CN109617449A - 基于压电驱动的六足作动器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于压电驱动的六足作动器及其工作方法，涉及超声、MEMS领域、压电技术领域，能够实现平面上的常规运动，还能在倾翻后依旧保持运动能力。本发明的作动器包括：丝杆、第一磷青铜基体、钛合金基体、第二磷青铜基体、金属足、磷青铜圆环、环形压电陶瓷片、第一压电陶瓷片组、第二压电陶瓷片组。作动器的工作方式包括正常工作方式和倾翻后的工作方式。本发明由于装置的结构特点，除了能实现平面上的常规运动外，还具有在因为外界不可抗力作用下倾翻后依旧保持运动能力的功能，能够在一定程度的不稳定环境得到应用，同时在微型机器人领域也具有一定的发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及超声、MEMS领域、压电技术领域，尤其涉及基于压电驱动的六足作动器及其工作方法。
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。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，不同类别的作动器适用于不同的场合，用于完成不同的任务目标。
然而,现有技术的中的作动器需要在稳定的环境下才能工作,在发生倾翻后即丧失运动能力,不能完成预定动作。
因此，现有技术中缺乏一种作动器，在外界不可抗力作用下倾翻后依旧保持运动能力的功能，能够在一定程度的不稳定环境得到应用。
发明内容
本发明提供了基于压电驱动的六足作动器及其工作方法，不仅能够实现平面上的常规运动，还能在倾翻后依旧保持运动能力。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于压电驱动的六足作动器，包括：丝杆、第一磷青铜基体、钛合金基体、第二磷青铜基体、金属足、磷青铜圆环、环形压电陶瓷片、第一压电陶瓷片组、第二压电陶瓷片组。
钛合金基体为长方体，内部设置圆形通孔，通孔内部设置螺纹和丝杆配合连接。钛合金基体的四个侧面上粘贴四片形状大小相同的压电陶瓷片，相对两片为一个压电陶瓷片组，具有相同的极化方向,即为第一压电陶瓷片组和第二压电陶瓷片组。
丝杆穿过第一磷青铜基体，钛合金基体一端和第一磷青铜基体固定连接。丝杆穿过第二磷青铜基体，第二磷青铜基体设置在钛合金基体的另一端，第二磷青铜基体和丝杆固定连接。
第一磷青铜基体和第二磷青铜基体形状大小均相同，包括金属足、磷青铜圆环、环形压电陶瓷片。磷青铜圆环圆周上设置三个金属足，金属足设置位置之间的圆周角为120°，磷青铜圆环背向钛合金基体的一侧粘贴环形压电陶瓷片。
进一步的，第一压电陶瓷片组和第二压电陶瓷片组是长方形。
进一步的，第一压电陶瓷片组和第二压电陶瓷片组采用的材料为PZT8。
基于压电驱动的六足作动器的工作方法，适用于作动器正常工作状态，包括：
S1、向第一压电陶瓷片组和第二压电陶瓷片组同时施加相位差为90°的正弦电信号，改变正弦电信号的频率，频率范围为10-150 kHz，找到钛合金基体的工作频率；
S2、在工作频率正弦电信号的作用下，利用第一压电陶瓷片组和第二压电陶瓷片组的逆压电效应，激励钛合金基体产生微幅高频的扭转运动；
S3、钛合金基体的微幅高频的扭转运动对丝杆产生圆周切向上的作用力，由于存在螺纹配合的关系，促使丝杆旋转的同时产生向左或向右的直线运动；
S4、丝杆运动的时候，改变第一磷青铜基体和第二磷青铜基体的距离和金属足在周向上的夹角。
基于压电驱动的六足作动器的工作方法，包括：
S1、分别向第一磷青铜基体和第二磷青铜基体上的环形压电陶瓷片施加正弦电信号，通过改变所施加的电信号的频率,频率范围为10-150kHz，分别找到第一磷青铜基体和第二磷青铜基体各自的工作频率。
S2、利用环形压电陶瓷片的逆压电效应，依据第一磷青铜基体和第二磷青铜基体各自的工作频率向其施加激励信号，分别激励第一磷青铜基体和第二磷青铜基体上的金属足产生高频微幅振动，不同的激励信号驱使金属足产生不同方向上的微幅振动，包括单一方向和多向合力的微幅振动。
S3、利用金属足在地面上振动时与地面作用面产生的摩擦力，以及不同的着地金属足与地面形成的摩擦力的合力和合力矩来驱使作动器运动。
进一步的，初始位置为第一磷青铜基体与第二磷青铜基体共轴，第一磷青铜基体的金属足与第二磷青铜基体的金属足在周向上具有60°的夹角。即第一磷青铜基体上的金属足有两个着地，第二磷青铜基体上的金属足有一个着地，或者第二磷青铜基体上的金属足有两个着地，第一磷青铜基体上的金属足有一个着地，且分别具有不同的着地角度。
进一步的，环形压电陶瓷片具有第一工作频率和第二工作频率，第一工作频率能够使金属足产生圆周法向上的振动，第二工作频率能够使金属足产生圆周切向上的振动。
向环形压电陶瓷片施加具有第一工作频率的正弦电信号，金属足产生圆周法向方向上的振动，所述作动器在初始状态下将在接触面上产生直线运动；
向环形压电陶瓷片施加具有第二工作频率的正弦电信号，金属足产生圆周切向方向上的振动时，所述作动器在初始状态下将在接触面上产生转弯运动。
进一步的，调节所述激励信号的频率，能够改变所述作动器转弯运动的转弯半径和转弯方向。
进一步的，改变第一磷青铜基体和第二磷青铜基体上金属足位置的相对夹角，能够改变所述作动器转弯运动的转弯半径和转弯方向。
基于压电驱动的六足作动器的工作方法，适用于作动器倾翻后，第一磷青铜基体或第二磷青铜基体的三个金属足均着地时，对靠近地面一侧的环形压电陶瓷片施加电信号，与地面接触的金属足振动，对接触面产生的作用力，作动器平面移动。此时，丝杆、钛合金基体和第一磷青铜基体或第一磷青铜基体一并视为负载，此时由于作动器的重心位置、负载本身所具有的振动和实际加工误差等方面影响，三个金属足的振动对接触面所产生的作用力的大小和方向并不完全相等，因此此时作动器同样具有一定的平面运动能力。
本发明的有益效果是：
本发明利用压电陶瓷片在正弦电信号的作用下激发出金属体的振动模态，使得金属足的末端分别产生肉眼不可见的微幅振动；通过调节所施加的正弦电信号的幅值和频率，可以改变两个磷青铜基体之间的相对夹角和着地金属足的振动方式，从而改变作动器与接触面之间产生的摩擦合力与合力矩的大小或方向，从而改变作动器的运动方式。本发明由于装置的结构特点，除了能实现平面上的常规运动外，还具有在因为外界不可抗力作用下倾翻后依旧保持运动能力的功能，能够在一定程度的不稳定环境得到应用，同时在微型机器人领域也具有一定的发展前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是磷青铜基体的结构示意图；
图3是钛合金基体的结构示意图；
图4是本发明的装配示意图；
图5是本发明的标准三视图；
图6是钛合金基体的工作示意图；
图7是磷青铜基体的工作示意图。
其中，1-丝杆、2-第一磷青铜基体、3-钛合金基体、4-第二磷青铜基体、5-金属足、6-磷青铜圆环、7-环形压电陶瓷片、8-第一压电陶瓷片组、9-第二压电陶瓷片组。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例提供了基于压电驱动的六足作动器装置，包括：丝杆1、第一磷青铜基体2、钛合金基体3、第二磷青铜基体4、金属足5、磷青铜圆环6、环形压电陶瓷片7、第一压电陶瓷片组8、第二压电陶瓷片组9。
钛合金基体3为长方体，内部设置圆形通孔，通孔内部设置螺纹和丝杆1配合连接。钛合金基体3的四个侧面上粘贴四片形状大小相同的陶瓷片，即为第一压电陶瓷片组8和第二压电陶瓷片组9，每一组陶瓷片相对粘贴，并且具有相同的极化方向。丝杆1穿过第一磷青铜基体2，钛合金基体3一端和第一磷青铜基体2固定连接。丝杆1穿过第二磷青铜基体4，第二磷青铜基体4设置在钛合金基体3的另一端，第二磷青铜基体4和丝杆2固定连接。
第一磷青铜基体2和第二磷青铜基体4形状大小均相同，包括金属足5、磷青铜圆环6、环形压电陶瓷片7。磷青铜圆环6圆周上设置三个金属足5，金属足5设置位置之间的圆周角为120°，磷青铜圆环6背向钛合金基体3的一侧粘贴环形压电陶瓷片7。
本实施例开公开了基于压电驱动的六足作动器的工作方法，所述作动器正常工作，工作方法包括：
当第一磷青铜基体2有两个金属足5着地，而第二磷青铜基体4有一个金属足5着地时，通过分别调节施加到第一磷青铜基体2和第二磷青铜基体4上环形压电陶瓷片7上正弦电信号的频率和幅值即可促使作动器产生运动。
当分别使得第一磷青铜基体2和第二磷青铜基体5上的三个金属足5产生以圆周法向方向上为主的振动时，将使得作动器在接触面上产生直线运动；当分别使得第一磷青铜基体2和第二磷青铜基体4上的三个金属足5产生以圆周切向方向上为主的振动时，将使得作动器在接触面上产生转弯运动，此时通过调节所施加电信号的频率，或通过钛合金基体3在一定程度上来调节第一磷青铜基体2和第二磷青铜基体4的相对夹角，即可改变作动器转弯运动的转弯半径和转弯方向。
所述作动器倾翻后，工作方法包括：
由于结构的特点，当作动器由于外界的不可抗力产生侧向倾倒或者翻滚时，能够在作动器稳定之后依旧保持三个金属足5着地的工作姿态。三个金属足5着地的姿态时，丝杆1、钛合金基体3和第二磷青铜基体4可视为第一磷青铜基体上2的负载，此时由于作动器的重心位置、负载本身所具有的振动和实际加工误差等方面影响，第一磷青铜基体2着地的三个金属足5的振动对接触面所产生的作用力的大小和方向并不完全相等，因此此时作动器同样具有一定的平面运动能力，反之第二磷青铜基体4的三个金属足5着地时也具有同样的情况。
对靠近地面一侧的环形压电陶瓷片7施加电信号，与地面接触的金属足5振动，对接触面产生的作用力，作动器平面移动。
本发明的有益效果是：
本发明利用压电陶瓷片在正弦电信号的作用下激发出金属体的振动模态，使得金属足的末端分别产生肉眼不可见的微幅振动；通过调节所施加的正弦电信号的幅值和频率，可以改变两个磷青铜基体之间的相对夹角和着地金属足的振动方式，从而改变作动器与接触面之间产生的摩擦合力与合力矩的大小或方向，从而改变作动器的运动方式。本发明由于装置的结构特点，除了能实现平面上的常规运动外，还具有在因为外界不可抗力作用下倾翻后依旧保持运动能力的功能，能够在一定程度的不稳定环境得到应用，同时在微型机器人领域也具有一定的发展前景。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.基于压电驱动的六足作动器，其特征在于，包括：丝杆（1）、第一磷青铜基体（2）、钛合金基体（3）、第二磷青铜基体（4）、金属足（5）、磷青铜圆环（6）、环形压电陶瓷片（7）、第一压电陶瓷片组（8）、第二压电陶瓷片组（9）；
钛合金基体（3）为长方体，内部设置圆形通孔，通孔内部设置螺纹和丝杆（1）配合连接；
钛合金基体（3）的四个侧面上粘贴四片形状大小相同的压电陶瓷片，相对两片为一个压电陶瓷片组，具有相同的极化方向,即为第一压电陶瓷片组（8）和第二压电陶瓷片组（9）；
丝杆（1）穿过第一磷青铜基体（2），钛合金基体（3）一端和第一磷青铜基体（2）固定连接；
丝杆（1）穿过第二磷青铜基体（4），第二磷青铜基体（4）设置在钛合金基体（3）的另一端，第二磷青铜基体（4）和丝杆（2）固定连接；
第一磷青铜基体（2）和第二磷青铜基体（4）形状大小均相同，包括金属足（5）、磷青铜圆环（6）、环形压电陶瓷片（7），
磷青铜圆环（6）圆周上设置三个金属足（5），金属足（5）设置位置之间的圆周角为120°，
磷青铜圆环（6）背向钛合金基体（3）的一侧粘贴环形压电陶瓷片（7）。
2.根据权利要求1所述的作动器，其特征在于，第一压电陶瓷片组（2）和第二压电陶瓷片组（4）是长方形。
3.根据权利要求1或2所述的作动器，其特征在于，第一压电陶瓷片组（2）和第二压电陶瓷片组（4）采用的材料为PZT8。
4.基于压电驱动的六足作动器的工作方法，其特征在于，包括：
S1、向第一压电陶瓷片组（8）和第二压电陶瓷片组（9）同时施加相位差为90°的相同幅值的正弦电信号，改变正弦电信号的频率，频率范围为10-150kHz，找到钛合金基体（3）的工作频率；
S2、在工作频率正弦电信号的作用下，利用第一压电陶瓷片组（8）和第二压电陶瓷片组（9）的逆压电效应，激励钛合金基体（3）产生微幅高频的扭转运动；
S3、钛合金基体（3）的微幅高频的扭转运动对丝杆（1）产生圆周切向上的作用力，由于存在螺纹配合的关系，促使丝杆（1）旋转的同时产生向左或向右的直线运动；
S4、丝杆（1）运动的时候，改变第一磷青铜基体（2）和第二磷青铜基体（4）的距离和金属足在周向上的夹角。
5.基于压电驱动的六足作动器的工作方法，其特征在于，包括：
S1、分别向第一磷青铜基体（2）和第二磷青铜基体（4）上的环形压电陶瓷片（7）施加正弦电信号，通过改变所施加的电信号的频率,频率范围为10-150kHz，分别找到第一磷青铜基体（2）和第二磷青铜基体（4）各自的工作频率;
S2、利用环形压电陶瓷片（7）的逆压电效应，依据工作频率向第一磷青铜基体（2）和第二磷青铜基体（4）施加激励信号，分别激励第一磷青铜基体（2）和第二磷青铜基体（4）上的金属足（5）产生高频微幅振动，不同的激励信号驱使金属足（5）产生不同方向上的微幅振动；
S3、利用金属足（5）在地面上振动时与地面作用面产生的摩擦力，以及不同的着地金属足（5）与地面形成的摩擦力的合力和合力矩来驱使作动器运动。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，初始位置为第一磷青铜基体（2）与第二磷青铜基体（4）共轴，第一磷青铜基体（2）的金属足（5）与第二磷青铜基体（4）的金属足（5）在周向上具有60°的夹角。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，环形压电陶瓷片（7）具有第一工作频率和第二工作频率;
向环形压电陶瓷片（7）施加具有第一工作频率的正弦电信号，金属足（5）产生圆周法向方向上的振动，所述作动器在初始状态下将在接触面上产生直线运动；向环形压电陶瓷片（7）施加具有第二工作频率的正弦电信号，金属足（5）产生圆周切向方向上的振动时，所述作动器在初始状态下将在接触面上产生转弯运动。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，调节所述激励信号的频率，能够改变所述作动器转弯运动的转弯半径和转弯方向。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，改变第一磷青铜基体（2）和第二磷青铜基体（4）上金属足（5）位置的相对夹角，能够改变所述作动器转弯运动的转弯半径和转弯方向。
10.基于压电驱动的六足作动器的工作方法，其特征在于，第一磷青铜基体（2）或第二磷青铜基体（4）的三个金属足（5）均着地时，对靠近地面一侧的环形压电陶瓷片（7）施加电信号，与地面接触的金属足（5）振动，对接触面产生作用力，作动器平面移动。
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