱动器中各压电驱动单元中的第二压电振子，中心轴第一扇形区域受驱动力产生向右侧运动的趋势，第二扇形区域和第三扇形区域受驱动力产生向左侧运动的趋势，由于中心轴三个扇形区域端面固连，中心轴发生如图5(a)的弯曲变形。同理，在第二种驱动模式时，驱动第二驱动器编号为奇数的压电振子，第一驱动器和第三驱动器编号为偶数的压电振子时，中心轴发生如图5(b)的弯曲变形；在第二种驱动模式时，驱动第三驱动器编号为奇数的压电振子，第一驱动器和第二驱动器编号为偶数的压电振子时，中心轴发生如图5(c)的弯曲变形。
改变弯曲变形模式中作用于三个驱动器的压电振子的驱动电压的幅值和驱动周期个数，通过对驱动电压的控制，可实现三种基本弯曲变形的组合，中心轴的端部可以到达在曲面上任意位置。
中心轴的端部最终可到达的区域范围为一系列的半球面。
本发明具有环境适应能力强、高灵活性、人机交互性好和适合在复杂环境作业且结构简单、易于控制、无电磁干扰和响应快等优点。

Claims (1)

1.一种新型软体压电驱动器，包括：固定壳体(1)和中心轴(2)，其特征在于还包括结构完全相同且均匀布置在中心轴的四周的第一驱动器(3)、第二驱动器(4)和第三驱动器(5)；其中所述中心轴(2)由第一扇形区域(21)、第二扇形区域(22)和第三扇形区域(23)复合而成且三个扇形区域端面固连；所述第一驱动器(3)包括第一端侧连接板(31)、第一压电驱动单元(32)、压电振子连接板(33)、第二压电驱动单元(34)和第二端侧连接板(35)且各构件依次连接，所述第一端侧连接板(31)和第二端侧连接板(35)分别与固定壳体(1)连接；其中所述第一压电驱动单元(32)由第一压电振子(321)、第二压电振子(322)、第一支撑腿(323)、第二支撑腿(324)和第三支撑腿(325)组成，所述第一压电振子(321)由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第二压电振子(322)与第一压电振子(321)结构完全相同且两压电振子相连，所述第一支撑腿(323)一端垂直连接在第一压电振子(321)与第一端侧连接板(31)连接端的下表面，另一端为第一脚支座(3231)，所述第一脚支座(3231)由第一低摩擦系数材料(32311)和第一高摩擦系数材料(32312)复合而成且外端面为弧形，所述第二支撑腿(324)一端垂直布置在第一压电振子(321)和第二压电振子(322)连接端的下表面，另一端为由第二低摩擦系数材料构成的第二脚支座(3241)，所述第三支撑腿(325)一端垂直布置在第二压电振子(322)与第一压电振子连接板(33)连接端的下表面，另一端为由第三高摩擦系数材料(32511)和第三低摩擦系数材料(32512)复合而成的第三脚支座(3251)，所述第三高摩擦系数材料(32511)与第一高摩擦系数材料(32312)完全相同且均布置在靠近第二支撑腿(324)一侧，所述第一低摩擦系数材料(32311)、第二低摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料(32512)完全相同，所述三个脚支座都与中心轴(2)的第一扇形区域(21)相接触；所述第二压电驱动单元(34)与第一压电驱动单元(32)结构完全相同；所述第二驱动器(4)和第三驱动器(5)的脚支座分别与中心轴(2)的第二扇形区域(22)和第三扇形区域(23)相接触。
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