CN111181439B - 一种贴片式旋转型双驱动压电作动器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贴片式旋转型双驱动压电作动器及其工作方法,压电作动器包含U形梁、两个驱动圆环、两个连接杆、两个扭振压电元件组、弯振压电元件组和两个安装架；U形梁包含底梁和两个侧梁；两个驱动圆环分别通过两个连接杆和U形梁的两端相连，且驱动圆环的一个端面上周向均匀设有m个驱动齿；两个扭振压电元件组分别对称设置在两个侧梁上，弯振压电元件组设置在底梁上。两个安装架分别设置在两个侧梁上。本发明利用压电材料的逆压电效应将电能转换为机械能，依靠摩擦作用直接驱动转子旋转，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

一种贴片式旋转型双驱动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，尤其涉及一种贴片式旋转型双驱动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。

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，提供一种贴片式旋转型双驱动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

一种贴片式旋转型双驱动压电作动器，包含U形梁、第一驱动圆环、第二驱动圆环、第一至第二连接杆、第一至第二扭振压电元件组、弯振压电元件组、第一安装架和第二安装架；

所述U形梁包含底梁和对称的第一侧梁、第二侧梁，底梁的两端分别和第一侧梁的一端、第二侧梁的一端垂直固连；所述底梁、第一侧梁、第二侧梁均为长方体，均包含第一至第四侧面以及两个端面，第一至第四侧面依次相连，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；所述第一侧梁的第三侧面、第二侧梁的第一侧面位于U形梁的内侧，第一侧梁的第一侧面、第二侧梁的第三侧面位于U形梁的外侧，且底梁的第一侧面分别和第一侧梁的第一侧面、第二侧梁的第三侧面相连；

所述第一连接杆和第二连接杆均为柱体，一个端面为平面、另外一个端面为弧面；第一连接杆的平面端和所述第一侧梁的另一端固连、弧面端和所述第一驱动圆环的侧面固连；第二连接杆的平面端和所述第二侧梁的另一端固连、弧面端和所述第二驱动圆环的侧面固连；

所述第一连接杆、第一侧梁同轴且轴线经过第一驱动圆环的中心，第二连接杆、第二侧梁同轴且轴线经过第二驱动圆环的中心，第一驱动圆环、第二驱动圆环的两个端面均和第一侧梁的第一侧面平行；

所述第一安装架和第二安装架均包含两个安装片，其中，第一安装架的两个安装片对称设置在第一侧梁的第二侧面、第四侧面上，第二安装架的两个安装片对称设置在第二侧梁的第二侧面、第四侧面上；所述第一安装架、第二安装架的两个安装片上均设有通孔，用于固定贴片式旋转型双驱动压电作动器；

所述弯振压电元件组包含两片弯振压电元件，所述弯振压电元件采用单分区压电元件、沿厚度方向极化；所述两片弯振压电元件极化方向相同，对称设置在所述底梁第一侧面、第三侧面的中心；

所述第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组均包含第一扭振压电单元和第二扭振压电单元，所述第一扭振压电单元、第二扭振压电单元均包含第一至第四扭振压电元件，所述第一至第四扭振压电元件均和U形梁粘接，形成田字格正方形，所述第一至第四扭振压电元件均沿厚度方向极化，且相邻扭振压电元件的极化方向相反；

所述第一扭振压电元件组的第一扭振压电单元、第二扭振压电单元对称设置在第一侧梁第一侧面、第三侧面的中心，第二扭振压电元件组的第一扭振压电单元、第二扭振压电单元对称设置在第二侧梁第一侧面、第三侧面的中心；第一扭振压电元件组中第一扭振压电单元、第二扭振压电单元对应位置的扭振压电元件的极化方向相反；第一扭振压电元件组的第一扭振压电单元、第二扭振压电元件组的第一扭振压电单元对应位置的扭振压电元件的极化方向相同；

所述第一驱动圆环远离第二驱动圆环的端面上周向均匀设有m个驱动齿，第二驱动圆环远离第一驱动圆环的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；

所述第一驱动圆环中，到驱动梁最近的驱动齿的中心和驱动圆环中心的连线、驱动梁的轴线之间的夹角为3π/4m；所述第二驱动圆环中，到驱动梁最近的驱动齿的中心和驱动圆环中心的连线、驱动梁的轴线之间的夹角为9π/4m。

作为本发明一种贴片式旋转型双驱动压电作动器进一步的优化方案，所述第一扭振压电元件组和第二扭振压电元件组中第一扭振压电单元、第二扭振压电单元形成的正方形的边长和所述第一侧梁第一侧面的宽相等，该正方形的两条边和第一侧面的两个长边对齐；

弯振压电元件组中两片弯振压电元件的两条边均和底梁第一侧面的两个长边对齐。

本发明公开了一种该贴片式旋转型双驱动压电作动器的单模态驱动方法，包括如下步骤：

步骤A.1），对第一、第二扭振压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出第一侧梁、第二侧梁的2n+1阶扭振模态，n为大于等于0的整数，该扭振模态会诱发第一、第二驱动圆环的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，且第一、第二驱动圆环的驱动齿的椭圆运动轨迹方向相反，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，停止对第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组施加第一简谐电压信号，对弯振压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出底梁的2n+1阶弯振模态，诱发出第一侧梁、第二侧梁的2n+2阶弯振模态，该弯振模态会激励第一、第二驱动圆环产生另一个m阶面外弯振模态，此时第一、第二驱动圆环的驱动齿的运动轨迹为和扭振模态下相反的椭圆，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贴片式旋转型双驱动压电作动器的复合模态驱动方法，包括如下步骤：

步骤B.1），同时对第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组和第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组施加两相简谐电压信号，使得第一、第二驱动圆环产生两个具有π/2空间相位差的驻波，调整第一、第二简谐电压信号在时间上的相位差为π/2，使第一、第二驱动圆环的两个驻波叠加成一个行波，驱动齿在行波下做椭圆运动，第一、第二驱动圆环的驱动齿椭圆运动轨迹方向相反，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B.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的相位差即可。

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：

基于逆压电效应的压电驱动方式在压电陶瓷材料的制备和加工技术得到了进一步发展的情况下，可实现驱动结构的结构紧凑、直接驱动、无电磁干扰、易于小型化等特点，在极端工作环境中拥有者广泛的应用前景。本发明提出了基于逆压电效应和摩擦作用驱动的贴片式旋转型双驱动压电作动器，可实现转子的正反转以及机构简单、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是贴片式旋转型双驱动压电作动器的结构示意图；

图2是第一扭振压电元件组的极化方向、电信号施加方式对比示意图；

图3是弯振压电元件组的极化方向和电信号施加方式示意图；

图4是第一侧梁扭振的工作模态示意图；

图5是底梁的工作模态示意图；

图6是底梁诱发的第一侧梁的弯振模态示意图；

图7是扭振激励下的第一、第二驱动圆环（展开）的四阶面外弯振工作模态对比示意图；

图8是弯振激励下的第一、第二驱动圆环（展开）的四阶面外弯振工作模态对比示意图；

图9是两种四阶面外弯振工作模态下第一、第二驱动圆环的驱动齿的运动轨迹对比示意图。

图中，1-第一驱动圆环，2-U形梁，3-驱动齿，4-第一扭振压电元件组，5-弯振压电元件组，6-第二安装架的安装片。

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所示，本发明公开了一种贴片式旋转型双驱动压电作动器，包含U形梁、第一驱动圆环、第二驱动圆环、第一至第二连接杆、第一至第二扭振压电元件组、弯振压电元件组、第一安装架和第二安装架；

所述U形梁包含底梁和对称的第一侧梁、第二侧梁，底梁的两端分别和第一侧梁的一端、第二侧梁的一端垂直固连；所述底梁、第一侧梁、第二侧梁均为长方体，均包含第一至第四侧面以及两个端面，第一至第四侧面依次相连，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；所述第一侧梁的第三侧面、第二侧梁的第一侧面位于U形梁的内侧，第一侧梁的第一侧面、第二侧梁的第三侧面位于U形梁的外侧，且底梁的第一侧面分别和第一侧梁的第一侧面、第二侧梁的第三侧面相连；

所述第一连接杆和第二连接杆均为柱体，一个端面为平面、另外一个端面为弧面；第一连接杆的平面端和所述第一侧梁的另一端固连、弧面端和所述第一驱动圆环的侧面固连；第二连接杆的平面端和所述第二侧梁的另一端固连、弧面端和所述第二驱动圆环的侧面固连；

所述第一连接杆、第一侧梁同轴且轴线经过第一驱动圆环的中心，第二连接杆、第二侧梁同轴且轴线经过第二驱动圆环的中心，第一驱动圆环、第二驱动圆环的两个端面均和第一侧梁的第一侧面平行；

所述第一安装架和第二安装架均包含两个安装片，其中，第一安装架的两个安装片对称设置在第一侧梁的第二侧面、第四侧面上，第二安装架的两个安装片对称设置在第二侧梁的第二侧面、第四侧面上；所述第一安装架、第二安装架的两个安装片上均设有通孔，用于固定贴片式旋转型双驱动压电作动器；

如图3所示，所述弯振压电元件组包含两片弯振压电元件，所述弯振压电元件采用单分区压电元件、沿厚度方向极化；所述两片弯振压电元件极化方向相同，对称设置在所述底梁第一侧面、第三侧面的中心；

如图2所示，所述第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组均包含第一扭振压电单元和第二扭振压电单元，所述第一扭振压电单元、第二扭振压电单元均包含第一至第四扭振压电元件，所述第一至第四扭振压电元件均和U形梁粘接，形成田字格正方形，所述第一至第四扭振压电元件均沿厚度方向极化，且相邻扭振压电元件的极化方向相反；

所述第一扭振压电元件组的第一扭振压电单元、第二扭振压电单元对称设置在第一侧梁第一侧面、第三侧面的中心，第二扭振压电元件组的第一扭振压电单元、第二扭振压电单元对称设置在第二侧梁第一侧面、第三侧面的中心；第一扭振压电元件组中第一扭振压电单元、第二扭振压电单元对应位置的扭振压电元件的极化方向相反；第一扭振压电元件组的第一扭振压电单元、第二扭振压电元件组的第一扭振压电单元对应位置的扭振压电元件的极化方向相同；

所述第一驱动圆环远离第二驱动圆环的端面上周向均匀设有m个驱动齿，第二驱动圆环远离第一驱动圆环的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；

所述第一驱动圆环中，到驱动梁最近的驱动齿的中心和驱动圆环中心的连线、驱动梁的轴线之间的夹角为3π/4m；所述第二驱动圆环中，到驱动梁最近的驱动齿的中心和驱动圆环中心的连线、驱动梁的轴线之间的夹角为9π/4m。

作为本发明一种贴片式旋转型双驱动压电作动器进一步的优化方案，所述第一扭振压电元件组和第二扭振压电元件组中第一扭振压电单元、第二扭振压电单元形成的正方形的边长和所述第一侧梁第一侧面的宽相等，该正方形的两条边和第一侧面的两个长边对齐；

弯振压电元件组中两片弯振压电元件的两条边均和底梁第一侧面的两个长边对齐。

本发明公开了一种该贴片式旋转型双驱动压电作动器的单模态驱动方法，包括如下步骤：

步骤A.1），对第一、第二扭振压电元件组施加第一简谐电压信号，如图2所示，激励出第一侧梁、第二侧梁的2n+1阶扭振模态，如图4所示，n为大于等于0的整数，该扭振模态会诱发第一、第二驱动圆环的m阶面外弯振模态，如图7所示，在简谐振动下每个驱动齿的运动轨迹均为一个椭圆，且第一、第二驱动圆环的驱动齿的椭圆运动轨迹方向相反，如图9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，停止对第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组施加第一简谐电压信号，对弯振压电元件组施加第二简谐电压信号，如图3所示，激励出底梁的2n+1阶弯振模态，如图5所示，诱发出第一侧梁、第二侧梁的2n+2阶弯振模态，如图6所示，该弯振模态会激励第一、第二驱动圆环产生另一个m阶面外弯振模态，如图8所示，此时第一、第二驱动圆环的驱动齿的运动轨迹为和扭振模态下相反的椭圆，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贴片式旋转型双驱动压电作动器的复合模态驱动方法，包括如下步骤：

步骤B.1），同时对第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组和第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组施加两相简谐电压信号，使得第一、第二驱动圆环产生两个具有π/2空间相位差的驻波，调整第一、第二简谐电压信号在时间上的相位差为π/2，使第一、第二驱动圆环的两个驻波叠加成一个行波，驱动齿在行波下做椭圆运动，第一、第二驱动圆环的驱动齿椭圆运动轨迹方向相反，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B.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的相位差即可。

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)

1.一种贴片式旋转型双驱动压电作动器，其特征在于，包含U形梁、第一驱动圆环、第二驱动圆环、第一至第二连接杆、第一至第二扭振压电元件组、弯振压电元件组、第一安装架和第二安装架；

所述U形梁包含底梁和对称的第一侧梁、第二侧梁，底梁的两端分别和第一侧梁的一端、第二侧梁的一端垂直固连；所述底梁、第一侧梁、第二侧梁均为长方体，均包含第一至第四侧面以及两个端面，第一至第四侧面依次相连，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；所述第一侧梁的第三侧面、第二侧梁的第一侧面位于U形梁的内侧，第一侧梁的第一侧面、第二侧梁的第三侧面位于U形梁的外侧，且底梁的第一侧面分别和第一侧梁的第一侧面、第二侧梁的第三侧面相连；

所述第一连接杆和第二连接杆均为柱体，一个端面为平面、另外一个端面为弧面；第一连接杆的平面端和所述第一侧梁的另一端固连、弧面端和所述第一驱动圆环的侧面固连；第二连接杆的平面端和所述第二侧梁的另一端固连、弧面端和所述第二驱动圆环的侧面固连；

所述第一连接杆、第一侧梁同轴且轴线经过第一驱动圆环的中心，第二连接杆、第二侧梁同轴且轴线经过第二驱动圆环的中心，第一驱动圆环、第二驱动圆环的两个端面均和第一侧梁的第一侧面平行；

所述第一安装架和第二安装架均包含两个安装片，其中，第一安装架的两个安装片对称设置在第一侧梁的第二侧面、第四侧面上，第二安装架的两个安装片对称设置在第二侧梁的第二侧面、第四侧面上；所述第一安装架、第二安装架的两个安装片上均设有通孔，用于固定贴片式旋转型双驱动压电作动器；

所述弯振压电元件组包含两片弯振压电元件，所述弯振压电元件采用单分区压电元件、沿厚度方向极化；所述两片弯振压电元件极化方向相同，对称设置在所述底梁第一侧面、第三侧面的中心；

所述第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组均包含第一扭振压电单元和第二扭振压电单元，所述第一扭振压电单元、第二扭振压电单元均包含第一至第四扭振压电元件，所述第一至第四扭振压电元件均和U形梁粘接，形成田字格正方形，所述第一至第四扭振压电元件均沿厚度方向极化，且相邻扭振压电元件的极化方向相反；

所述第一扭振压电元件组的第一扭振压电单元、第二扭振压电单元对称设置在第一侧梁第一侧面、第三侧面的中心，第二扭振压电元件组的第一扭振压电单元、第二扭振压电单元对称设置在第二侧梁第一侧面、第三侧面的中心；第一扭振压电元件组中第一扭振压电单元、第二扭振压电单元对应位置的扭振压电元件的极化方向相反；第一扭振压电元件组的第一扭振压电单元、第二扭振压电元件组的第一扭振压电单元对应位置的扭振压电元件的极化方向相同；

所述第一驱动圆环远离第二驱动圆环的端面上周向均匀设有m个驱动齿，第二驱动圆环远离第一驱动圆环的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；

所述第一驱动圆环中，到驱动梁最近的驱动齿的中心和驱动圆环中心的连线、驱动梁的轴线之间的夹角为3π/4m。

2.根据权利要求1所述的贴片式旋转型双驱动压电作动器，其特征在于，所述第一扭振压电元件组和第二扭振压电元件组中第一扭振压电单元、第二扭振压电单元形成的正方形的边长和所述第一侧梁第一侧面的宽相等，该正方形的两条边和第一侧面的两个长边对齐；

弯振压电元件组中两片弯振压电元件的两条边均和底梁第一侧面的两个长边对齐。

3.基于权利要求1所述的贴片式旋转型双驱动压电作动器的单模态驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A.1），对第一、第二扭振压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出第一侧梁、第二侧梁的2n+1阶扭振模态，n为大于等于0的整数，该扭振模态会诱发第一、第二驱动圆环的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，且第一、第二驱动圆环的驱动齿的椭圆运动轨迹方向相反，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，停止对第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组施加第一简谐电压信号，对弯振压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出底梁的2n+1阶弯振模态，诱发出第一侧梁、第二侧梁的2n+2阶弯振模态，该弯振模态会激励第一、第二驱动圆环产生另一个m阶面外弯振模态，此时第一、第二驱动圆环的驱动齿的运动轨迹为和扭振模态下相反的椭圆，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所述的贴片式旋转型双驱动压电作动器的复合模态驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤B.1），同时对第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组和第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组施加两相简谐电压信号，使得第一、第二驱动圆环产生两个具有π/2空间相位差的驻波，调整第一、第二简谐电压信号在时间上的相位差为π/2，使第一、第二驱动圆环的两个驻波叠加成一个行波，驱动齿在行波下做椭圆运动，第一、第二驱动圆环的驱动齿椭圆运动轨迹方向相反，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B.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的相位差即可。