CN111146971A - 一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器及其工作方法，复合型旋转压电作动器包含驱动圆环、连接杆、矩形梁、压电元件组、配重块和连接螺栓；矩形梁一端通过连接杆和驱动圆环的侧壁固连，另一端设有和连接螺栓相匹配的螺纹孔；配重块上设有沉头通孔；连接螺栓依次穿过配重块上的沉头通孔、压电元件组后和矩形梁上的螺纹孔螺纹相连，将压电元件组固定在矩形梁和配重块之间，形成夹心式直梁；驱动圆环的一个端面上周向均匀设有m个驱动齿。本发明利用压电材料的逆压电效应将电能转换为机械能，不需要复杂的传动和减速机构，结构简单紧凑，易于实现小型化，且能强磁场及真空环境下工作。

Description

一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器及其工作方法

技术领域

本发明涉及压电驱动技术和二自由度关节模块技术领域，尤其涉及一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器及其工作方法。

背景技术

机械臂关节模块通常通过电机和液压驱动，来实现关节模块以及整个机械臂的运动。随着机械臂在科研领域应用范围的不断扩大，一些特殊的工作场合对关节模块的驱动技术提出了更高的要求，如不受强磁场干扰、真空环境作业、微型结构等。电磁电机在强磁场环境中无法正常工作，液压驱动无法在真空环境下有效工作，且这两种作动方式都存在机构冗余不利于小型化。夹心式压电换能器作为一种电能转换至机械能的器件，在作动器领域被广泛应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器，包含驱动圆环、连接杆、矩形梁、压电元件组、配重块和连接螺栓；

所述矩形梁为长方体，包含第一至第四侧面和两个端面，其中，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；

所述连接杆为柱体，其一个端面和所述矩形梁的一个端面固连；连接杆的另一个端面为弧面、和所述驱动圆环的侧面固连；

所述连接杆、矩形梁同轴且轴线经过所述驱动圆环的中心，所述驱动圆环的两个端面和矩形梁的第一侧面平行；

所述矩形梁远离连接杆的端面中心设有和所述连接螺栓相匹配的螺纹孔；

所述压电元件组包含第一至第四扭振压电元件、以及第一至第二弯振压电元件；所述第一至第四扭振压电元件、第一至第二弯振压电元件均呈矩形片状，中心设有供所述连接螺栓穿过的通孔；

所述配重块上设有沉头通孔；所述连接螺栓依次穿过配重块上的沉头通孔、第四扭振压电元件、第三扭振压电元件、第二弯振压电元件、第一弯振压电元件、第二扭转压电元件、第一扭转压电元件后和所述矩形梁上的螺纹孔螺纹相连，将压电元件组固定在矩形梁和配重块之间；所述矩形梁、压电元件组、配重块和连接螺栓形成夹心式直梁；

所述第一至第四扭振压电元件采用四分区压电元件，均沿其中心通孔圆周方向极化、且极化方向均相同；

所述第一至第二弯振压电元件采用二分区压电元件，沿厚度方向极化且两分区的极化方向相反；第一弯振压电元件、第二弯振压电元件的极化方向相反；

所述驱动圆环的一个端面上周向均匀设有m个驱动齿，m为大于等于3的自然数；

所述配重块上还设有用于固定夹心式多模态复合型旋转压电作动器的安装孔。

作为本发明一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器进一步的优化方案，所述配重块为柱形，且配重块和矩形梁等长，振动模态中压电元件组位于夹心式直梁振动的节点位置。

本发明还公开了一种该夹心式多模态复合型旋转压电作动器的单模态作动方法，包括如下步骤：

步骤A.1），对第一至第四扭振压电元件施加第一简谐电压信号，激励出夹心式直梁的2n+1阶扭振模态，n为大于等于0的整数，该扭振模态会激励驱动圆环产生m阶面外弯振模态，在简谐振动下每个驱动齿的运动轨迹均为一个椭圆，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿一个方向旋转；

步骤A.2），如果需要驱动外界转子反向旋转，停止对第一至第四扭振压电元件施加第一简谐电压信号，对第一至第二弯振压电元件施加第二简谐电压信号，激励出夹心式直梁的2n+2阶弯振模态，该弯振模态会激励驱动圆环产生另一个m阶面外弯振模态，此m阶面外弯振模态与扭振激励的m阶面外弯振模态在空间上存在π/2的相位差，导致此时各个驱动齿的运动轨迹为一个反向的椭圆，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿反向旋转。

本发明还公开了一种该夹心式多模态复合型旋转压电作动器的复合模态作动方法，包括如下步骤：

步骤B.1），对第一至第四扭振压电元件施加第一简谐电压信号，对第一至第二弯振压电元件施加第二简谐电压信号，在激励下驱动圆环产生两个具有π/2空间相位差的驻波，调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上也具有π/2的相位差，会使驱动圆环的两个驻波叠加成了一个行波，各个驱动齿在行波下沿椭圆轨迹运动，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿一个方向旋转；

2）如果需要驱动外界转子反向旋转，调整第一、第二简谐电压信号在时间上具有 -π/2的相位差，驱动齿做相反的椭圆运动，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿反向旋转。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明以精简机构、降低控制系统复杂程度、提高系统可靠度和实现微型化为目标，提出了基于逆压电效应和摩擦作用驱动的夹心式多模态复 合型旋转压电作动器，可实现转子的正反转以及系统结构紧凑、简单、直接驱动、无电磁干扰、小型化等特点，可以在真空强磁场等极端环境下工作。

附图说明

图1是夹心式多模态复合型旋转压电作动器的结构示意图；

图2是夹心式多模态复合型旋转压电作动器的剖面图；

图3是压电元件组的安装方式示意图；

图4是第一至第四扭振压电元件的极化方向示意图；

图5是第一、第二弯振压电元件的极化方向示意图；

图6是压电元件组的电信号施加方式示意图；

图7是夹心式直梁扭振的工作模态示意图；

图8是夹心式直梁弯振的工作模态示意图；

图9是扭振激励下的驱动圆环（展开）的四阶面外弯振工作模态示意图；

图10是弯振激励下的驱动圆环（展开）的四阶面外弯振工作模态示意图；

图11是两种四阶面外弯振工作模态下驱动齿的运动轨迹示意图。

图中，1-驱动圆环，2-连接杆，3-驱动齿，4-矩形梁，5-压电元件组，6-配重块，7-安装孔，8-沉头通孔，9-第一至第四扭振压电元件，10-第一至第二弯振压电元件，11-连接螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1、图2所示，本发明公开了一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器，包含驱动圆环、连接杆、矩形梁、压电元件组、配重块和连接螺栓；

所述矩形梁为长方体，包含第一至第四侧面和两个端面，其中，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；

所述连接杆为柱体，其一个端面和所述矩形梁的一个端面固连；连接杆的另一个端面为弧面、和所述驱动圆环的侧面固连；

所述连接杆、矩形梁同轴且轴线经过所述驱动圆环的中心，所述驱动圆环的两个端面和矩形梁的第一侧面平行；

所述矩形梁远离连接杆的端面中心设有和所述连接螺栓相匹配的螺纹孔；

所述压电元件组包含第一至第四扭振压电元件、以及第一至第二弯振压电元件；所述第一至第四扭振压电元件、第一至第二弯振压电元件均呈矩形片状，中心设有供所述连接螺栓穿过的通孔；

所述配重块上设有沉头通孔；所述连接螺栓依次穿过配重块上的沉头通孔、第四扭振压电元件、第三扭振压电元件、第二弯振压电元件、第一弯振压电元件、第二扭转压电元件、第一扭转压电元件后和所述矩形梁上的螺纹孔螺纹相连，将压电元件组固定在矩形梁和配重块之间，如图3所示；所述矩形梁、压电元件组、配重块和连接螺栓形成夹心式直梁；

如图4所示，所述第一至第四扭振压电元件采用四分区压电元件，均沿其中心通孔圆周方向极化、且极化方向均相同；

如图5所示，所述第一至第二弯振压电元件采用二分区压电元件，沿厚度方向极化且两分区的极化方向相反；第一弯振压电元件、第二弯振压电元件的极化方向相反；

所述驱动圆环的一个端面上周向均匀设有m个驱动齿，m为大于等于3的自然数；

所述配重块上还设有用于固定夹心式多模态复合型旋转压电作动器的安装孔。

作为本发明一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器进一步的优化方案，所述配重块为柱形，且配重块和矩形梁等长，振动模态中压电元件组位于夹心式直梁振动的节点位置。

本发明还公开了一种该夹心式多模态复合型旋转压电作动器的单模态作动方法，包括如下步骤：

步骤A.1），对第一至第四扭振压电元件施加第一简谐电压信号，如图6所示，激励出夹心式直梁的2n+1阶扭振模态，如图7所示，n为大于等于0的整数，该扭振模态会激励驱动圆环产生m阶面外弯振模态，如图9所示，在简谐振动下每个驱动齿的运动轨迹均为一个椭圆，如图10所示，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿一个方向旋转；

步骤A.2），如果需要驱动外界转子反向旋转，停止对第一至第四扭振压电元件施加第一简谐电压信号，对第一至第二弯振压电元件施加第二简谐电压信号，如图6所示，激励出夹心式直梁的2n+2阶弯振模态，如图8所示。需要注意的是夹心式直梁的弯振模态阶数要比扭振模态阶数高一阶，使压电元件组永远处于其振动模态的节点位置。该弯振模态会激励驱动圆环产生另一个m阶面外弯振模态，如图10所示，此m阶面外弯振模态与扭振激励的m阶面外弯振模态在空间上存在π/2的相位差，导致此时各个驱动齿的运动轨迹为一个反向的椭圆，如图11所示，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿反向旋转。

本发明还公开了一种该夹心式多模态复合型旋转压电作动器的复合模态作动方法，包括如下步骤：

步骤B.1），对第一至第四扭振压电元件施加第一简谐电压信号，对第一至第二弯振压电元件施加第二简谐电压信号，在激励下驱动圆环产生两个具有π/2空间相位差的驻波，调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上也具有π/2的相位差，会使驱动圆环的两个驻波叠加成了一个行波，各个驱动齿在行波下沿椭圆轨迹运动，相对于驻波引起的椭圆轨迹，该椭圆轨迹有更小的长短轴之比，椭圆更圆，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿一个方向旋转；

2）如果需要驱动外界转子反向旋转，调整第一、第二简谐电压信号在时间上具有 -π/2的相位差，驱动齿做相反的椭圆运动，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿反向旋转。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器，其特征在于，包含驱动圆环、连接杆、矩形梁、压电元件组、配重块和连接螺栓；

所述矩形梁为长方体，包含第一至第四侧面和两个端面，其中，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；

所述连接杆为柱体，其一个端面和所述矩形梁的一个端面固连；连接杆的另一个端面为弧面、和所述驱动圆环的侧面固连；

所述连接杆、矩形梁同轴且轴线经过所述驱动圆环的中心，所述驱动圆环的两个端面和矩形梁的第一侧面平行；

所述矩形梁远离连接杆的端面中心设有和所述连接螺栓相匹配的螺纹孔；

所述压电元件组包含第一至第四扭振压电元件、以及第一至第二弯振压电元件；所述第一至第四扭振压电元件、第一至第二弯振压电元件均呈矩形片状，中心设有供所述连接螺栓穿过的通孔；

所述配重块上设有沉头通孔；所述连接螺栓依次穿过配重块上的沉头通孔、第四扭振压电元件、第三扭振压电元件、第二弯振压电元件、第一弯振压电元件、第二扭转压电元件、第一扭转压电元件后和所述矩形梁上的螺纹孔螺纹相连，将压电元件组固定在矩形梁和配重块之间；所述矩形梁、压电元件组、配重块和连接螺栓形成夹心式直梁；

所述第一至第四扭振压电元件采用四分区压电元件，均沿其中心通孔圆周方向极化、且极化方向均相同；

所述第一至第二弯振压电元件采用二分区压电元件，沿厚度方向极化且两分区的极化方向相反；第一弯振压电元件、第二弯振压电元件的极化方向相反；

所述驱动圆环的一个端面上周向均匀设有m个驱动齿，m为大于等于3的自然数；

所述配重块上还设有用于固定夹心式多模态复合型旋转压电作动器的安装孔。

2.根据权利要求1所述的夹心式多模态复合型旋转压电作动器，其特征在于，所述配重块为柱形，且配重块和矩形梁等长，振动模态中压电元件组位于夹心式直梁振动的节点位置。

3.基于权利要求1所述的夹心式多模态复合型旋转压电作动器的单模态作动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A.1），对第一至第四扭振压电元件施加第一简谐电压信号，激励出夹心式直梁的2n+1阶扭振模态，n为大于等于0的整数，该扭振模态会激励驱动圆环产生m阶面外弯振模态，在简谐振动下每个驱动齿的运动轨迹均为一个椭圆，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿一个方向旋转；

步骤A.2），如果需要驱动外界转子反向旋转，停止对第一至第四扭振压电元件施加第一简谐电压信号，对第一至第二弯振压电元件施加第二简谐电压信号，激励出夹心式直梁的2n+2阶弯振模态，该弯振模态会激励驱动圆环产生另一个m阶面外弯振模态，此m阶面外弯振模态与扭振激励的m阶面外弯振模态在空间上存在π/2的相位差，导致此时各个驱动齿的运动轨迹为一个反向的椭圆，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿反向旋转。

4.基于权利要求1所述的夹心式多模态复合型旋转压电作动器的复合模态作动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤B.1），对第一至第四扭振压电元件施加第一简谐电压信号，对第一至第二弯振压电元件施加第二简谐电压信号，在激励下驱动圆环产生两个具有π/2空间相位差的驻波，调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上也具有π/2的相位差，会使驱动圆环的两个驻波叠加成了一个行波，各个驱动齿在行波下沿椭圆轨迹运动，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿一个方向旋转；

2）如果需要驱动外界转子反向旋转，调整第一、第二简谐电压信号在时间上具有 -π/2的相位差，驱动齿做相反的椭圆运动，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿反向旋转。

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