CN111193434A - 基于夹心式框架作动器的轨道运载系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于夹心式框架作动器的轨道运载系统及其工作方法，轨道运载系统包含轨道和若干夹心式框架作动器；夹心式框架作动器包含四个T形梁、四个连接螺栓、四个压电元件组、四个驱动足和预紧机构；预紧机构包含两个固定梁、四个固定螺栓、四个隔振垫圈、两个预紧螺栓、两个预紧螺帽、两个弹簧、连接轴和两个被动轮；夹心式框架作动器套在轨道上，四个驱动足和轨道的上端面相抵，两个被动轮和轨道的下端面相抵。本发明利用压电材料的逆压电效应将电能装换为机械能，依靠摩擦作用直接驱动机器人运动，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，且能在强磁场及真空环境下工作。

Description

基于夹心式框架作动器的轨道运载系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及压电驱动技术和运载机器人技术领域，尤其涉及一种基于夹心式框架作动器的轨道运载系统及其工作方法。

背景技术

磁约束核聚变试验过程中，托卡马克装置在强磁场、超大电流、超低温、极高温、高热负载等极端工况下运行，装置内各部件的强度、刚度、寿命经受严酷的考验。托卡马克装置的真空室在试验过程中遭受不同程度的高能中子辐射，直接面对等离子体的真空室内壁更容易产生表面腐蚀、结构材料活化以及材料特性改变，导致部件功能衰变和丧失，因此对于真空室内壁的进行定期的检测和维护时保证核聚变试验正常进行的一项必要工作。现有核聚变环境机器人主要有悬臂式多关节机器人和有轨式运载机器人，目前存在的问题主要是机器人系统通常采用电磁机配合谐波减速器或者齿轮进行驱动与控制，难以适应托卡马克装置内的极端环境，机器人系统的可靠性和可控性难以保障。

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，提供基于夹心式框架作动器的轨道运载系统及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于夹心式框架作动器的轨道运载系统，包含轨道和若干夹心式框架作动器；

所述夹心式框架作动器包含第一至第四T形梁、第一至第四连接螺栓、第一至第四压电元件组、第一至第四驱动足和预紧机构；

所述第一至第四T形梁均包含第一支梁和第二支梁，其中，第一支梁、第二支梁均为长方体，第二支梁的一端和所述第一支梁的中点垂直固连；所述第一、第三T形梁的第一支梁沿其轴线方向设有螺纹孔，第一、第三T形梁的第二支梁沿其轴线方向设有通孔，第二、第四T形梁的第一支梁沿其轴线方向设有通孔，第二、第四T形梁的第二支梁沿其轴线方向设有螺纹孔；

所述第一至第四压电元件组均包含2x个中心设有通孔的矩形压电元件，x为大于等于1的整数；

所述第一连接螺栓和第一T形梁第二支梁的通孔相连且依次穿过第一T形梁第二支梁的通孔、第一压电元件组中各个矩形压电元件中心的通孔后和所述第四T形梁第二支梁一端的螺纹孔相连，将第一压电元件组固定在第一T形梁的第二支梁、第四T形梁的第二支梁之间；

所述第二连接螺栓和第二T形梁第一支梁的通孔相连且依次穿过第二T形梁第一支梁的通孔、第二压电元件组中各个矩形压电元件中心的通孔后和所述第一T形梁第一支梁一端的螺纹孔螺纹相连，将第二压电元件组固定在第二T形梁的第一支梁、第一T形梁的第一支梁之间；

所述第三连接螺栓和第三T形梁第二支梁的通孔相连且依次穿过第三T形梁第二支梁的通孔、第三压电元件组中各个矩形压电元件中心的通孔后和所述第二T形梁第二支梁一端的螺纹孔螺纹相连，将第三压电元件组固定在第三T形梁的第二支梁、第二T形梁的第二支梁之间；

所述第四连接螺栓和第四T形梁第一支梁的通孔相连且依次穿过第四T形梁第一支梁的通孔、第四压电元件组中各个矩形压电元件中心的通孔后和所述第三T形梁第一支梁一端的螺纹孔螺纹相连，将第四压电元件组固定在第四T形梁的第一支梁、第三T形梁的第一支梁之间；

所述第一至第四T形梁、第一至第四连接螺栓、第一至第四压电元件组形成框架，其中，第一T形梁的第一支梁、第二压电元件组、第二T形梁的第一支梁、第二连接螺栓形成第一横梁；第二T形梁的第二支梁、第三压电元件组、第三T形梁的第二支梁、第三连接螺栓形成第一竖梁；第三T形梁的第一支梁、第四压电元件组、第四T形梁的第一支梁、第四连接螺栓形成第二横梁；第四T形梁的第二支梁、第一压电元件组、第一T形梁的第二支梁、第一连接螺栓形成第二竖梁；

所述第一至第四驱动足均设置在所述框架底端面上，分别和第一T形梁第一支梁靠近第二T形梁第一支梁的一端、第二T形梁第一支梁靠近第一T形梁第一支梁的一端、第三T形梁第一支梁靠近第四T形梁第一支梁的一端、第四T形梁第一支梁靠近第三T形梁第一支梁的一端固连；

所述第一竖梁、第二竖梁上在其外侧均对称设有两个平行于框架底端面且在其振动节点位置上的螺纹孔；

所述预紧机构包含第一至第二固定梁、第一至第四固定螺栓、第一至第四隔振垫圈、第一至第二预紧螺栓、第一至第二预紧螺帽、第一至第二弹簧、连接轴、第一被动轮和第二被动轮；

所述第一至第四隔振垫圈均呈圆环状；

所述第一固定梁对应于第一竖梁上的两个螺纹孔设有两个固定通孔；所述第一固定螺栓依次穿过第一固定梁的一个固定通孔、第一隔振垫圈后和第一竖梁上的一个螺纹孔螺纹相连，第二固定螺栓依次穿过第一固定梁的另一个固定通孔、第二隔振垫圈后和第一竖梁上的另一个螺纹孔螺纹相连，将第一固定梁固定在第一竖梁上；

所述第二固定梁对应于第二竖梁上的两个螺纹孔设有两个固定通孔；所述第三固定螺栓依次穿过第二固定梁的一个固定通孔、第三隔振垫圈后和第二竖梁上的一个螺纹孔螺纹相连，第四固定螺栓依次穿过第二固定梁的另一个固定通孔、第四隔振垫圈后和第二竖梁上的另一个螺纹孔螺纹相连，将第二固定梁固定在第二竖梁上；

所述连接轴包含依次相连的第一固定部、连接部和第二固定板，其中，第一固定部和第二固定部均为矩形板、平行于所述框架底端面，且第一固定部、第二固定部的中心均设有通孔；连接部为圆柱状；

所述第一固定梁、第二固定梁的中点处均设有垂直于框架底端面的调节通孔；

所述第一预紧螺栓依次穿过第一固定梁上的调节通孔、连接轴第一固定部上的通孔后和所述第一预紧螺帽螺纹相连；所述第一弹簧套在第一预紧螺栓上，两端分别和第一固定梁、连接轴第一固定部相抵；

所述第二预紧螺栓依次穿过第二固定梁上的调节通孔、连接轴第二固定部上的通孔后和所述第二预紧螺帽螺纹相连；所述第二弹簧套在第二预紧螺栓上，两端分别和第二固定梁、连接轴第二固定部相抵；

所述第一被动轮、第二被动轮中心均设有通孔，分别通过轴承设置在连接轴连接部的两端；

所述夹心式框架作动器套在所述轨道上，第一至第四驱动足和轨道的上端面相抵，第一被动轮、第二被动轮和轨道的下端面相抵。

本发明还公开了一种该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统进一步的优化方案，所述第一至第四驱动足呈半圆柱状，包含一个弧面侧壁、一个矩形侧壁和两个端面，其中，矩形侧壁和所述框架的底端面固连、弧面侧壁和轨道上端面相抵。

本发明还公开了一种该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统进一步的优化方案，所述轨道的上端面设有第一凹槽，使得第一至第四驱动足均位于凹槽内，用于限定夹心式框架作动器的运动方向。

本发明还公开了一种该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统进一步的优化方案，所述第一被动轮、第二被动轮的胎面上均设有环形凹槽；

所述轨道的下端面上设有凸起的第一导轨、第二导轨，分别和所述第一被动轮、第二被动轮上凹槽相匹配，用于限定第一被动轮、第二被动轮的运动方向。

本发明还公开了一种该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统进一步的优化方案，所述第一至第四压电元件组中的矩形压电元件均采用二分区压电元件，沿厚度方向极化，每片压电元件两个分区极化方向相反，且相邻两片压电元件极化方向相反；

所述第一、第三压电元件组中的矩形压电元件沿框架厚度方向上下二分区；第一、第三压电元件组的极化方向相同；

所述第二、第四压电元件组中的矩形压电元件沿第一竖梁的长度方向左右二分区；第二、第四压电元件组的极化方向相同。

此时，该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统的夹心式框架作动器驱动方法包括如下步骤：

对第一、第三压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出第一、第二竖梁的同形面外2n+1阶弯曲振动模态，n为大于等于0的整数，诱发出第一、第二横梁的同形面外2m+1阶弯曲振动模态，m为大于等于0的整数；对第二、第四压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出第一、第二横梁的同形面内2c+1阶弯曲振动模态，c为大于等于0的整数；

调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上具有π/2的相位差，第一、第二横梁的面外2m+1阶弯振模态和面内2c+1阶弯振模态在空间上正交，在振动耦合作用下第一至第四驱动足的运动轨迹为一个椭圆，在摩擦作用下驱动夹心式框架作动器向一个方向运动；

如果需要夹心式框架作动器反向运动，调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上的相位差为-π/2即可。

本发明还公开了一种该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统进一步的优化方案，所述第二、第四压电元件组中的矩形压电元件均采用二分区压电元件，沿框架厚度方向上下二分区，沿厚度方向极化，每片压电元件两个分区极化方向相反，且相邻两片压电元件极化方向相反；第二、第四压电元件组的极化方向相同；

所述第一、第三压电元件组中的矩形压电元件均采用单分区压电元件，沿厚度方向极化，且相邻两片压电元件极化方向相反；第一、第三压电元件组的极化方向相同。

此时，该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统的夹心式框架作动器驱动方法包括如下步骤：

对第一、第三压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出第一、第二竖梁的同形2a+1阶纵振模态，a为大于等于0的整数，诱发出第一、第二横梁的同形面内2m+1阶弯曲振动模态，m为大于等于0的整数；对第二、第四压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出第一、第二横梁的同形面外2c+1阶弯曲振动模态，c为大于等于0的整数；

调整第一、第二两相简谐电压信号使其在时间上具有π/2的相位差，第一、第二横梁的面内2m+1阶弯振模态和面外2c+1阶弯振模态在空间上正交，在两种模态的耦合下第一至第四驱动足的运动轨迹为一个椭圆，在摩擦作用下驱动夹心式框架作动器向一个方向运动；

如果需要夹心式框架作动器反向运动，调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上的相位差为-π/2即可。

本发明还公开了一种该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统进一步的优化方案，所述第二、第四压电元件组中矩形压电元件均采用二分区压电元件，沿第一竖梁的长度方向左右二分区，沿厚度方向极化，每片压电元件两个分区极化方向相反，且相邻两片压电元件极化方向相反；第二、第四压电元件组的极化方向相反；

所述第一、第三压电元件组中矩形压电元件均采用四分区压电元件，极化方向分区方向相同，沿压电元件的中心通孔的圆周方向极化，沿第一横梁、第二竖梁的长度方向四分区。

此时，该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统的夹心式框架作动器驱动方法包括如下步骤：

对第一、第三压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出第一、第二竖梁的同形2a+1阶扭转振动模态，a为大于等于0的整数，诱发出第一横梁的面外2m+1阶弯曲振动模态，以及第二横梁的对称面外2m+1阶弯曲振动模态，m为大于等于0的整数；对第二、第四的压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出第一横梁的面内2c+1阶弯曲振动模态，以及第二横梁的对称面内2c+1阶弯曲振动模态，c为大于等于0的整数；

调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上具有π/2的相位差，第一、第二的面外2m+1阶弯振模态和面内2c+1阶弯振模态在空间上正交，在模态耦合下第一至第四驱动足的运动轨迹为一个同向的椭圆，在摩擦力的作用下驱动夹心式框架作动器向一个方向运动；

如果需要夹心式框架作动器反向运动，调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上的相位差为-π/2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：

本发明考虑到压电驱动在高真空、高温等恶劣环境下的良好适应性尤其是具有电磁兼容性好的有点，提出了夹心式框架型轨道运载机器人。利用压电激励与摩擦驱动原理实现运载机器人的驱动。利用压电驱动结构简单、紧凑、传动链短的特点，简化整个系统的结构，减少体积和重量，提高可靠性；利用压电驱动控制简便、定位精度高的特点，提高系统的可控性。

附图说明

图1是夹心式框架作动器的结构示意图；

图2是夹心式框架作动器和轨道相配合的结构示意图；

图3是夹心式框架作动器中预紧机构的结构示意图；

图4是第二T形梁和第二驱动足相配合的结构示意图；

图5是框架、第一至第四驱动足相配合的结构示意图；

图6是连接轴的结构示意图；

图7是第一竖梁面外弯曲振动的工作模态示意图；

图8是第一竖梁面外弯曲振动模态下第二压电元件组的极化方式；

图9是第一横梁面内弯曲振动的工作模态示意图；

图10是第一横梁面内弯曲振动模态下第一压电元件组的极化方式；

图11是第一横梁面外弯曲振动的工作模态示意图；

图12是第一横梁面外弯曲振动模态下的第一压电元件组的极化方式；

图13是第一竖梁纵振工作模态示意图；

图14是第一竖梁纵振模态下的第二压电元件组的极化方式；

图15是第一竖梁扭振的工作模态示意图；

图16是第一竖梁扭振模态下的第二压电元件组的极化方式；

图17是第一竖梁和第二竖梁扭振模态诱发的第一横梁、第二横梁的面内弯振模态对比示意图；

图18是第一竖梁和第二竖梁扭振模态时第一横梁、第二横梁的面内弯振模态和压电元件组的极化方向的对比示意图；

图19是第一、第三驱动足的椭圆运动轨迹示意图。

图中，1-夹心式框架型压电作动器，2-第一固定梁，3-第一预紧螺栓，4-第一弹簧，5-连接轴，6-第二被动轮，7-第二T形梁，8-第一T形梁，9-第三连接螺栓，10-第三压电元件组，11-驱动足，12-第一横梁，13-第二横梁，14-第二竖梁，15-第一竖梁，16-轨道。

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2所示，本发明公开了一种基于夹心式框架作动器的轨道运载系统，包含轨道和若干夹心式框架作动器；

如图1所示，所述夹心式框架作动器包含第一至第四T形梁、第一至第四连接螺栓、第一至第四压电元件组、第一至第四驱动足和预紧机构；

所述第一至第四T形梁均包含第一支梁和第二支梁，其中，第一支梁、第二支梁均为长方体，第二支梁的一端和所述第一支梁的中点垂直固连；所述第一、第三T形梁的第一支梁沿其轴线方向设有螺纹孔，第一、第三T形梁的第二支梁沿其轴线方向设有通孔，第二、第四T形梁的第一支梁沿其轴线方向设有通孔，第二、第四T形梁的第二支梁沿其轴线方向设有螺纹孔；

所述第一至第四压电元件组均包含2x个中心设有通孔的矩形压电元件，x为大于等于1的整数；

所述第一连接螺栓和第一T形梁第二支梁的通孔相连且依次穿过第一T形梁第二支梁的通孔、第一压电元件组中各个矩形压电元件中心的通孔后和所述第四T形梁第二支梁一端的螺纹孔螺纹相连，将第一压电元件组固定在第一T形梁的第二支梁、第四T形梁的第二支梁之间；

所述第二连接螺栓和第二T形梁第一支梁的通孔相连且依次穿过第二T形梁第一支梁的通孔、第二压电元件组中各个矩形压电元件中心的通孔后和所述第一T形梁第一支梁一端的螺纹孔螺纹相连，将第二压电元件组固定在第二T形梁的第一支梁、第一T形梁的第一支梁之间；

所述第三连接螺栓和第三T形梁第二支梁的通孔相连且依次穿过第三T形梁第二支梁的通孔、第三压电元件组中各个矩形压电元件中心的通孔后和所述第二T形梁第二支梁一端的螺纹孔螺纹相连，将第三压电元件组固定在第三T形梁的第二支梁、第二T形梁的第二支梁之间；

所述第四连接螺栓和第四T形梁第一支梁的通孔相连且依次穿过第四T形梁第一支梁的通孔、第四压电元件组中各个矩形压电元件中心的通孔后和所述第三T形梁第一支梁一端的螺纹孔螺纹相连，将第四压电元件组固定在第四T形梁的第一支梁、第三T形梁的第一支梁之间；

所述第一至第四T形梁、第一至第四连接螺栓、第一至第四压电元件组形成框架，其中，第一T形梁的第一支梁、第二压电元件组、第二T形梁的第一支梁、第二连接螺栓形成第一横梁；第二T形梁的第二支梁、第三压电元件组、第三T形梁的第二支梁、第三连接螺栓形成第一竖梁；第三T形梁的第一支梁、第四压电元件组、第四T形梁的第一支梁、第四连接螺栓形成第二横梁；第四T形梁的第二支梁、第一压电元件组、第一T形梁的第二支梁、第一连接螺栓形成第二竖梁；

如图4、图5所示，所述第一至第四驱动足均设置在所述框架底端面上，分别和第一T形梁第一支梁靠近第二T形梁第一支梁的一端、第二T形梁第一支梁靠近第一T形梁第一支梁的一端、第三T形梁第一支梁靠近第四T形梁第一支梁的一端、第四T形梁第一支梁靠近第三T形梁第一支梁的一端固连；

所述第一竖梁、第二竖梁上在其外侧均对称设有两个平行于框架底端面且在其振动节点位置上的螺纹孔；

如图3所示，所述预紧机构包含第一至第二固定梁、第一至第四固定螺栓、第一至第四隔振垫圈、第一至第二预紧螺栓、第一至第二预紧螺帽、第一至第二弹簧、连接轴、第一被动轮和第二被动轮；

所述第一至第四隔振垫圈均呈圆环状；

所述第一固定梁对应于第一竖梁上的两个螺纹孔设有两个固定通孔；所述第一固定螺栓依次穿过第一固定梁的一个固定通孔、第一隔振垫圈后和第一竖梁上的一个螺纹孔螺纹相连，第二固定螺栓依次穿过第一固定梁的另一个固定通孔、第二隔振垫圈后和第一竖梁上的另一个螺纹孔螺纹相连，将第一固定梁固定在第一竖梁上；

所述第二固定梁对应于第二竖梁上的两个螺纹孔设有两个固定通孔；所述第三固定螺栓依次穿过第二固定梁的一个固定通孔、第三隔振垫圈后和第二竖梁上的一个螺纹孔螺纹相连，第四固定螺栓依次穿过第二固定梁的另一个固定通孔、第四隔振垫圈后和第二竖梁上的另一个螺纹孔螺纹相连，将第二固定梁固定在第二竖梁上；

如图6所示，所述连接轴包含依次相连的第一固定部、连接部和第二固定板，其中，第一固定部和第二固定部均为矩形板、平行于所述框架底端面，且第一固定部、第二固定部的中心均设有通孔；连接部为圆柱状；

所述第一固定梁、第二固定梁的中点处均设有垂直于框架底端面的调节通孔；

所述第一预紧螺栓依次穿过第一固定梁上的调节通孔、连接轴第一固定部上的通孔后和所述第一预紧螺帽螺纹相连；所述第一弹簧套在第一预紧螺栓上，两端分别和第一固定梁、连接轴第一固定部相抵；

所述第二预紧螺栓依次穿过第二固定梁上的调节通孔、连接轴第二固定部上的通孔后和所述第二预紧螺帽螺纹相连；所述第二弹簧套在第二预紧螺栓上，两端分别和第二固定梁、连接轴第二固定部相抵；

所述第一被动轮、第二被动轮中心均设有通孔，分别通过轴承设置在连接轴连接部的两端；

所述夹心式框架作动器套在所述轨道上，第一至第四驱动足和轨道的上端面相抵，第一被动轮、第二被动轮和轨道的下端面相抵。

本发明还公开了一种该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统进一步的优化方案，所述第一至第四驱动足呈半圆柱状，包含一个弧面侧壁、一个矩形侧壁和两个端面，其中，矩形侧壁和所述框架的底端面固连、弧面侧壁和轨道上端面相抵。

本发明还公开了一种该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统进一步的优化方案，所述轨道的上端面设有第一凹槽，使得第一至第四驱动足均位于凹槽内，用于限定夹心式框架作动器的运动方向。

本发明还公开了一种该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统进一步的优化方案，所述第一被动轮、第二被动轮的胎面上均设有环形凹槽；

所述轨道的下端面上设有凸起的第一导轨、第二导轨，分别和所述第一被动轮、第二被动轮上凹槽相匹配，用于限定第一被动轮、第二被动轮的运动方向。

本发明还公开了一种该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统进一步的优化方案，所述第一至第四压电元件组中的矩形压电元件均采用二分区压电元件，沿厚度方向极化，每片压电元件两个分区极化方向相反，且相邻两片压电元件极化方向相反；

所述第一、第三压电元件组中的矩形压电元件沿框架厚度方向上下二分区；第一、第三压电元件组的极化方向相同，如图8所示；

所述第二、第四压电元件组中的矩形压电元件沿第一竖梁的长度方向左右二分区；第二、第四压电元件组的极化方向相同，如图10所示。

此时，该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统的夹心式框架作动器驱动方法包括如下步骤：

对第一、第三压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出第一、第二竖梁的同形面外2n+1阶弯曲振动模态，如图7所示，n为大于等于0的整数，诱发出第一、第二横梁的同形面外2m+1阶弯曲振动模态，m为大于等于0的整数，如图11所示；对第二、第四压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出第一、第二横梁的同形面内2c+1阶弯曲振动模态，c为大于等于0的整数，如图9所示；

调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上具有π/2的相位差，第一、第二横梁的面外2m+1阶弯振模态和面内2c+1阶弯振模态在空间上正交，在振动耦合作用下第一至第四驱动足的运动轨迹为一个椭圆，如图19所示，在摩擦作用下驱动夹心式框架作动器向一个方向运动；

如果需要夹心式框架作动器反向运动，调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上的相位差为-π/2即可。

本发明还公开了一种该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统进一步的优化方案，所述第二、第四压电元件组中的矩形压电元件均采用二分区压电元件，沿框架厚度方向上下二分区，沿厚度方向极化，每片压电元件两个分区极化方向相反，且相邻两片压电元件极化方向相反；第二、第四压电元件组的极化方向相同；如图12所示；

所述第一、第三压电元件组中的矩形压电元件均采用单分区压电元件，沿厚度方向极化，且相邻两片压电元件极化方向相反；第二、第四压电元件组的极化方向相同，如图14所示。

此时，该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统的夹心式框架作动器驱动方法包括如下步骤：

对第一、第三压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出第一、第二竖梁的同形2a+1阶纵振模态，如图13所示，a为大于等于0的整数，诱发出第一、第二横梁的同形面内2m+1阶弯曲振动模态，如图9所示，m为大于等于0的整数；对第二、第四压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出第一、第二横梁的同形面外2c+1阶弯曲振动模态，如图11所示，c为大于等于0的整数；

调整第一、第二两相简谐电压信号使其在时间上具有π/2的相位差，第一、第二横梁的面内2m+1阶弯振模态和面外2c+1阶弯振模态在空间上正交，在两种模态的耦合下第一至第四驱动足的运动轨迹为一个椭圆，如图19所示，在摩擦作用下驱动夹心式框架作动器向一个方向运动；

如果需要夹心式框架作动器反向运动，调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上的相位差为-π/2即可。

本发明还公开了一种该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统进一步的优化方案，所述第二、第四压电元件组中矩形压电元件均采用二分区压电元件，沿第一竖梁的长度方向左右二分区，沿厚度方向极化，每片压电元件两个分区极化方向相反，且相邻两片压电元件极化方向相反；第二、第四压电元件组的极化方向相反；如图18所示；

所述第一、第三压电元件组中矩形压电元件均采用四分区压电元件，极化方向分区方向相同，沿压电元件的中心通孔的圆周方向极化，沿第一横梁、第二竖梁的长度方向四分区，如图16所示。

此时，该基于夹心式框架作动器的轨道运载系统的夹心式框架作动器驱动方法包括如下步骤：

对第一、第三压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出第一、第二竖梁的同形2a+1阶扭转振动模态，如图15所示，a为大于等于0的整数，诱发出第一横梁的面外2m+1阶弯曲振动模态，以及第二横梁的对称面外2m+1阶弯曲振动模态，如图17所示，m为大于等于0的整数；对第二、第四的压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出第一横梁的面内2c+1阶弯曲振动模态，以及第二横梁的对称面内2c+1阶弯曲振动模态，如图18所示，c为大于等于0的整数；

调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上具有π/2的相位差，第一、第二的面外2m+1阶弯振模态和面内2c+1阶弯振模态在空间上正交，在模态耦合下第一至第四驱动足的运动轨迹为一个同向的椭圆，如图19所示，在摩擦力的作用下驱动夹心式框架作动器向一个方向运动；

如果需要夹心式框架作动器反向运动，调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上的相位差为-π/2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 (10)

1.基于夹心式框架作动器的轨道运载系统，其特征在于，包含轨道和若干夹心式框架作动器；

所述夹心式框架作动器包含第一至第四T形梁、第一至第四连接螺栓、第一至第四压电元件组、第一至第四驱动足和预紧机构；

所述第一至第四T形梁均包含第一支梁和第二支梁，其中，第一支梁、第二支梁均为长方体，第二支梁的一端和所述第一支梁的中点垂直固连；所述第一、第三T形梁的第一支梁沿其轴线方向设有螺纹孔，第一、第三T形梁的第二支梁沿其轴线方向设有通孔，第二、第四T形梁的第一支梁沿其轴线方向设有通孔，第二、第四T形梁的第二支梁沿其轴线方向设有螺纹孔；

所述第一至第四压电元件组均包含2x个中心设有通孔的矩形压电元件，x为大于等于1的整数；

所述第一连接螺栓和第一T形梁第二支梁的通孔相连且依次穿过第一T形梁第二支梁的通孔、第一压电元件组中各个矩形压电元件中心的通孔后和所述第四T形梁第二支梁一端的螺纹孔螺纹相连，将第一压电元件组固定在第一T形梁的第二支梁、第四T形梁的第二支梁之间；

所述第二连接螺栓和第二T形梁第一支梁的通孔相连且依次穿过第二T形梁第一支梁的通孔、第二压电元件组中各个矩形压电元件中心的通孔后和所述第一T形梁第一支梁一端的螺纹孔螺纹相连，将第二压电元件组固定在第二T形梁的第一支梁、第一T形梁的第一支梁之间；

所述第三连接螺栓和第三T形梁第二支梁的通孔相连且依次穿过第三T形梁第二支梁的通孔、第三压电元件组中各个矩形压电元件中心的通孔后和所述第二T形梁第二支梁一端的螺纹孔螺纹相连，将第三压电元件组固定在第三T形梁的第二支梁、第二T形梁的第二支梁之间；

所述第四连接螺栓和第四T形梁第一支梁的通孔相连且依次穿过第四T形梁第一支梁的通孔、第四压电元件组中各个矩形压电元件中心的通孔后和所述第三T形梁第一支梁一端的螺纹孔螺纹相连，将第四压电元件组固定在第四T形梁的第一支梁、第三T形梁的第一支梁之间；

所述第一至第四T形梁、第一至第四连接螺栓、第一至第四压电元件组形成框架，其中，第一T形梁的第一支梁、第二压电元件组、第二T形梁的第一支梁、第二连接螺栓形成第一横梁；第二T形梁的第二支梁、第三压电元件组、第三T形梁的第二支梁、第三连接螺栓形成第一竖梁；第三T形梁的第一支梁、第四压电元件组、第四T形梁的第一支梁、第四连接螺栓形成第二横梁；第四T形梁的第二支梁、第一压电元件组、第一T形梁的第二支梁、第一连接螺栓形成第二竖梁；

所述第一至第四驱动足均设置在所述框架底端面上，分别和第一T形梁第一支梁靠近第二T形梁第一支梁的一端、第二T形梁第一支梁靠近第一T形梁第一支梁的一端、第三T形梁第一支梁靠近第四T形梁第一支梁的一端、第四T形梁第一支梁靠近第三T形梁第一支梁的一端固连；

所述第一竖梁、第二竖梁上在其外侧均对称设有两个平行于框架底端面且在其振动节点位置上的螺纹孔；

所述预紧机构包含第一至第二固定梁、第一至第四固定螺栓、第一至第四隔振垫圈、第一至第二预紧螺栓、第一至第二预紧螺帽、第一至第二弹簧、连接轴、第一被动轮和第二被动轮；

所述第一至第四隔振垫圈均呈圆环状；

所述第一固定梁对应于第一竖梁上的两个螺纹孔设有两个固定通孔；所述第一固定螺栓依次穿过第一固定梁的一个固定通孔、第一隔振垫圈后和第一竖梁上的一个螺纹孔螺纹相连，第二固定螺栓依次穿过第一固定梁的另一个固定通孔、第二隔振垫圈后和第一竖梁上的另一个螺纹孔螺纹相连，将第一固定梁固定在第一竖梁上；

所述第二固定梁对应于第二竖梁上的两个螺纹孔设有两个固定通孔；所述第三固定螺栓依次穿过第二固定梁的一个固定通孔、第三隔振垫圈后和第二竖梁上的一个螺纹孔螺纹相连，第四固定螺栓依次穿过第二固定梁的另一个固定通孔、第四隔振垫圈后和第二竖梁上的另一个螺纹孔螺纹相连，将第二固定梁固定在第二竖梁上；

所述连接轴包含依次相连的第一固定部、连接部和第二固定板，其中，第一固定部和第二固定部均为矩形板、平行于所述框架底端面，且第一固定部、第二固定部的中心均设有通孔；连接部为圆柱状；

所述第一固定梁、第二固定梁的中点处均设有垂直于框架底端面的调节通孔；

所述第一预紧螺栓依次穿过第一固定梁上的调节通孔、连接轴第一固定部上的通孔后和所述第一预紧螺帽螺纹相连；所述第一弹簧套在第一预紧螺栓上，两端分别和第一固定梁、连接轴第一固定部相抵；

所述第二预紧螺栓依次穿过第二固定梁上的调节通孔、连接轴第二固定部上的通孔后和所述第二预紧螺帽螺纹相连；所述第二弹簧套在第二预紧螺栓上，两端分别和第二固定梁、连接轴第二固定部相抵；

所述第一被动轮、第二被动轮中心均设有通孔，分别通过轴承设置在连接轴连接部的两端；

所述夹心式框架作动器套在所述轨道上，第一至第四驱动足和轨道的上端面相抵，第一被动轮、第二被动轮和轨道的下端面相抵。

2.根据权利要求1所述的基于夹心式框架作动器的轨道运载系统，其特征在于，所述第一至第四驱动足呈半圆柱状，包含一个弧面侧壁、一个矩形侧壁和两个端面，其中，矩形侧壁和所述框架的底端面固连、弧面侧壁和轨道上端面相抵。

3.根据权利要求1所述的基于夹心式框架作动器的轨道运载系统，其特征在于，所述轨道的上端面设有第一凹槽，使得第一至第四驱动足均位于凹槽内，用于限定夹心式框架作动器的运动方向。

4.根据权利要求1所述的基于夹心式框架作动器的轨道运载系统，其特征在于，所述第一被动轮、第二被动轮的胎面上均设有环形凹槽；

所述轨道的下端面上设有凸起的第一导轨、第二导轨，分别和所述第一被动轮、第二被动轮上凹槽相匹配，用于限定第一被动轮、第二被动轮的运动方向。

5.根据权利要求1至权利要求4中任一所述的基于夹心式框架作动器的轨道运载系统，其特征在于，所述第一至第四压电元件组中的矩形压电元件均采用二分区压电元件，沿厚度方向极化，每片压电元件两个分区极化方向相反，且相邻两片压电元件极化方向相反；

所述第一、第三压电元件组中的矩形压电元件沿框架厚度方向上下二分区；第一、第三压电元件组的极化方向相同；

所述第二、第四压电元件组中的矩形压电元件沿第一竖梁的长度方向左右二分区；第二、第四压电元件组的极化方向相同。

6.根据权利要求1至权利要求4中任一所述的基于夹心式框架作动器的轨道运载系统，其特征在于，所述第二、第四压电元件组中的矩形压电元件均采用二分区压电元件，沿框架厚度方向上下二分区，沿厚度方向极化，每片压电元件两个分区极化方向相反，且相邻两片压电元件极化方向相反；第二、第四压电元件组的极化方向相同；

所述第一、第三压电元件组中的矩形压电元件均采用单分区压电元件，沿厚度方向极化，且相邻两片压电元件极化方向相反；第一、第三压电元件组的极化方向相同。

7.根据权利要求1至权利要求4中任一所述的基于夹心式框架作动器的轨道运载系统，其特征在于，所述第二、第四压电元件组中矩形压电元件均采用二分区压电元件，沿第一竖梁的长度方向左右二分区，沿厚度方向极化，每片压电元件两个分区极化方向相反，且相邻两片压电元件极化方向相反；第二、第四压电元件组的极化方向相反；

所述第一、第三压电元件组中矩形压电元件均采用四分区压电元件，极化方向分区方向相同，沿压电元件的中心通孔的圆周方向极化，沿第一横梁、第二竖梁的长度方向四分区。

8.基于权利要求5所述的基于夹心式框架作动器的轨道运载系统的夹心式框架作动器驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

对第一、第三压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出第一、第二竖梁的同形面外2n+1阶弯曲振动模态，n为大于等于0的整数，诱发出第一、第二横梁的同形面外2m+1阶弯曲振动模态，m为大于等于0的整数；对第二、第四压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出第一、第二横梁的同形面内2c+1阶弯曲振动模态，c为大于等于0的整数；

调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上具有π/2的相位差，第一、第二横梁的面外2m+1阶弯振模态和面内2c+1阶弯振模态在空间上正交，在振动耦合作用下第一至第四驱动足的运动轨迹为一个椭圆，在摩擦作用下驱动夹心式框架作动器向一个方向运动；

如果需要夹心式框架作动器反向运动，调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上的相位差为-π/2即可。

9.基于权利要求6所述的基于夹心式框架作动器的轨道运载系统的夹心式框架作动器驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

对第一、第三压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出第一、第二竖梁的同形2a+1阶纵振模态，a为大于等于0的整数，诱发出第一、第二横梁的同形面内2m+1阶弯曲振动模态，m为大于等于0的整数；对第二、第四压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出第一、第二横梁的同形面外2c+1阶弯曲振动模态，c为大于等于0的整数；

调整第一、第二两相简谐电压信号使其在时间上具有π/2的相位差，第一、第二横梁的面内2m+1阶弯振模态和面外2c+1阶弯振模态在空间上正交，在两种模态的耦合下第一至第四驱动足的运动轨迹为一个椭圆，在摩擦作用下驱动夹心式框架作动器向一个方向运动；

如果需要夹心式框架作动器反向运动，调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上的相位差为-π/2即可。

10.基于权利要求7所述的基于夹心式框架作动器的轨道运载系统的夹心式框架作动器驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

对第一、第三压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出第一、第二竖梁的同形2a+1阶扭转振动模态，a为大于等于0的整数，诱发出第一横梁的面外2m+1阶弯曲振动模态，以及第二横梁的对称面外2m+1阶弯曲振动模态，m为大于等于0的整数；对第二、第四的压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出第一横梁的面内2c+1阶弯曲振动模态，以及第二横梁的对称面内2c+1阶弯曲振动模态，c为大于等于0的整数；

调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上具有π/2的相位差，第一、第二的面外2m+1阶弯振模态和面内2c+1阶弯振模态在空间上正交，在模态耦合下第一至第四驱动足的运动轨迹为一个同向的椭圆，在摩擦力的作用下驱动夹心式框架作动器向一个方向运动；

如果需要夹心式框架作动器反向运动，调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上的相位差为-π/2即可。

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