CN111313751B - 运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器及其工作方法，涉及压电技术领域，能够在弯曲狭窄的空腔中前后运动，并且精度高、相应快。本发明包括：柔性连接梁、压电陶瓷片、刚性足。柔性连接梁的两端分别连接刚性足，刚性足上表面设置压电陶瓷片。本发明中，柔性连接梁的伸缩性为作动器在狭窄空腔中提供了驱动预压力并且通过柔性连接，使得作动器能在复杂弯曲的狭窄空腔中移动；再基于压电陶瓷片的逆压电效应，利用刚性足振动驱动时的不对称摩擦力，实现作动器的向前或向后运动。本发明结构简单紧凑，作动流程简洁直接，缩短了作动过程所用的时间，反应速度快，从而能实现作动器在狭窄弯曲空腔中（如医用内窥镜活检通道）的快速精确运动功能。
Description
技术领域
本发明涉及压电技术领域，尤其涉及了运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行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。由于压电驱动技术具有快响应，高精度和易于微型化等特点，可以满足狭窄腔道内（如医用内窥镜活检通道）微型化、高精度和快响应的要求，从而该技术被广泛地研究。
然而现有技术中的压电作动器仅能在直线的狭窄空腔中前后运动，缺乏在弯曲狭窄中前后运动的功能，应用场景单一。
发明内容
本发明提供了运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器及其工作方法，能够在弯曲狭窄的空腔中前后运动，并且精度高、相应快。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器，包括：柔性连接梁、压电陶瓷片、刚性足。
柔性连接梁的两端分别连接刚性足，刚性足上表面设置压电陶瓷片。刚性足包括伸缩臂、连接臂、爬行足，并依次连接，压电陶瓷片粘贴在伸缩臂表面，伸缩臂的前端和柔性连接梁连接，伸缩臂的延伸方向和柔性连接梁的横截面平行，伸缩臂的末端通过连接臂连接爬行足。
爬行足为等腰三角形，三角形的底边连接连接臂，为爬行足的前端；三角形的顶角接触工作平面，为爬行足的末端，在水平方向上，爬行足前端至末端的位置逐渐靠近柔性连接梁。
进一步的，刚性足为变截面梁结构，变截面梁结构能够放大爬行足末端的振幅。
进一步的，爬行足和工作平面成45°的接触角。
进一步的，压电陶瓷片采用的材料为PZT-8。
进一步的，柔性连接梁采用的材料为柔性树脂。
本发明还提供了所述运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器的工作方法，包括：
S1、将所述运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器置于狭窄弯曲空腔中，柔性连接梁的顶部受到空腔内壁的挤压发生形变，产生预压力。
S2、向前进方向一侧的压电陶瓷片施加正弦电压，被施加正弦电压的压电陶瓷片体积扩张，带动前进方向一侧的刚性足扩张，同时柔性连接梁的预压力释放，爬行足向前进方向位移。
S3、前进方向一侧的压电陶瓷片施加负向正弦电压，前进方向一侧的压电陶瓷片、刚性足均收缩，且前进方向一侧的爬行足抓住工作平面保持静止，而由于前进方向一侧的压电陶瓷片、刚性足均收缩。从而带动所述运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器整体向前发生位移。向前爬行时，由于前进方向一侧的爬行足与地面的夹角，比另一侧爬行足与地面的夹角大，从而使前侧爬行足与地面的接触面积大，导致摩擦力大，更能抓住地面。
循环执行S1-S3。
本发明的有益效果为：
本发明由两个刚性足连接在一个柔性连接梁上构成，每个刚性足上表面都粘有压电陶瓷片。在使用时，作动器的高度略高于狭窄空腔，将作动器塞入后，柔性连接梁的顶部因此收到挤压，其伸缩性即可为作动器在狭窄空腔中提供了驱动预压力。并且，柔性连接梁具有一定的形变能力，能够使得作动器能在复杂弯曲的狭窄空腔中移动；再基于压电陶瓷片的逆压电效应，利用刚性足振动驱动时的不对称摩擦力，实现作动器的向前或向后运动。由于作动器结构简单，没有复杂的机构，因此尺寸较小，以及作动流程简单直接，缩短了作动过程所用的时间，反应速度快，从而能实现作动器在狭窄弯曲空腔中快速精确的运动功能。
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是实施例的结构示意图；
图2是实施例的运动原理示意图。
1-柔性连接梁、2-压电陶瓷片、3-刚性足、31-伸缩臂、32-连接臂、33-爬行足。
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运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器，如图1所示，包括：柔性连接梁1、压电陶瓷片2、刚性足3。柔性连接梁1的两端分别连接刚性足3，刚性足3上表面设置压电陶瓷片2。
刚性足3包括伸缩臂31、连接臂32、爬行足33，并依次连接。刚性足3为变截面梁结构，进一步的放大爬行足末端的振幅。
压电陶瓷片2粘贴在伸缩臂31上表面，伸缩臂31的前端和柔性连接梁1连接，伸缩臂31的延伸方向和柔性连接梁1的横截面平行，伸缩臂31的末端通过连接臂32连接爬行足33。
爬行足33为等腰三角形，三角形的底边连接连接臂32，为爬行足33的前端；三角形的顶角为爬行足33的末端，接触工作平面，且与工作平面的夹角为45°。在水平方向上，爬行足33前端至末端的位置逐渐靠近柔性连接梁1。
刚性足3采用金属材料，具有一定的延展性；压电陶瓷片2采用PZT-8材料，柔性连接梁1采用柔性树脂材料。
本实施例的工作方法为：
S1.将作动器置入高度略小于作动器自身高度的狭窄弯曲空腔中，柔性连接梁1顶部受到空腔内壁的挤压发生形变，产生预压力；
S2.确定前进方向，对靠近前进方向一侧的压电陶瓷片2施加正弦电压，当电压为正时，压电陶瓷片2体积扩张，带动其粘附的刚性足3扩张，同时柔性连接梁1的预压力释放，将整个刚性足3向前拉拽，对应的爬行足33向前进方向位移；
S3. 当正弦电压为负时，压电陶瓷片2收缩，刚性足3也随之收缩，由于前进方向一侧的爬行足33与地面的夹角，比另一侧爬行足33与地面的夹角大，从而使前侧爬行足33与地面的接触面积大，导致摩擦力大，更能抓住地面，而刚性足3的收缩将作动器的整体向前拉，从而实现位移，如图2所示。
循环执行S1-S3。
本发明的有益效果为：
本发明由两个刚性足连接在一个柔性连接梁上构成，每个刚性足上表面都粘有压电陶瓷片。在使用时，作动器整尺寸体略高于狭窄空腔，柔性连接梁因此收到挤压，其伸缩性即可为作动器在狭窄空腔中提供了驱动预压力。并且，柔性连接梁具有一定的形变能力，能够使得作动器能在复杂弯曲的狭窄空腔中移动；再基于压电陶瓷片的逆压电效应，利用刚性足振动驱动时的不对称摩擦力，实现作动器的向前或向后运动。由于作动器结构简单，没有复杂的机构，因此尺寸较小，以及作动流程简单直接，缩短了作动过程所用的时间，反应速度快，从而能实现作动器在狭窄弯曲空腔中快速精确的运动功能。
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 (4)
1.运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器的工作方法，其特征在于，运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器包括：柔性连接梁（1）、压电陶瓷片（2）、刚性足（3）；刚性足的数量为两个，分别位于柔性连接梁（1）延伸方向的两端；
柔性连接梁（1）的两端分别连接刚性足（3），刚性足（3）上表面设置压电陶瓷片（2）；
刚性足（3）包括伸缩臂（31）、连接臂（32）、爬行足（33），并依次连接，压电陶瓷片（2）粘贴在伸缩臂（31）表面，伸缩臂（31）的前端和柔性连接梁（1）连接，伸缩臂（31）的延伸方向和柔性连接梁（1）的横截面平行，伸缩臂（31）的末端通过连接臂（32）连接爬行足（33）；
爬行足（33）为等腰三角形，三角形的底边连接连接臂（32），为爬行足（33）的前端；三角形的顶角接触工作平面，为爬行足（33）的末端，在水平方向上，爬行足（33）前端至末端的位置逐渐靠近柔性连接梁（1）；
柔性连接梁（1）采用的材料为柔性树脂；
所述工作方法包括：
S1、将所述运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器置于高度略小于作动器自身高度的狭窄弯曲空腔中，柔性连接梁（1）的顶部受到空腔内壁的挤压发生形变，产生预压力；
S2、向前进方向一侧的压电陶瓷片（2）施加正弦电压，当被施加正电压时，被施加正弦电压的压电陶瓷片（2）体积扩张，带动前进方向一侧的刚性足（3）扩张，爬行足（33）向前进方向位移；
S3、当前进方向一侧的压电陶瓷片（2）被施加的正弦电压变为负电压时，前进方向一侧的压电陶瓷片（2）、刚性足（3）均收缩，前进方向一侧的爬行足（33）抓住工作平面保持静止，而由于前进方向一侧的压电陶瓷片（2）、刚性足（3）的收缩从而带动所述运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器整体向前发生位移，循环执行S1-S3。
2.根据权利要求1所述的运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器的工作方法，其特征在于，刚性足（3）为变截面梁结构。
3.根据权利要求1所述的运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器的工作方法，其特征在于，爬行足（33）和工作平面成45°的接触角。
4.根据权利要求1所述的运用于狭窄空腔中的刚柔一体爬行作动器的工作方法，其特征在于，压电陶瓷片（2）采用的材料为PZT-8。
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