CN115566931B - 一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器 - Google Patents

Abstract

一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，涉及压电电机技术领域。包括基座、驱动机构、钳位机构和输出机构，所述驱动机构包括定子和四个驱动压电片，所述钳位机构包括金属片、钳位压电片和钳位平台，所述输出机构包括转子、环形架、支撑架A、支撑架B和四个预紧螺栓；所述四个驱动压电片的驱动信号为方波信号，其中对称布置的两个驱动压电片同时工作。本发明利用四个驱动压电片规律性形变带动四个驱动铰链发生弯曲变形，进而通过四个连接铰链推动变形端完成直线位移运动，当钳位压电片通电工作时，钳位平台与转子摩擦接触，从而将变形端的移动转变为转子或转子和环形架的转动。

Description

一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器

技术领域

本发明属于压电电机技术领域， 尤其涉及一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器。

背景技术

基于压电材料逆压电效应的压电执行器因其结构简单、高精度、快速响应、无磁场干扰等优点，在压电电机技术领域引起了广泛关注。其中，多自由度压电执行器已初步在医疗器械、机器人、航空航天等领域内应用，现有的多个单自由度组合式多自由度执行器体积较大，不利于一体化控制，此外，已有的两自由度球形执行器钳位机构多依赖于手动控制，集成化程度低，不利于压电执行器在更广范围内的应用。在诸多压电材料应用过程中，压电双晶片由两片压电陶瓷和一片弹性体（如金属片）粘接在一起构成，具有能耗低、控制带宽范围大、响应速度快等优点，已广泛应用在精密驱动技术领域。

发明内容

本发明针对现有的多个单自由度组合式多自由度执行器体积较大，不利于一体化控制，且已有的两自由度球形执行器钳位机构多依赖于手动控制，集成化程度低，限制了压电执行器在更广范围内的应用这一问题，提出一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，其能够实现两个垂直方向旋转自由度的运动输出。

一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，包括：

基座，用于固定驱动机构；

驱动机构，包括驱动压电片A、驱动压电片B、驱动压电片C、驱动压电片D和定子，驱动压电片A、驱动压电片B、驱动压电片C和驱动压电片D均贴设于定子外侧，且驱动压电片A和驱动压电片C相互平行设置，驱动压电片B和驱动压电片D相互平行设置；所述定子整体呈左右、前后对称结构，所述定子包括4个固定端、4个驱动铰链、4个连接铰链和变形端，所述4个固定端分别位于定子的四角，相邻的两个固定端之间分别通过一驱动铰链连接，变形端位于4个固定端和4个驱动铰链所围成的环中间，4个驱动铰链均通过一连接铰链与变形端相连，所述变形端开设有中心孔；

钳位机构，包括金属片、钳位压电片和钳位平台，所述金属片设置于变形端上表面，所述钳位压电片为圆环形状，并设置于所述金属片的上表面，所述钳位平台设置于金属片的中心位置；

输出机构，包括转子、环形架、支撑架A和支撑架B；支撑架A和支撑架B固定于定子上表面，且关于定子中心成对称布置；所述转子为球形，并转动安装于所述环形架的内侧，所述环形架转动安装于所述支撑架A和支撑架B上；所述转子与所述钳位平台之间保留适当间隙。

进一步地，定子的4个固定端分别通过螺栓与基座固定连接。

进一步地，驱动压电片A、驱动压电片B、驱动压电片C和驱动压电片D通过环氧树脂一一对应地粘贴在4个驱动铰链的外侧，且驱动压电片A和驱动压电片C关于定子中心对称设置，驱动压电片B和驱动压电片D关于定子中心对称设置。

进一步地，所述定子由一整块弹性金属材料整体加工而成。

进一步地，所述定子的材料为热处理后的65Mn弹簧钢。

进一步地，所述转子和环形架之间、所述环形架与支撑架A、支撑架B之间均通过钢球实现转动连接。

进一步地，所述输出机构还包括预紧螺栓C、预紧螺栓D、预紧螺栓A和预紧螺栓B，所述预紧螺栓C和预紧螺栓D用于为钢球和转子提供预紧力，所述预紧螺栓A和预紧螺栓B用于为钢球和环形架提供预紧力。

进一步地，所述支撑架A和支撑架B通过螺栓对称布置在定子上表面。

进一步地，驱动压电片A、驱动压电片B、驱动压电片C、驱动压电片D和钳位压电片的驱动信号为方波或正弦波。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，利用四个驱动压电片规律性形变带动四个驱动铰链发生变形，进而通过四个连接铰链推动变形端完成直线位移运动，在钳位压电片通电工作时，钳位平台与转子摩擦接触，从而将变形端的直线位移转变为转子的转动，实现了执行器多自由度运动输出。

2、通过控制对称布置的驱动压电片依次通电，可以实现变形端前后左右四个方向的直线位移，从而带动转子产生两个自由度的步进式旋转角位移。

3、钳位压电片的应用可以实现转子或转子和环形架转动输出的自动控制，工作过程中尽可能减少手动控制，提高了整个压电执行器的集成化程度，便于一体化控制；而且采用定子的柔性铰链的变形进行驱动也提高了执行器的工作精度。

4、本发明以压电晶片为驱动元件，具有结构简单且集成化高、能耗低、精度高、响应速度快等优势。

本发明在航空航天、光学仪器、医疗器械、精密与超精密加工、微型机器人等技术领域具有良好的应用前景，两自由度的旋转运动输出进一步扩宽了压电晶片在压电驱动领域内的应用，并为压电执行器的广泛使用打下了基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器的立体结构示意图；

图2为一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器的主视图；

图3为一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器的俯视图；

图4为图1所述的一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器中定子的俯视图；

图5为一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器的驱动信号波形图；

图6为一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器在驱动压电片B、驱动压电片D和钳位压电片共同工作时的驱动原理图；

图7为一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器在驱动压电片A、驱动压电片C和钳位压电片共同工作时的驱动原理图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

参照图1至图4，本实施方式所述的一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，包括基座1、驱动机构、钳位机构和输出机构。

基座1，用于固定驱动机构。

驱动机构，包括驱动压电片A3、驱动压电片B5、驱动压电片C9、驱动压电片D17和定子4，驱动压电片A3、驱动压电片B5、驱动压电片C9、驱动压电片D17贴设于定子4外侧，且驱动压电片A3和驱动压电片C9相互平行设置，驱动压电片B5和驱动压电片D17相互平行设置；所述定子4整体呈左右、前后对称结构，所述定子4包括固定端A20、驱动铰链A19、连接铰链A18、变形端23、固定端B24、驱动铰链B21、连接铰链B22、固定端C27、驱动铰链C25、连接铰链C26、固定端D30、驱动铰链D29和连接铰链D28，四个固定端分别位于定子4的四角，相邻的两个固定端之间分别通过一驱动铰链连接，变形端23位于四个固定端和四个驱动铰链所围成的环中间，四个驱动铰链均通过一连接铰链与变形端23相连，所述变形端23开设有中心孔；

具体地，定子4通过固定端A20、固定端B24、固定端C27和固定端D30采用螺栓连接的方式与基座1固定连接，驱动压电片A3通过环氧树脂粘贴在定子4的驱动铰链A19的外侧，驱动压电片C9通过环氧树脂粘贴在定子4的驱动铰链C25的外侧，且驱动压电片C9与驱动压电片A3关于变形端23对称布置，驱动压电片D17通过环氧树脂粘贴在定子4的驱动铰链D29的外侧，驱动压电片B5通过环氧树脂粘贴在定子4的驱动铰链B21的外侧，且驱动压电片D17与驱动压电片B5关于变形端23对称布置。

进一步地，所述定子4由一整块弹性金属材料整体加工而成，优选的，加工材料选择热处理后的65Mn弹簧钢。另外，还应保证定子4的各驱动铰链、连接铰链和固定端之间的平面度，以提供有效驱动力和保证转子12运动的准确性和平稳性。

钳位机构，包括金属片14、钳位压电片6和钳位平台16，所述金属片14设置于变形端23上表面，所述钳位压电片6为圆环形状，并设置于所述金属片14的上表面，所述钳位平台16设置于金属片14的中心位置。

具体地，金属片14通过四个螺栓与定子4的变形端23固定连接，钳位压电片6以环氧树脂为粘结剂粘贴在金属片14的上表面，其中，钳位压电片6为圆环形状，钳位平台16通过钳位压电片6中间的圆孔粘贴在金属片14中心位置。

输出机构，包括转子12、环形架10、支撑架A15和支撑架B8；支撑架A15和支撑架B8固定于定子4上表面，且关于定子4中心成对称布置；所述转子12为球形，并转动安装于所述环形架10的内侧，所述环形架10转动安装于所述支撑架A15和支撑架B8上；所述转子12与所述钳位平台16之间保留适当间隙。

具体地，支撑架A15和支撑架B8通过螺栓固定在定子4的上表面，且支撑架A15和支撑架B8关于定子4中心成对称布置，转子12安装在环形架10内侧，且转子12两侧的圆孔正对于环形架10两侧的高方形安装孔，通过两个钢球连接转子12外侧圆孔和环形架10高方形安装孔，再通过预紧螺栓C11和预紧螺栓D2为钢球和转子12提供预紧力，保证转子12绕轴转动的同时提供一定的预紧摩擦力；环形架10通过钢球、预紧螺栓A13和预紧螺栓B7依次与支撑架A15和支撑架B8连接，通过调节预紧螺栓A13和预紧螺栓B7为钢球和环形架10提供预紧力，保证转子12和环形架10绕轴转动的同时提供一定的预紧摩擦力。

所述定子4包括固定端A20、固定端B24、固定端C27、固定端D30、驱动铰链A19、驱动铰链B21、驱动铰链C25、驱动铰链D29、连接铰链A18、连接铰链B22、连接铰链C26、连接铰链D28和变形端23，通过驱动压电片A3、驱动压电片B5、驱动压电片C9和驱动压电片D17的规律形变依次带动四个驱动铰链弯曲变形，进而推动四个连接铰链带动变形端23实现前后左右四个方向的位移变化；所述钳位机构中钳位压电片6通电后带动金属片14变形，进而推动钳位平台16往上运动，当钳位平台16与转子12接触时，变形端23的直线运动转变为转子12的转动，通过给对称布置的驱动压电片依次通电，能够实现转子12两个相对垂直方向的旋转运动。

驱动压电片A3、驱动压电片B5、驱动压电片C9、驱动压电片D17和钳位压电片6的驱动信号可以为方波，在方波电压信号驱动下，驱动压电片带动驱动铰链变形，进一步通过连接铰链带动变形端23产生直线位移，当钳位压电片6通电时，钳位平台16与转子12接触，从而将变形端23的直线位移转变为转子12两自由度的旋转运动。另外，为减小各机构之间的冲击力也可选用正弦波驱动信号。

本实施案例所述的一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，采用具有4个固定端、4个驱动铰链、4个连接铰链和变形端23的定子4以及具有环形的钳位压电片6的钳位机构，以方波或正弦波驱动信号驱动对称布置的两个驱动压电片同时工作，在对称布置的驱动压电片的带动作用下，通过驱动铰链产生弯曲变形推动连接铰链以及变形端23产生直线位移，同时，当固定在变形端23金属片14上表面的钳位压电片6通电时，钳位平台16与转子12摩擦接触，从而将变形端23的移动转变为转子12或转子12和环形架10的转动，通过施加相反的波形信号可以实现变形端23相反方向的位移运动，从而完成执行器两自由度的转动。钳位压电片6的应用可以实现转子12或转子12和环形架10转动输出的自动控制，工作过程中尽可能减少手动控制，提高了整个压电执行器的集成化程度，便于一体化控制。此外，采用定子4的柔性铰链的变形进行驱动也提高了执行器的工作精度。

实施例2

参照图5-7具体说明本实施方式，本实施方式是对实施例1所述的一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器的工作原理作进一步说明，本实施例中，驱动压电片A3、驱动压电片B5、驱动压电片C9、驱动压电片D17和钳位压电片6的驱动信号均采用方波信号。当驱动压电片B5、驱动压电片D17和钳位压电片6施加图5所示信号时，其中驱动压电片B5施加正电压U1，驱动压电片D17施加负电压-U2，钳位压电片6施加正电压U0，动作原理如图6所示。当驱动压电片C9、驱动压电片A3和钳位压电片6施加图5所示信号时，其中驱动压电片C9施加正电压U1，驱动压电片A3施加负电压-U2，钳位压电片6施加正电压U0，动作原理如图7所示。

如图6和图7所示，本发明的具体工作过程如下：

1.如图6所示，当对驱动压电片B5、驱动压电片D17和钳位压电片6施加图5所示方波信号时，其中驱动压电片B5施加正电压U1，驱动压电片D17施加负电压-U2，钳位压电片6施加正电压U0。

在T0时间内，所有激励信号均为0，此时各压电片无输出，执行器处于原始状态；

在T1时间内，钳位压电片6受正电压U0的激励作用沿厚度方向伸长l，同时带动着钳位平台16上升同样距离，此时钳位平台16与转子12摩擦接触；

在T2时间内，驱动压电片B5施加正电压U1，驱动压电片D17施加负电压-U2，驱动压电片B5在正电压水平激励下伸长一定距离，从而引起与之粘接在一起的驱动铰链B21向外弯曲变形，进而通过连接铰链B22牵引变形端23产生向右位移，此时，由于驱动压电片D17的电源正负极连接方式与驱动压电片B5的连接方式相反，驱动压电片D17在负电压激励下缩短一定距离，从而引起与之粘结在一起的驱动铰链D29向内弯曲变形，进而通过连接铰链D28推动变形端23产生向右位移，驱动压电片D17和驱动压电片B5共同作用保证变形端23平稳向右移动距离L。在此过程中，钳位压电片6继续受正电压作用，钳位平台16与转子12保持摩擦接触，因此，变形端23的向右移动转变为钳位平台16对转子12的摩擦运动，从而引起转子12绕固定轴逆时针方向的旋转运动。

在T3时间内，驱动压电片B5施加正电压U1，驱动压电片D17施加负电压-U2，变形端23继续向右移动，此时，钳位压电片6的电压降为0，钳位压电片6恢复原长，钳位平台16与转子12分离，无旋转运动输出。

在T4时间内，驱动压电片B5和驱动压电片D17的电压降为0，驱动压电片B5和驱动压电片D17恢复原样，整个执行器恢复到原始T0状态。

当驱动压电片D17和驱动压电片B5与电源正负极的连接方式相互调换时，即驱动压电片B5施加负电压，驱动压电片D17施加正电压，驱动铰链D29的向外弯曲变形和驱动铰链B21的向内弯曲变形共同带动变形端23产生向左的直线位移，在钳位压电片6保持高电压激励过程中，钳位平台16对转子12的摩擦运动引起转子12绕固定轴顺时针方向的旋转运动。

2.如图7所示，当对驱动压电片A3、驱动压电片C9和钳位压电片6施加图5所示方波信号时，其中驱动压电片C9施加正电压U1，驱动压电片A3施加负电压-U2，钳位压电片6施加正电压U0。

在T0时间内，所有激励信号均为0，此时各压电片无输出，执行器处于原始状态；

在T1时间内，钳位压电片6受正电压U0的激励作用沿厚度方向伸长l，同时带动着钳位平台16上升同样距离，此时钳位平台16与转子12摩擦接触；

在T2时间内，驱动压电片C9施加正电压U1，驱动压电片A3施加负电压-U2，驱动压电片C9在正电压水平激励下伸长一定距离，从而引起与之粘接在一起的驱动铰链C25向外弯曲变形，进而通过连接铰链C26牵引变形端23产生向后位移，此时，由于驱动压电片A3的电源正负极连接方式与驱动压电片C9的连接方式相反，驱动压电片A3在负电压激励下缩短一定距离，从而引起与之粘结在一起的驱动铰链A19向内弯曲变形，进而通过连接铰链A18推动变形端23产生向后位移，驱动压电片C9和驱动压电片A3共同作用保证变形端23平稳向后移动距离L。在此过程中，钳位压电片6继续受正电压作用，钳位平台16与转子12保持摩擦接触，因此，变形端23的向后移动转变为钳位平台16对转子12的摩擦运动，虽然转子12在前后方向运动受限，但固定转子12的环形架10在该方向可以转动，从而引起转子12和环形架10绕固定轴朝前方向的旋转运动。

在T3时间内，驱动压电片C9施加正电压U1，驱动压电片A3施加负电压-U2，变形端23继续向后移动，此时，钳位压电片6的电压降为0，钳位压电片6恢复原长，钳位平台16与转子12分离，无旋转运动输出。

在T4时间内，驱动压电片C9和驱动压电片A3的电压降为0，驱动压电片C9和驱动压电片A3恢复原样，整个执行器恢复到原始T0状态。

当驱动压电片C9和驱动压电片A3与电源正负极的连接方式相互调换时，即驱动压电片C9施加负电压，驱动压电片A3施加正电压，驱动铰链A19的向外弯曲变形和驱动铰链C25的向内弯曲变形共同带动变形端23产生向前的直线位移，在钳位压电片6保持高电压激励过程中，钳位平台16对转子12的摩擦运动引起转子12和环形架10绕固定轴产生向后方向的旋转运动。

执行器经过一个周期方波波形的动作，在四个驱动压电片驱动、四个驱动铰链形变带动下，四个连接铰链推动变形端23产生前后左右四个方向的直线位移，在钳位压电片6作用下，钳位平台16与转子12的摩擦运动转变为转子12或转子12和环形架10的旋转运动。循环往复此过程，执行器可实现两转动自由度运动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，其特征在于，包括：

基座（1），用于固定驱动机构；

驱动机构，包括驱动压电片A（3）、驱动压电片B（5）、驱动压电片C（9）、驱动压电片D（17）和定子（4），驱动压电片A（3）、驱动压电片B（5）、驱动压电片C（9）和驱动压电片D（17）均贴设于定子（4）外侧，且驱动压电片A（3）和驱动压电片C（9）相互平行设置，驱动压电片B（5）和驱动压电片D（17）相互平行设置；所述定子（4）整体呈左右、前后对称结构，所述定子（4）包括4个固定端、4个驱动铰链、4个连接铰链和变形端（23），所述4个固定端分别位于定子（4）的四角，相邻的两个固定端之间分别通过一驱动铰链连接，变形端（23）位于4个固定端和4个驱动铰链所围成的环中间，4个驱动铰链均通过一连接铰链与变形端（23）相连，所述变形端（23）开设有中心孔；

钳位机构，包括金属片（14）、钳位压电片（6）和钳位平台（16），所述金属片（14）设置于变形端（23）上表面，所述钳位压电片（6）为圆环形状，并设置于所述金属片（14）的上表面，所述钳位平台（16）设置于金属片（14）的中心位置；

输出机构，包括转子（12）、环形架（10）、支撑架A（15）和支撑架B（8）；支撑架A（15）和支撑架B（8）固定于定子（4）上表面，且关于定子（4）中心成对称布置；所述转子（12）为球形，并转动安装于所述环形架（10）的内侧，所述环形架（10）转动安装于所述支撑架A（15）和支撑架B（8）上；所述转子（12）与所述钳位平台（16）之间保留适当间隙。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，其特征在于，定子（4）的4个固定端分别通过螺栓与基座（1）固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，其特征在于，驱动压电片A（3）、驱动压电片B（5）、驱动压电片C（9）和驱动压电片D（17）通过环氧树脂一一对应地粘贴在4个驱动铰链的外侧，且驱动压电片A（3）和驱动压电片C（9）关于定子（4）中心对称设置，驱动压电片B（5）和驱动压电片D（17）关于定子（4）中心对称设置。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，其特征在于，所述定子（4）由一整块弹性金属材料整体加工而成。

5.根据权利要求4所述的一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，其特征在于，所述定子（4）的材料为热处理后的65Mn弹簧钢。

6.根据权利要求3所述的一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，其特征在于，所述转子（12）和环形架（10）之间、所述环形架（10）与支撑架A（15）、支撑架B（8）之间均通过钢球实现转动连接。

7.根据权利要求4所述的一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，其特征在于，所述输出机构还包括预紧螺栓C（11）、预紧螺栓D（2）、预紧螺栓A（13）和预紧螺栓B（7），所述预紧螺栓C（11）和预紧螺栓D（2）用于为钢球和转子（12）提供预紧力，所述预紧螺栓A（13）和预紧螺栓B（7）用于为钢球和环形架（10）提供预紧力。

8.根据权利要求1所述的一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，其特征在于，所述支撑架A（15）和支撑架B（8）通过螺栓对称布置在定子（4）上表面。

9.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，其特征在于，驱动压电片A（3）、驱动压电片B（5）、驱动压电片C（9）、驱动压电片D（17）和钳位压电片（6）的驱动信号为方波或正弦波。

Images