CN109450290A - 基于压电驱动的无侧翻失效作动器装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于压电驱动的无侧翻失效作动器装置及其工作方式，包括具有空间四足结构的基体，和粘贴于基体中央位置的上下两个平面上的压电陶瓷片。磷青铜基体由一块四角星形状的金属薄板折弯其四个尖角制成，相对的两个尖角同向折弯，相邻的两个尖端反向折弯。利用粘贴于压电陶瓷在正弦电信号作用下的振动合成效应，使尖足末端产生不完全相同的高频微幅的振动，由于基体结构的关系，只会有三个尖足同时着地，一个尖足悬空，始终存在一个尖足正面着地、两个尖足斜侧面着地的情况。利用三尖足着地方式的不同所产生的不同大小或方向的摩擦力的差值，可以实现作动器在接触面上的直线和转弯运动，完成预设的行进路径。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于压电驱动的无侧翻失效作动器装置及其特点，其属于超声领域、MEMS领域、压电技术领域。
背景技术：
作动器是实施振动主动控制的关键部件，是主动控制系统的重要环节。作动器的作用是按照确定的控制规律，来对控制对象施加控制力。近年来，在传统的流体作作动器、气体作动器和电器作动器的基础上，研究开发出了许多智能型作动器，例如压电陶瓷作动器、压电薄膜作动器、电致伸缩作动器、磁致伸缩作动器、形状记忆合金作动器、伺服作动器和电流变流体作动器等。这些作动器的出现，为实现高精度的振动主动控制提供了必要条件。同时，在航空航天领域，作动器是飞机操纵系统的执行机构，是飞行控制系统的重要组成部分，随着飞行控制技术的多样化，许多新型作动器也应运而生，例如直接驱动式作动器、电静液作动器、集成电液作动器、机电作动器以及光传灵巧作动器。其中，一部分压电作动器由于结构设计或者作动原理等方面的原因，需要添加额外的辅助装置以防止侧翻造成的作动失效。
发明内容：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种基于压电驱动的无侧翻失效作动器装置，由于其的结构特点，除了具有一般压电陶瓷作动器的特点外，还具有不怕侧翻的特点。
本发明为一种基于压电驱动的无侧翻失效作动器装置，包括具有空间四足结构的金属基体，和粘贴于所述基体中央平台位置处的至少一对压电陶瓷片。
进一步的，所述基体中央平台处的压电陶瓷片包括第一压电陶瓷片1和第二压电陶瓷片2，所述第一压电陶瓷片1和第二压电陶瓷片2分别设置于所述中心平台的两面相对位置上。
进一步的，所述基体3由一块厚度为a的四角星形薄板折弯其四个尖角制成，相对的两个尖角同向折弯，其中一对尖角弯折的角度为θ，另一对尖角反向折弯，角度为-θ，形成了所述基体3上的第一尖足4、第二尖足5、第三尖足6和第四尖足7，将四个尖足末端两两连线，即可构成一个正四面体形状；因此，当所述的磷青铜基体放置于平面上时，将始终处于三个尖足着地、一个尖足悬空的情况；将正面着地的尖足视为前足8，将斜侧面着地的两个尖足分别视为左侧足9和右侧足10，将悬空的尖足视为悬空足11。
本发明还提供上述作动器装置的控制方法，首先，对所述第一压电陶瓷片1和第二压电陶瓷片2施加相同的正弦电信号，利用压电陶瓷片的逆压电效应控制压电陶瓷片的形变，通过压电陶瓷片的形变激励整个磷青铜基体3产生形变，由于结构的关系，基体上的四个尖足末端形变产生的位移最大；其次，通过调节所施加电信号的频率，可以改变压电陶瓷的振动模态，从而改变基体的振动模态，使得四个足尖产生不完全相同的高频微幅振动，形成多种组合；在各个组合的振动模态的控制频率段附近调整所施加电信号的频率，可以改变四个尖足之间的振动幅度差异；最后，再利用着地的前足8、左侧足9和右侧足10着地角度的不同，使得着地的三个尖足与接触面作用所产生的摩擦力的大小或方向不同，从而最终产生驱使作动器产生直线运动所需的合力和产生转弯运动所需的合力矩。
进一步的，通过改变施加在所述第一压电陶瓷片1和第二压电陶瓷片2上的电信号的频率，在多个频率段内令所述第一尖足4和第二尖足5、第三尖足6和第四尖足7同时产生相对方向上的振动，称为面外振动模态；
在所述面外振动模态下，所述前足8对地面产生了竖直向下的作用力、左侧足9对地面产生斜向右后方的作用力F 9、右侧足10对地面产生斜向左后方的作用力F 10，通过在相应频率段内调节所施加电信号的频率值大小，可以改变力F 9和力F 10的相对大小，根据力的合成效应，当F 9=F 10时，将驱使作动器产生向前的直线运动，当F 9>F 10时作动器右转弯运动，当F 9<F 10时作动器左转弯运动。
进一步的，通过改变施加在所述第一压电陶瓷片1和第二压电陶瓷片2上的电信号的频率，在多个频率段内令所述第一尖足4和第二尖足5、第三尖足6和第四尖足7同时产生向同一个侧向方向上的振动，称为第一面内振动模态；
在所述第一面内振动模态，前足8产生的作用力F 8最大但是在往复振动中互相抵消，左侧足9对地面产生作用力F 9和右侧足10对地面产生作用力F 10交替出现，通过在相应频率段内调节所施加电信号的频率值大小，改变力F 9和力F 10的相对大小，根据力的合成效应，当F 9=F 10时，将驱使作动器在宏观上产生向后的直线运动，当F 9>F 10时作动器右倒车运动，当F 9<F 10时作动器左倒车运动，此时转弯运动的半径较小，并且可以调节出原地旋转的运动。
进一步的，通过调节对所述第一压电陶瓷片1和第二压电陶瓷片2所施加的电信号的频率，在多个频率段内令所述第一尖足4和第二尖足5、第三尖足6和第四尖足7的相邻两个尖足同时产生向不同侧向方向上振动的频率段，为第二面内振动模态；
在所述第二面内振动模态，前足8产生的作用力F 8最大但是在往复振动中互相抵消，左侧足9对地面产生作用力F 9和右侧足10对地面产生作用力F 10同时作用，通过在频率段内控制所施加电信号的频率值，改变力F 9和力F 10的相对大小，根据力的合成效应，当F 9= F 10时，将驱使作动器在宏观上产生向后的直线运动，当F 9> F 10时作动器右倒车运动，当F 9< F 10时作动器左倒车运动，此时转弯运动的半径较大。
本发明所达到的有益效果：本发明主要由一个空间四足结构的磷青铜基体构成，所述基体中央位置的上下两个平面上的正方形压电陶瓷片PZT-8。利用所述两片压电陶瓷在正弦电信号作用下的振动合成效应，使磷青铜基体的四个尖足末端产生不完全相同的高频微幅的振动，通过控制调节压电陶瓷的输入正弦电信号的幅值和频率，可以改变基体尖足末端的振动方向和振动幅度。当作动器置于平面上时，由于所述基体结构的关系，只会有三个尖足同时着地，一个尖足悬空，且无论哪三个尖足着地，该作动器都处于相同的着地模式，即在着地的三个尖足中，始终存在一个尖足正面着地、两个尖足斜侧面着地的情况。利用三尖足着地方式的不同所产生的不同大小或方向的摩擦力的差值，可以实现作动器在接触面上的直线和转弯运动，完成预设的行进路径。与一般压电陶瓷作动器相比，具有结构简单，安装方便，可实现多种运动模式，无侧翻失效等优点，同时在微型机器人领域也具有一定的发展前景。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的基体结构及加电方式示意图；
图3是本发明在体坐标系下的三视图；
图4是本发明在地面坐标系下的三视图；
图5是本发明的软件仿真部分结果图；
图6是本发明的运动方式示意图；
其中：
1-磷青铜基体；2-第一压电陶瓷片；3-第二压电陶瓷片；4-第一尖足；5-第二尖足；6-第三尖足；7-第四尖足；8-前足；9-左侧足；10-右侧足；11-悬空足。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参照图1所示，本发明基于压电驱动的无侧翻失效作动器装置包括具有空间四足结构的金属基体，本实施例中选取磷青铜基体，和粘贴于所述基体中央平台位置处的第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片PZT-8。参照图2所示，本发明的磷青铜基体由一块厚度为a的四角星形状薄板折弯其四个尖角制成，相对的两个尖角同向折弯，角度为θ，相邻的两个尖角反向折弯，角度为-θ，形成了所述磷青铜基体上的第一尖足、第二尖足、第三尖足和第四尖足，将四个尖足末端两两连线，即可构成一个正四面体形状。
参照图2所示，当所述的磷青铜基体放置于平面上时，将始终处于三个尖足着地、一个尖足悬空的情况。此时将正面着地的尖足视为前足，将斜侧面着地的两个尖足分别视为左侧足和右侧足，将悬空的尖足视为悬空足。由于基体结构的特点，无论作动器处于哪三个尖足着地的状态，都具有近乎相同的运动能力，不会因为侧翻而作动失效。
参照图3和图4所示，本发明基于压电驱动的无侧翻失效作动器装置的第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片在相同的正弦电信号的作用下，将使得磷青铜基体的第一尖足、第二尖足、第三尖足和第四尖足产生不完全相同的高频微幅振动，通过利用本发明着地的前足、左侧足和右侧足着地角度的不同，使得着地的三个尖足与接触面作用所产生的摩擦力的大小或方向不同，从而最终产生驱使作动器产生直线运动所需的合力以及产生转弯运动所需的合力矩。
参照图5所示，本发明基于压电驱动的无侧翻失效作动器装置的第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片在相同的正弦电信号的作用下，利用压电陶瓷片的逆压电效应控制压电陶瓷片的形变，通过压电陶瓷片的形变激励整个磷青铜基体产生形变，由于结构的关系，基体上的四个尖足末端形变产生的位移最大；其次，通过调节所施加电信号的频率，可以改变压电陶瓷的振动模态，从而改变基体的振动模态，使得磷青铜基体的第一尖足、第二尖足、第三尖足和第四尖足产生不完全相同的高频微幅振动，形成多种组合。其中，在多个频率段内可以令所述第一尖足和第二尖足、第三尖足和第四尖足同时产生相对方向上的振动，称为面外振动模态，如图5（a）所示；在多个频率段内可以令所述第一尖足和第二尖足、第三尖足和第四尖足同时产生向侧向方向上的振动，称为面内振动模态，如图5（b）所示。
本发明基于压电驱动的无侧翻失效作动器装置运动原理如下：
方式1：参照图6（a）所示，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片在相同的正弦电信号的作用下，可以找到一组使得所述第一尖足和第二尖足、第三尖足和第四尖足同时产生相对方向上振动的频率段，为面外振动模态。此时，可以近似认为前足对地面产生竖直向下的作用力、左侧足对地面产生斜向右后方的作用力F 9、右侧足对地面产生斜向左后方的作用力F 10，通过在相应频率段内调节所施加电信号的频率值大小，可以改变力F 9和力F 10的相对大小，根据力的合成效应，当F 9=F 10时，将驱使作动器产生向前的直线运动，当F 9>F 10时作动器右转弯运动，当F 9<F 10时作动器左转弯运动。
方式2：参照图6（b）所示，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片在相同的正弦电信号的作用下，可以找到一组使得所述第一尖足、和第二尖足、第三尖足和第四尖足同时产生向同一个侧向方向上振动的频率段，为面内振动模态的一种。此时，前足产生的作用力F 8最大但是在往复振动中互相抵消，左侧足对地面产生作用力F 9和右侧足对地面产生作用力F 10交替出现，通过在相应频率段内调节所施加电信号的频率值大小，改变力F 9和力F 10的相对大小，根据力的合成效应，当F 9=F 10时，将驱使作动器在宏观上产生向后的直线运动，当F 9>F 10时作动器右倒车运动，当F 9<F 10时作动器左倒车运动，此时转弯运动的半径较小，并且可以调节出原地旋转的运动。
方式3：参照图6（c）所示，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片在相同的正弦电信号的作用下，可以找到一组使得所述第一尖足和第二尖足、第三尖足和第四尖足的相邻两个尖足同时产生向不同侧向方向上振动的频率段，为另一种面内振动模态。此时，前足产生的作用力F 8最大但是在往复振动中互相抵消，左侧足对地面产生作用力F 9和右侧足对地面产生作用力F 10同时作用，通过在频率段内控制所施加电信号的频率值，改变力F 9和力F 10的相对大小，根据力的合成效应，当F 9= F 10时，将驱使作动器在宏观上产生向后的直线运动，当F 9> F 10时作动器右倒车运动，当F 9< F 10时作动器左倒车运动，此时转弯运动的半径较大。
本发明的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种基于压电驱动的无侧翻失效作动器装置，其特征在于：包括具有空间四足结构的金属基体，和粘贴于所述基体中央平台位置处的至少一对压电陶瓷片。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的无侧翻失效作动器装置，其特征在于：所述基体中央平台处的压电陶瓷片包括第一压电陶瓷片（1）和第二压电陶瓷片（2），所述第一压电陶瓷片（1）和第二压电陶瓷片（2）分别设置于所述中心平台的两面相对位置上。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的无侧翻失效作动器装置，其特征在于：所述基体（3）由一块厚度为a的四角星形薄板折弯其四个尖角制成，相对的两个尖角同向折弯，其中一对尖角弯折的角度为θ，另一对尖角反向折弯，角度为-θ，形成了所述基体（3）上的第一尖足（4）、第二尖足（5）、第三尖足（6）和第四尖足（7），将四个尖足末端两两连线，即可构成一个正四面体形状；因此，当所述的磷青铜基体放置于平面上时，将始终处于三个尖足着地、一个尖足悬空的情况；将正面着地的尖足视为前足（8），将斜侧面着地的两个尖足分别视为左侧足（9）和右侧足（10），将悬空的尖足视为悬空足（11）。
4.一种如权利要求1所述的基于压电驱动的无侧翻失效作动器装置的控制方法，其特征在于：首先，对所述第一压电陶瓷片（1）和第二压电陶瓷片（2）施加相同的正弦电信号，利用压电陶瓷片的逆压电效应控制压电陶瓷片的形变，通过压电陶瓷片的形变激励整个磷青铜基体（3）产生形变，由于结构的关系，基体上的四个尖足末端形变产生的位移最大；其次，通过调节所施加电信号的频率，可以改变压电陶瓷的振动模态，从而改变基体的振动模态，使得四个足尖产生不完全相同的高频微幅振动，形成多种组合；在各个组合的振动模态的控制频率段附近调整所施加电信号的频率，可以改变四个尖足之间的振动幅度差异；最后，再利用着地的前足（8）、左侧足（9）和右侧足（10）着地角度的不同，使得着地的三个尖足与接触面作用所产生的摩擦力的大小或方向不同，从而最终产生驱使作动器产生直线运动所需的合力和产生转弯运动所需的合力矩。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：通过改变施加在所述第一压电陶瓷片（1）和第二压电陶瓷片（2）上的电信号的频率，在多个频率段内令所述第一尖足（4）和第二尖足（5）、第三尖足（6）和第四尖足（7）同时产生相对方向上的振动，称为面外振动模态；
在所述面外振动模态下，所述前足（8）对地面产生了竖直向下的作用力、左侧足（9）对地面产生斜向右后方的作用力F 9、右侧足（10）对地面产生斜向左后方的作用力F 10，通过在相应频率段内调节所施加电信号的频率值大小，可以改变力F 9和力F 10的相对大小，根据力的合成效应，当F 9=F 10时，将驱使作动器产生向前的直线运动，当F 9>F 10时作动器右转弯运动，当F 9<F 10时作动器左转运动。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：通过改变施加在所述第一压电陶瓷片（1）和第二压电陶瓷片（2）上的电信号的频率，在多个频率段内令所述第一尖足（4）和第二尖足（5）、第三尖足（6）和第四尖足（7）同时产生向同一个侧向方向上的振动，称为第一面内振动模态；
在所述第一面内振动模态，前足（8）产生的作用力F 8最大但是在往复振动中互相抵消，左侧足（9）对地面产生作用力F 9和右侧足（10）对地面产生作用力F 10交替出现，通过在相应频率段内调节所施加电信号的频率值大小，改变力F 9和力F 10的相对大小，根据力的合成效应，当F 9=F 10时，将驱使作动器在宏观上产生向后的直线运动，当F 9>F 10时作动器右倒车运动，当F 9<F 10时作动器左倒车运动，此时转弯运动的半径较小，并且可以调节出原地旋转的运动。
7.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：通过调节对所述第一压电陶瓷片（1）和第二压电陶瓷片（2）所施加的电信号的频率，在多个频率段内令所述第一尖足（4）和第二尖足（5）、第三尖足（6）和第四尖足（7）的相邻两个尖足同时产生向不同侧向方向上振动的频率段，为第二面内振动模态；
在所述第二面内振动模态，前足（8）产生的作用力F 8最大但是在往复振动中互相抵消，左侧足（9）对地面产生作用力F 9和右侧足（10）对地面产生作用力F 10同时作用，通过在频率段内控制所施加电信号的频率值，改变力F 9和力F 10的相对大小，根据力的合成效应，当F 9= F 10时，将驱使作动器在宏观上产生向后的直线运动，当F 9> F 10时作动器右倒车运动，当F 9< F 10时作动器左倒车运动，此时转弯运动的半径较大。
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2018
- 2018-10-31 CN CN201811284977.5A patent/CN109450290A/zh active Pending
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