CN109889086A - 一种三自由度压电驱动微纳操控机械臂及其激励方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三自由度压电驱动微纳操控机械臂及其激励方法，属于压电驱动技术领域。解决了现有微纳操控装置自由度单一、结构复杂、行程受限的技术问题。所述微纳操作机械臂由动子、旋转驱动单元、升降驱动单元以及基座组成，其中旋转驱动单元和升降驱动单元为主要驱动元件，分别驱动动子两个自由度的旋转运动和一个自由度的直线运动。基于本发明中的激励方法，所述微纳操作机械臂可以实现大尺度的超精密运动。本发明中的微纳操作机械臂驱动原理简单可靠，激励方法适应性强，便于应用在微纳操作等技术领域。
Description
技术领域
本发明属于压电驱动技术领域，特别是涉及一种三自由度压电驱动微纳操控机械臂及其激励方法。
背景技术
对于显微操作和超精密加工领域，可以实现超高精度的驱动器一直是限制其发展的重要瓶颈。尽管多种超精密驱动技术相继被提出，但是低效率、高成本以及操作困难的缺点却使它们没有得到普遍的应用。相比之下，精密压电驱动技术依靠其可靠的原理和简单的结构得到了青睐。但是现有的精密压电驱动装置往往只能实现单个自由度或者两个自由度的超精密运动，这对于超精密操控领域来说是不够的。因此发明一种可以实现调姿运动和进给运动的具有紧凑结构和稳定工作能力的精密压电驱动装置具有十分重要的意义，这也受到了广泛的关注和研究。
本发明提出了一种实现两个旋转自由度和一个直线自由度的超精密压电驱动机械臂，和多数精密压电驱动装置类似，它具有精度高、激励方法简单可靠的特点。除此之外，利用紧凑的结构实现大负载能力的三自由度运动也是其特点之一。与相应的末端执行机构配合，可以在纳米制造、超精密加工、显微操作以及集成光学等技术领域得到广泛的应用前景，也将对多自由度超精密压电驱动相关技术的发展产生有益的影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有微纳操控装置自由度单一、结构复杂、行程受限的技术问题，从而提出了一种三自由度压电驱动微纳操控机械臂及其激励方法。所采取的技术方案如下：
一种三自由度压电驱动微纳操控机械臂，所述机械臂包括动子1、旋转驱动单元2、升降驱动单元3以及基座4；所述旋转驱动单元2包括支撑装置2-1、弹性基体2-2以及压电陶瓷片2-3；所述升降驱动单元3包括丝杠3-1、螺母3-2以及层叠式扭转型压电驱动器3-3；所述压电陶瓷片2-3固定连接于弹性基体2-2的侧面，所述支撑装置2-1固定连接于弹性基体2-2的底面，所述旋转驱动单元2固定连接于丝杠3-1的顶面，所述层叠式扭转型压电驱动器3-3的底面固定连接于基座4的顶面；所述丝杠3-1的轴线沿竖直方向布置，所述丝杠3-1的轴线与螺母3-2的轴线以及层叠式扭转型压电驱动器3-3的轴线重合，所述弹性基体2-2的轴线沿竖直方向布置；所述动子1与支撑装置2-1滑动连接以引导动子1相对于支撑装置2-1绕自身中心做旋转运动，所述丝杠3-1与基座4滑动连接以引导丝杠3-1相对于基座4沿自身轴线做直线运动，所述丝杠3-1与螺母3-2配合连接以引导丝杠3-1相对于螺母3-2沿自身轴线做直线运动并绕自身轴线做旋转运动；所述弹性基体2-2的上端面压紧在动子1的表面，所述层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面压紧在螺母3-2的底面；所述基座4保持固定，所述螺母3-2绕自身轴线做旋转运动，所述丝杠3-1沿自身轴线做直线运动，所述旋转驱动单元2沿丝杠3-1的轴线做直线运动，所述动子1做单自由度直线运动与两自由度旋转运动输出。
进一步地，所述旋转驱动单元2中压电陶瓷片2-3固定连接于弹性基体2-2的侧面，所述压电陶瓷片2-3的内外侧面分别为一个极化分区，所述压电陶瓷片2-3分为水平方向弯曲陶瓷组和纵深方向弯曲陶瓷组，在激励电压信号的作用下，所述压电陶瓷片2-3带动弹性基体2-2产生偏离自身轴线方向的弯曲变形，进而导致弹性基体2-2末端质点沿水平方向和纵深方向的摆动运动；所述层叠式扭转型压电驱动器3-3由多片压电陶瓷绕层叠式扭转型压电驱动器3-3的轴线方向环绕固定连接组成，每片压电陶瓷包括一个极化分区，在激励电压信号的作用下，所述层叠式扭转型压电驱动器3-3发生绕自身轴线方向的扭转变形，进而导致层叠式扭转型压电驱动器3-3顶面质点绕层叠式扭转型压电驱动器3-3轴线方向的转动运动。
进一步地，所述动子1通过支撑装置2-1压紧在弹性基体2-2上端面，所述支撑装置2-1包括套筒支撑、球轴承支撑、电磁力悬浮、流体静压力悬浮、流体动压力悬浮；所述螺母3-2通过丝杠3-1压紧在层叠式扭转型压电驱动器3-3的顶面。
进一步地，所述旋转驱动单元2的数量至少为一个，增加旋转驱动单元2的数量实现动子1负载能力的倍增；所述升降驱动单元3的数量至少为一个，增加升降驱动单元3的数量实现动子1负载能力的倍增。
进一步地，所述动子1末端设置有夹紧装置，所述夹紧装置实现连接微纳操作末端执行机构，所述微纳操作末端执行机构包括微纳操作钳、微纳穿刺针、微纳切割刀和微纳注射器。
一种所述三自由度压电驱动微纳操控机械臂的激励方法，通过以下激励方法实现动子1沿与丝杠3-1的轴线方向平行的竖直方向做双向直线运动：
步骤一、将动子1压紧在弹性基体2-2的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母3-2压紧在层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤二、对层叠式扭转型压电驱动器3-3施加幅值缓慢上升的激励电压信号，层叠式扭转型压电驱动器3-3扭转变形带动上表面绕竖直方向顺时针缓慢转动至极限位置，在层叠式扭转型压电驱动器3-3与螺母3-2之间的静摩擦力的作用下，螺母3-2绕竖直方向产生顺时针旋转位移，进而带动丝杠3-2、旋转驱动单元2和动子1沿竖直方向做正方向直线位移输出；
步骤三、对层叠式扭转型压电驱动器3-3施加幅值快速下降的激励电压信号，层叠式扭转型压电驱动器3-3扭转变形带动上表面绕竖直方向逆时针快速转动至初始位置，在螺母3-2的惯性的作用下，螺母3-2与层叠式扭转型压电驱动器3-3之间发生相对滑动而保持静止，进而丝杠3-3、旋转驱动单元2和动子1保持静止；
步骤四、重复步骤二至步骤三，实现动子1沿竖直方向连续的正方向直线运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现动子1沿竖直方向的超精密正方向直线运动；
步骤五、将动子1压紧在弹性基体2-2的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母3-2压紧在层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤六、对层叠式扭转型压电驱动器3-3施加幅值缓慢下降的激励电压信号，层叠式扭转型压电驱动器3-3扭转变形带动上表面绕竖直方向逆时针缓慢转动至极限位置，在层叠式扭转型压电驱动器3-3与螺母3-2之间的静摩擦力的作用下，螺母3-2绕竖直方向产生逆时针旋转位移，进而带动丝杠3-2、旋转驱动单元2和动子1沿竖直方向做反方向直线位移输出；
步骤七、对层叠式扭转型压电驱动器3-3施加幅值快速上升的激励电压信号，层叠式扭转型压电驱动器3-3扭转变形带动上表面绕竖直方向顺时针快速转动至初始位置，在螺母3-2的惯性的作用下，螺母3-2与层叠式扭转型压电驱动器3-3之间发生相对滑动而保持静止，进而丝杠3-3、旋转驱动单元2和动子1保持静止；
步骤八、重复步骤六至步骤七，实现动子1沿竖直方向连续的反方向直线运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现动子1沿竖直方向的超精密反方向直线运动。
其中，所述激励电压信号幅值的施加速度中，缓慢所指的施加速度要小于快速所指的施加速度。
一种所述三自由度压电驱动微纳操控机械臂的激励方法，通过以下激励方法实现动子1绕与丝杠3-1的轴线方向正交的水平方向做双向旋转运动：
步骤一、将动子1压紧在弹性基体2-2的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母3-2压紧在层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤二、对压电陶瓷片2-3中的纵深方向弯曲陶瓷组施加幅值缓慢上升的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿纵深正方向缓慢摆动至极限位置，在弹性基体2-2与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕水平方向产生顺时针旋转位移输出；
步骤三、对压电陶瓷片2-3中的纵深方向弯曲陶瓷组施加幅值快速下降的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿纵深反方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1与弹性基体2-2之间发生相对滑动而保持静止；
步骤四、重复步骤二至步骤三，实现动子1绕水平方向连续的顺时针旋转运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现动子1绕水平方向的超精密顺时针旋转运动；
步骤五、将动子1压紧在弹性基体2-2的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母3-2压紧在层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤六、对压电陶瓷片2-3中的纵深方向弯曲陶瓷组施加幅值缓慢下降的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿纵深反方向缓慢摆动至极限位置，在弹性基体2-2与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕水平方向产生逆时针旋转位移输出；
步骤七、对压电陶瓷片2-3中的纵深方向弯曲陶瓷组施加幅值快速上升的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿纵深正方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1和弹性基体2-2之间发生相对滑动而保持静止；
步骤八、重复步骤六至步骤七，实现动子1绕水平方向连续的逆时针旋转运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现动子1绕水平方向的超精密逆时针旋转运动。
其中，所述激励电压信号幅值的施加速度中，缓慢所指的施加速度要小于快速所指的施加速度。
一种所述三自由度压电驱动微纳操控机械臂的激励方法，通过以下激励方法实现动子1绕与丝杠3-1的轴线方向正交的纵深方向做双向旋转运动：
步骤一、将动子1压紧在弹性基体2-2的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母3-2压紧在层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤二、对压电陶瓷片2-3中的水平方向弯曲陶瓷组施加幅值缓慢上升的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿水平正方向缓慢摆动至极限位置，在弹性基体2-2与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕纵深方向产生顺时针旋转位移输出；
步骤三、对压电陶瓷片2-3中的水平方向弯曲陶瓷组施加幅值快速下降的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿水平反方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1和弹性基体2-2之间发生相对滑动而保持静止；
步骤四、重复步骤二至步骤三，实现动子1绕纵深方向连续的顺时针旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现动子1绕纵深方向的超精密顺时针旋转运动；
步骤五、将动子1压紧在弹性基体2-2的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母3-2压紧在层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤六、对压电陶瓷片2-3中的水平方向弯曲陶瓷组施加幅值缓慢下降的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿水平反方向缓慢摆动至极限位置，在弹性基体2-2与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕纵深方向产生逆时针旋转位移输出；
步骤七、对压电陶瓷片2-3中的水平方向弯曲陶瓷组施加幅值快速上升的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿水平正方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1和弹性基体2-2之间发生相对滑动而保持静止；
步骤八、重复步骤六至步骤七，实现动子1绕纵深方向连续的逆时针旋转运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现动子1绕纵深方向的超精密逆时针旋转运动。
其中，所述激励电压信号幅值的施加速度中，缓慢所指的施加速度要小于快速所指的施加速度。
本发明有益效果：
本发明公开了一种压电驱动的三自由度微纳操控机械臂，可以实现两个旋转自由度的调姿运动和一个直线自由度的进给运动。本发明公开的微纳操作机械臂采用层叠式压电驱动器和贴片式压电驱动器结合的构型设计，使其同时具有结构紧凑和负载能力强的优点；本发明公开的微纳操控机械臂的激励方法利用压电驱动的步进式运动原理，同时实现了大运动行程和纳米级分辨力的设计需求，而且激励方法简单可靠、易于实现。因此，本发明所公开的压电驱动微纳操控机械臂结构简单、运动精度高、操作简便，易于实现系列化和商品化。
附图说明
图1为本发明中三自由度压电驱动微纳操控机械臂的三维结构示意图；
图2为三自由度压电驱动微纳操控机械臂中旋转驱动单元产生沿Y轴方向弯曲变形的示意图；
图3为三自由度压电驱动微纳操控机械臂中旋转驱动单元产生沿X轴方向弯曲变形的示意图；
图4为三自由度压电驱动微纳操控机械臂中升降驱动单元产生绕Z轴方向扭转变形的示意图；
图5为三自由度压电驱动微纳操控机械臂的动子沿Z轴做正方向直线运动以及绕X轴或Y轴做顺时针旋转运动时所需要施加的激励电压信号示意图；
图6为三自由度压电驱动微纳操控机械臂的动子沿Z轴做反方向直线运动以及绕X轴或Y轴做逆时针旋转运动时所需要施加的激励电压信号示意图；
图7为三自由度压电驱动微纳操控机械臂做超精密运动时弹性基体的末端质点相对于动子以及层叠式扭转型压电驱动器上表面质点相对于螺母的运动轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
下面结合说明书附图1、图2、图3、图4对本实施例做进一步详细说明。本实施例提供了一种如图1所示的三自由度压电驱动微纳操控机械臂。所述机械臂包括动子1、旋转驱动单元2、升降驱动单元3以及基座4；所述旋转驱动单元2包括支撑装置2-1、弹性基体2-2以及压电陶瓷片2-3；所述升降驱动单元3包括丝杠3-1、螺母3-2以及层叠式扭转型压电驱动器3-3；所述压电陶瓷片2-3固定连接于弹性基体2-2的侧面，所述支撑装置2-1固定连接于弹性基体2-2的底面，所述旋转驱动单元2固定连接于丝杠3-1的顶面，所述层叠式扭转型压电驱动器3-3的底面固定连接于基座4的顶面；所述丝杠3-1的轴线沿Z轴方向布置，所述丝杠3-1的轴线与螺母3-2的轴线以及层叠式扭转型压电驱动器3-3的轴线重合，所述弹性基体2-2的轴线沿Z轴方向布置；所述动子1与支撑装置2-1滑动连接以引导动子1相对于支撑装置2-1绕自身中心做旋转运动，所述丝杠3-1与基座4滑动连接以引导丝杠3-1相对于基座4沿自身轴线做直线运动，所述丝杠3-1与螺母3-2配合连接以引导丝杠3-1相对于螺母3-2沿自身轴线做直线运动并绕自身轴线做旋转运动；所述弹性基体2-2的上端面压紧在动子1的表面，并通过摩擦力驱动动子1的两自由度旋转运动，所述层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面压紧在螺母3-2的底面，并通过摩擦力驱动螺母3-2的旋转运动，进而带动丝杠3-1、旋转驱动单元2和动子1沿Z轴方向的直线运动；所述基座4保持固定，所述螺母3-2绕自身轴线做旋转运动，所述丝杠3-1沿自身轴线做直线运动，所述旋转驱动单元2沿丝杠3-1的轴线做直线运动，所述动子1并输出沿Z轴方向的直线运动和绕X轴方向、Y轴方向的旋转运动。
在本实施例中，所述旋转驱动单元2和升降驱动单元3作为能量转换元件，实现输入电能向输出机械能的转换；所述旋转驱动单元2中压电陶瓷片2-3固定连接于弹性基体2-2的侧面，压电陶瓷片2-3沿自身厚度方向极化且内外侧面只有一个极化分区，压电陶瓷片2-3分为X轴方向弯曲陶瓷组和Y轴方向弯曲陶瓷组，在激励电压信号的作用下，X轴方向弯曲陶瓷组和Y轴方向弯曲陶瓷组分别带动弹性基体2-2产生偏离自身轴线方向的弯曲变形，进而导致弹性基体2-2末端质点沿X轴方向、Y轴方向的摆动运动，所述旋转驱动单元2产生沿Y轴方向的弯曲变形如图2所示，所述旋转驱动单元2产生沿X轴方向的弯曲变形如图3所示；所述层叠式扭转型压电驱动器3-3由多片压电陶瓷绕层叠式扭转型压电驱动器3-3的轴线方向环绕固定连接组成，每片压电陶瓷沿周向极化且只包括一个极化分区，在激励电压信号的作用下，每片压电陶瓷发生剪切变形，所述层叠式扭转型压电驱动器3-3发生绕Z轴方向的扭转变形，进而导致层叠式扭转型压电驱动器3-3顶面质点绕Z轴方向的转动运动，所述升降驱动单元3产生绕Z轴方向的扭转变形如图4所示。
在本实施例中，所述动子1通过支撑装置2-1压紧在弹性基体2-2上端面，动子1不仅可以绕自身中心做旋转运动，还可以跟随丝杠3-1以及旋转驱动单元2沿Z轴方向做直线运动，所述支撑装置2-1包括套筒支撑、球轴承支撑、电磁力悬浮、流体静压力悬浮、流体动压力悬浮；所述螺母3-2通过丝杠3-1在负载的作用下压紧在层叠式扭转型压电驱动器3-3的顶面。
在本实施例中，所述旋转驱动单元2的数量至少为一个，增加旋转驱动单元2的数量相似的激励方法同样适用，可以实现动子1负载能力的倍增；所述升降驱动单元3的数量至少为一个，增加升降驱动单元3的数量相似的激励方法同样适用，可以实现动子1负载能力的倍增。
在本实施例中，所述动子1末端设置有夹紧装置，所述夹紧装置实现连接微纳操作末端执行机构，所述微纳操作末端执行机构包括微纳操作钳、微纳穿刺针、微纳切割刀和微纳注射器等，以此实现超精密微纳操控动作。
实施例2：
下面结合说明书附图1、图5、图6、图7对本实施例做进一步详细说明。本实施例提供了一种基于图1所示的三自由度压电驱动微纳操控机械臂的激励方法，该激励方法可以实现动子1沿Z轴方向的双向直线运动：
步骤一、将动子1压紧在弹性基体2-2的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母3-2压紧在层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤二、对层叠式扭转型压电驱动器3-3施加幅值缓慢上升的激励电压信号，层叠式扭转型压电驱动器3-3扭转变形带动上表面绕Z轴方向顺时针缓慢转动至极限位置，在层叠式扭转型压电驱动器3-3与螺母3-2之间的静摩擦力的作用下，螺母3-2绕Z轴方向产生顺时针旋转位移，进而带动丝杠3-2、旋转驱动单元2和动子1沿Z轴方向做正方向直线位移输出；
步骤三、对层叠式扭转型压电驱动器3-3施加幅值快速下降的激励电压信号，层叠式扭转型压电驱动器3-3扭转变形带动上表面绕Z轴方向逆时针快速转动至初始位置，在螺母3-2的惯性的作用下，螺母3-2与层叠式扭转型压电驱动器3-3之间发生相对滑动而保持静止，进而丝杠3-3、旋转驱动单元2和动子1保持静止；
步骤四、重复步骤二至步骤三，实现动子1沿Z轴方向连续的正方向直线运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现动子1沿Z轴方向的超精密正方向直线运动，对层叠式扭转型压电驱动器3-3施加的激励电压信号如图5中U所示；
步骤五、将动子1压紧在弹性基体2-2的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母3-2压紧在层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤六、对层叠式扭转型压电驱动器3-3施加幅值缓慢下降的激励电压信号，层叠式扭转型压电驱动器3-3扭转变形带动上表面绕Z轴方向逆时针缓慢转动至极限位置，在层叠式扭转型压电驱动器3-3与螺母3-2之间的静摩擦力的作用下，螺母3-2绕Z轴方向产生逆时针旋转位移，进而带动丝杠3-2、旋转驱动单元2和动子1沿Z轴方向做反方向直线位移输出；
步骤七、对层叠式扭转型压电驱动器3-3施加幅值快速上升的激励电压信号，层叠式扭转型压电驱动器3-3扭转变形带动上表面绕Z轴方向顺时针快速转动至初始位置，在螺母3-2的惯性的作用下，螺母3-2与层叠式扭转型压电驱动器3-3之间发生相对滑动而保持静止，进而丝杠3-3、旋转驱动单元2和动子1保持静止；
步骤八、重复步骤六至步骤七，实现动子1沿Z轴方向连续的反方向直线运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现动子1沿Z轴方向的超精密反方向直线运动，对层叠式扭转型压电驱动器3-3施加的激励电压信号如图6中U所示。
其中，所述激励电压信号幅值的施加速度中，缓慢所指的施加速度要小于快速所指的施加速度。
在本实施例中，所述微纳操控机械臂实现超精密运动时层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面质点相对于螺母3-2沿转动方向的运动轨迹如图7所示，并利用它沿两个方向运动速度的不同实现动子1的正反向超精密直线运动。
实施例3：
下面结合说明书附图1、图5、图6、图7对本实施例做进一步详细说明。本实施例提供了一种基于图1所示的三自由度压电驱动微纳操控机械臂的激励方法，该激励方法可以实现动子1绕X轴方向的双向旋转运动：
步骤一、将动子1压紧在弹性基体2-2的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母3-2压紧在层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤二、对压电陶瓷片2-3中的Y轴方向弯曲陶瓷组施加幅值缓慢上升的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿Y轴正方向缓慢摆动至极限位置，在弹性基体2-2与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕X轴方向产生顺时针旋转位移输出；
步骤三、对压电陶瓷片2-3中的Y轴方向弯曲陶瓷组施加幅值快速下降的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿Y轴反方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1和弹性基体2-2之间发生相对滑动而保持静止；
步骤四、重复步骤二至步骤三，实现动子1绕X轴方向连续的顺时针旋转运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现动子1绕X轴方向的超精密顺时针旋转运动，对压电陶瓷片2-3中的Y轴方向弯曲陶瓷组施加的激励电压信号如图5中U所示；
步骤五、将动子1压紧在弹性基体2-2的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母3-2压紧在层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤六、对压电陶瓷片2-3中的Y轴方向弯曲陶瓷组施加幅值缓慢下降的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿Y轴反方向缓慢摆动至极限位置，在弹性基体2-2与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕X轴方向产生逆时针旋转位移输出；
步骤七、对压电陶瓷片2-3中的Y轴方向弯曲陶瓷组施加幅值快速上升的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿Y轴正方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1和弹性基体2-2之间发生相对滑动而保持静止；
步骤八、重复步骤六至步骤七，实现动子1绕X轴方向连续的逆时针旋转运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现动子1绕X轴方向的超精密逆时针旋转运动，对压电陶瓷片2-3中的Y轴方向弯曲陶瓷组施加的激励电压信号如图6中U所示。
其中，所述激励电压信号幅值的施加速度中，缓慢所指的施加速度要小于快速所指的施加速度。
在本实施例中，所述微纳操控机械臂实现超精密运动时弹性基体2-2的末端质点相对于动子1沿Y轴方向的运动轨迹如图7所示，并利用它沿两个方向运动速度的不同实现动子1的正反向超精密旋转运动。
实施例4：
下面结合说明书附图1、图5、图6、图7对本实施例做进一步详细说明。本实施例提供了一种基于图1所示的三自由度压电驱动微纳操控机械臂的激励方法，该激励方法可以实现动子1绕Y轴方向的双向旋转运动：
步骤一、将动子1压紧在弹性基体2-2的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母3-2压紧在层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤二、对压电陶瓷片2-3中的X轴方向弯曲陶瓷组施加幅值缓慢上升的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿X轴正方向缓慢摆动至极限位置，在弹性基体2-2与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕Y轴方向产生顺时针旋转位移输出；
步骤三、对压电陶瓷片2-3中的X轴方向弯曲陶瓷组施加幅值快速下降的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿X轴反方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1和弹性基体2-2之间发生相对滑动而保持静止；
步骤四、重复步骤二至步骤三，实现动子1绕Y轴方向连续的顺时针旋转运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现动子1绕Y轴方向的超精密顺时针旋转运动，对压电陶瓷片2-3中的X轴方向弯曲陶瓷组施加的激励电压信号如图5中U所示；
步骤五、将动子1压紧在弹性基体2-2的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母3-2压紧在层叠式扭转型压电驱动器3-3的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤六、对压电陶瓷片2-3中的X轴方向弯曲陶瓷组施加幅值缓慢下降的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿X轴反方向缓慢摆动至极限位置，在弹性基体2-2与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕Y轴方向产生逆时针旋转位移输出；
步骤七、对压电陶瓷片2-3中的X轴方向弯曲陶瓷组施加幅值快速上升的激励电压信号，弹性基体2-2弯曲变形带动自身末端质点沿X轴正方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1和弹性基体2-2之间发生相对滑动而保持静止；
步骤八、重复步骤六至步骤七，实现动子1绕Y轴方向连续的逆时针旋转运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现动子1绕Y轴方向的超精密逆时针旋转运动，对压电陶瓷片2-3中的X轴方向弯曲陶瓷组施加的激励电压信号如图6中U所示。
其中，所述激励电压信号幅值的施加速度中，缓慢所指的施加速度要小于快速所指的施加速度。
在本实施例中，所述微纳操控机械臂实现超精密运动时弹性基体2-2的末端质点相对于动子1沿X轴方向的运动轨迹如图7所示，并利用它沿两个方向运动速度的不同实现动子1的正反向超精密旋转运动。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (8)
1.一种三自由度压电驱动微纳操控机械臂，其特征在于，所述机械臂包括动子(1)、旋转驱动单元(2)、升降驱动单元(3)以及基座(4)；
所述旋转驱动单元(2)包括支撑装置(2-1)、弹性基体(2-2)以及压电陶瓷片(2-3)；
所述升降驱动单元(3)包括丝杠(3-1)、螺母(3-2)以及层叠式扭转型压电驱动器(3-3)；所述压电陶瓷片(2-3)固定连接于弹性基体(2-2)的侧面，所述支撑装置(2-1)固定连接于弹性基体(2-2)的底面，所述旋转驱动单元(2)固定连接于丝杠(3-1)的顶面，所述层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的底面固定连接于基座(4)的顶面；
所述丝杠(3-1)的轴线沿竖直方向布置，所述丝杠(3-1)的轴线与螺母(3-2)的轴线以及层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的轴线重合，所述弹性基体(2-2)的轴线沿竖直方向布置；
所述动子(1)与支撑装置(2-1)滑动连接以引导动子(1)相对于支撑装置(2-1)绕自身中心做旋转运动，所述丝杠(3-1)与基座(4)滑动连接以引导丝杠(3-1)相对于基座(4)沿自身轴线做直线运动，所述丝杠(3-1)与螺母(3-2)配合连接以引导丝杠(3-1)相对于螺母(3-2)沿自身轴线做直线运动并绕自身轴线做旋转运动；
所述弹性基体(2-2)的上端面压紧在动子(1)的表面，所述层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的上表面压紧在螺母(3-2)的底面；
所述基座(4)保持固定，所述螺母(3-2)绕自身轴线做旋转运动，所述丝杠(3-1)沿自身轴线做直线运动，所述旋转驱动单元(2)沿丝杠(3-1)的轴线做直线运动，所述动子(1)做单自由度直线运动与两自由度旋转运动输出。
2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述旋转驱动单元(2)中压电陶瓷片(2-3)固定连接于弹性基体(2-2)的侧面，所述压电陶瓷片(2-3)的内外侧面分别为一个极化分区，所述压电陶瓷片(2-3)分为水平方向弯曲陶瓷组和纵深方向弯曲陶瓷组，在激励电压信号的作用下，所述压电陶瓷片(2-3)带动弹性基体(2-2)产生偏离自身轴线方向的弯曲变形，进而导致弹性基体(2-2)末端质点沿水平方向和纵深方向的摆动运动；
所述层叠式扭转型压电驱动器(3-3)由多片压电陶瓷绕层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的轴线方向环绕固定连接组成，每片压电陶瓷包括一个极化分区，在激励电压信号的作用下，所述层叠式扭转型压电驱动器(3-3)发生绕自身轴线方向的扭转变形，进而导致层叠式扭转型压电驱动器(3-3)顶面质点绕层叠式扭转型压电驱动器(3-3)轴线方向的转动运动。
3.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述动子(1)通过支撑装置(2-1)压紧在弹性基体(2-2)上端面，所述支撑装置(2-1)包括套筒支撑、球轴承支撑、电磁力悬浮、流体静压力悬浮、流体动压力悬浮；
所述螺母(3-2)通过丝杠(3-1)压紧在层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的顶面。
4.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述旋转驱动单元(2)的数量至少为一个，增加旋转驱动单元(2)的数量实现动子(1)负载能力的倍增；
所述升降驱动单元(3)的数量至少为一个，增加升降驱动单元(3)的数量实现动子(1)负载能力的倍增。
5.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述动子(1)末端设置有夹紧装置，所述夹紧装置实现连接微纳操作末端执行机构，所述微纳操作末端执行机构包括微纳操作钳、微纳穿刺针、微纳切割刀和微纳注射器。
6.一种权利要求1所述三自由度压电驱动微纳操控机械臂的激励方法，其特征在于，通过以下激励方法实现动子(1)沿与丝杠(3-1)的轴线方向平行的竖直方向做双向直线运动：
步骤一、将动子(1)压紧在弹性基体(2-2)的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母(3-2)压紧在层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤二、对层叠式扭转型压电驱动器(3-3)施加幅值缓慢上升的激励电压信号，层叠式扭转型压电驱动器(3-3)扭转变形带动上表面绕竖直方向顺时针缓慢转动至极限位置，在层叠式扭转型压电驱动器(3-3)与螺母(3-2)之间的静摩擦力的作用下，螺母(3-2)绕竖直方向产生顺时针旋转位移，进而带动丝杠(3-2)、旋转驱动单元(2)和动子(1)沿竖直方向做正方向直线位移输出；
步骤三、对层叠式扭转型压电驱动器(3-3)施加幅值快速下降的激励电压信号，层叠式扭转型压电驱动器(3-3)扭转变形带动上表面绕竖直方向逆时针快速转动至初始位置，在螺母(3-2)的惯性的作用下，螺母(3-2)与层叠式扭转型压电驱动器(3-3)之间发生相对滑动而保持静止，进而丝杠(3-3)、旋转驱动单元(2)和动子(1)保持静止；
步骤四、重复步骤二至步骤三，实现动子(1)沿竖直方向连续的正方向直线运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现动子(1)沿竖直方向的超精密正方向直线运动；
步骤五、将动子(1)压紧在弹性基体(2-2)的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母(3-2)压紧在层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤六、对层叠式扭转型压电驱动器(3-3)施加幅值缓慢下降的激励电压信号，层叠式扭转型压电驱动器(3-3)扭转变形带动上表面绕竖直方向逆时针缓慢转动至极限位置，在层叠式扭转型压电驱动器(3-3)与螺母(3-2)之间的静摩擦力的作用下，螺母(3-2)绕竖直方向产生逆时针旋转位移，进而带动丝杠(3-2)、旋转驱动单元(2)和动子(1)沿竖直方向做反方向直线位移输出；
步骤七、对层叠式扭转型压电驱动器(3-3)施加幅值快速上升的激励电压信号，层叠式扭转型压电驱动器(3-3)扭转变形带动上表面绕竖直方向顺时针快速转动至初始位置，在螺母(3-2)的惯性的作用下，螺母(3-2)与层叠式扭转型压电驱动器(3-3)之间发生相对滑动而保持静止，进而丝杠(3-3)、旋转驱动单元(2)和动子(1)保持静止；
步骤八、重复步骤六至步骤七，实现动子(1)沿竖直方向连续的反方向直线运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现动子(1)沿竖直方向的超精密反方向直线运动。
其中，所述激励电压信号幅值的施加速度中，缓慢所指的施加速度要小于快速所指的施加速度。
7.一种权利要求1所述三自由度压电驱动微纳操控机械臂的激励方法，其特征在于，通过以下激励方法实现动子(1)绕与丝杠(3-1)的轴线方向正交的水平方向做双向旋转运动：
步骤一、将动子(1)压紧在弹性基体(2-2)的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母(3-2)压紧在层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤二、对压电陶瓷片(2-3)中的纵深方向弯曲陶瓷组施加幅值缓慢上升的激励电压信号，弹性基体(2-2)弯曲变形带动自身末端质点沿纵深正方向缓慢摆动至极限位置，在弹性基体(2-2)与动子(1)之间的静摩擦力的作用下，动子(1)绕水平方向产生顺时针旋转位移输出；
步骤三、对压电陶瓷片(2-3)中的纵深方向弯曲陶瓷组施加幅值快速下降的激励电压信号，弹性基体(2-2)弯曲变形带动自身末端质点沿纵深反方向快速摆动至初始位置，在动子(1)的惯性的作用下，动子(1)与弹性基体(2-2)之间发生相对滑动而保持静止；
步骤四、重复步骤二至步骤三，实现动子(1)绕水平方向连续的顺时针旋转运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现动子(1)绕水平方向的超精密顺时针旋转运动；
步骤五、将动子(1)压紧在弹性基体(2-2)的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母(3-2)压紧在层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤六、对压电陶瓷片(2-3)中的纵深方向弯曲陶瓷组施加幅值缓慢下降的激励电压信号，弹性基体(2-2)弯曲变形带动自身末端质点沿纵深反方向缓慢摆动至极限位置，在弹性基体(2-2)与动子(1)之间的静摩擦力的作用下，动子(1)绕水平方向产生逆时针旋转位移输出；
步骤七、对压电陶瓷片(2-3)中的纵深方向弯曲陶瓷组施加幅值快速上升的激励电压信号，弹性基体(2-2)弯曲变形带动自身末端质点沿纵深正方向快速摆动至初始位置，在动子(1)的惯性的作用下，动子(1)和弹性基体(2-2)之间发生相对滑动而保持静止；
步骤八、重复步骤六至步骤七，实现动子(1)绕水平方向连续的逆时针旋转运动，并通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现动子(1)绕水平方向的超精密逆时针旋转运动。
其中，所述激励电压信号幅值的施加速度中，缓慢所指的施加速度要小于快速所指的施加速度。
8.一种权利要求1所述三自由度压电驱动微纳操控机械臂的激励方法，其特征在于，通过以下激励方法实现动子(1)绕与丝杠(3-1)的轴线方向正交的纵深方向做双向旋转运动：
步骤一、将动子(1)压紧在弹性基体(2-2)的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母(3-2)压紧在层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的上表面，并调整二者之间的压紧力；
步骤二、对压电陶瓷片(2-3)中的水平方向弯曲陶瓷组施加幅值缓慢上升的激励电压信号，弹性基体(2-2)弯曲变形带动自身末端质点沿水平正方向缓慢摆动至极限位置，在弹性基体(2-2)与动子(1)之间的静摩擦力的作用下，动子(1)绕纵深方向产生顺时针旋转位移输出；
步骤三、对压电陶瓷片(2-3)中的水平方向弯曲陶瓷组施加幅值快速下降的激励电压信号，弹性基体(2-2)弯曲变形带动自身末端质点沿水平反方向快速摆动至初始位置，在动子(1)的惯性的作用下，动子(1)和弹性基体(2-2)之间发生相对滑动而保持静止；
步骤四、重复步骤二至步骤三，实现动子(1)绕纵深方向连续的顺时针旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现动子(1)绕纵深方向的超精密顺时针旋转运动；
步骤五、将动子(1)压紧在弹性基体(2-2)的上表面，并调整二者之间的压紧力，将螺母(3-2)压紧在层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的上表面，并调整二者之间的压紧力；
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