CN211720487U - 一种夹心式旋转型双驱动压电作动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种夹心式旋转型双驱动压电作动器，作动器包含第一扭振作动模块、第二扭振作动模块、纵向双头螺柱和弯振压电元件组；第一扭振作动模块、第二扭振作动模块均包含驱动圆环、驱动梁、固定片、扭振压电元件组、横向双头螺柱和L形梁，横向双头螺柱穿过固定片、扭振压电元件组后两端分别和驱动梁的一端、L形梁的一端螺纹连接，驱动梁的另一端和驱动圆环的侧壁固连；纵向双头螺柱穿过弯振压电元件组分别和第一扭振作动模块、第二扭振作动模块L形梁的另一端螺纹相连。本实用新型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

一种夹心式旋转型双驱动压电作动器

技术领域

本实用新型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旋转型双驱动压电作动器。

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。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。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种夹心式旋转型双驱动压电作动器。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种夹心式旋转型双驱动压电作动器，包含第一扭振作动模块、第二扭振作动模块、纵向双头螺柱和弯振压电元件组；

所述第一扭振作动模块、第二扭振作动模块均包含驱动圆环、驱动梁、固定片、扭振压电元件组、横向双头螺柱和L形梁；所述驱动圆环呈圆环状；所述驱动梁一端和所述驱动圆环的侧壁固连，另一端和所述固定片的一个端面固连，且驱动梁的轴线经过驱动圆环的中心；所述扭振压电元件组包含2p个扭振压电元件，p为大于等于1的整数；所述扭振压电元件呈圆环状，采用四分区压电元件，沿圆周方向极化；所述驱动梁远离驱动圆环一端的端面中心设有和所述横向双头螺柱相匹配的螺纹孔；所述固定片上设有供所述横向双头螺柱穿过和所述驱动梁上螺纹孔相连的通孔；所述L形梁包含第一短梁、第二短梁，其中，所述第一短梁一端和所述第二短梁的一端垂直固连、另一端的端面中心设有和所述纵向双头螺柱相匹配的螺纹孔，所述第二短梁的另一端设有和所述横向双头螺柱相匹配的螺纹孔；所述横向双头螺柱一端和所述第二短梁上的螺纹孔螺纹相连，另一端依次穿过扭振压电元件组中2p个扭振压电元件的中心圆孔、固定片上的通孔后和所述驱动梁上的螺纹孔螺纹相连，使得扭振压电元件组中2p个扭振压电元件固定在L形梁和驱动梁之间，且驱动梁第一短梁的轴线垂直于驱动圆环的端面；

所述弯振压电元件组包含2q个弯振压电元件，q为大于等于1的整数；所述弯振压电元件呈圆环状，采用二分区压电元件，均沿厚度方向极化，且两个分区的极化方向相反；

所述纵向双头螺柱一端和所述第一扭振作动模块驱动梁第一短梁上的螺纹孔螺纹相连，另一端依次穿过弯振压电元件组中2q个弯振压电元件的中心圆孔后和第二扭振作动模块驱动梁第一短梁上的螺纹孔螺纹相连，使得弯振压电元件组中2q个弯振压电元件固定在第一扭振作动模块、第二扭振作动模块之间；

所述第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的扭振压电元件组中各个扭振压电元件的极化方向均相同；所述弯振压电元件组中相邻弯振压电元件的极化方向相反；

所述第一扭振作动模块驱动圆环远离第二扭振作动模块驱动圆环的端面上、第二扭振作动模块驱动圆环远离第一扭振作动模块驱动圆环的端面上都周向均匀设有m个驱动齿，m为大于等于3的自然数；

所述第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的固定片上还设有若干用于固定夹心式旋转型双驱动压电作动器的安装孔。

作为本实用新型一种夹心式旋转型双驱动压电作动器进一步的优化方案，所述驱动梁包含连接部和放大部，所述连接部为圆柱体，放大部为圆台，放大部面积较大的端面的直径等于连接部端面的直径，且放大部面积较大的端面和所述连接部的一端固连、放大部面积较小的端面和驱动圆环的侧壁固连。

所述第一扭振作动模块中，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；所述第二扭振作动模块中，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。

本实用新型还公开了一种该夹心式旋转型双驱动压电作动器的单相简谐电压信号单模态驱动方法，包括如下步骤：

令第一扭振作动模块中的驱动圆环、驱动梁、固定片、扭振压电元件组、横向双头螺柱、L形梁的第二短梁形成第一横梁，第二扭振作动模块中的驱动圆环、驱动梁、固定片、扭振压电元件组、横向双头螺柱、L形梁的第二短梁形成第二横梁，第一扭振作动模块中L形梁的第一短梁、第二扭振作动模块中L形梁的第一短梁、纵向双头螺柱和弯振压电元件组形成竖梁；

步骤A.1），对第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的扭振压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出第一横梁、第二横梁的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扭振作动模块、第二扭振作动模块中驱动圆环的m阶面外弯振模态，在简谐振动下第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环的每个驱动齿的运动轨迹均为一个椭圆，第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的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第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环上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，对弯振压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出竖梁的2n+1阶弯振模态，诱发出第一横梁、第二横梁的2n+2阶弯振模态，该弯振模态会激励第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环产生另一个m阶面外弯振模态，此时第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环的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第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环上驱动齿接触的外界转子反向旋转。

本实用新型还公开了一种该夹心式旋转型双驱动压电作动器的两相简谐电压信号复合模态驱动方法，包括如下步骤：

步骤B.1），对第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的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，调整第一简谐电压信号、第二简谐电压信号使其在时间上具有π/2的相位差，使得第一扭振作动模块、第二扭振作动模块中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，第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的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第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环上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，调整第一简谐电压信号、第二简谐电压信号使其在时间上具有 -π/2的相位差，此时第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环的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第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环上驱动齿接触的外界转子反向旋转。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本实用新型提出了一种夹心式旋转型双驱动压电作动器，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。

附图说明

图1是夹心式旋转型双驱动压电作动器的结构示意图；

图2是驱动梁的结构示意图；

图3是L形梁的结构示意图；

图4是第一横梁的结构示意图；

图5是竖梁的结构示意图；

图6（a）、图6（b）分别是第一扭振压电元件组的极化方向、电信号施加方式示意图；

图7（a）、图7（b）分别是弯振压电元件组的极化方向、电信号施加方式示意图；

图8是第一横梁扭振的工作模态示意图；

图9是竖梁弯振的工作模态示意图；

图10是竖梁弯振诱发的第一横梁的弯振模态示意图；

图11是扭振激励下第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环（展开）的四阶面外弯振工作模态对比示意图；

图12是弯振激励下第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环（展开）的四阶面外弯振工作模态对比示意图；

图13是两种四阶面外弯振工作模态下第一扭振作动模块、第二扭振作动模块驱动圆环的驱动齿的运动轨迹对比示意图。

图中，1-驱动梁，2-L形梁，3-扭振压电元件组，4-弯振压电元件组，5-驱动圆环，6-驱动齿，7-固定片，8-横梁，9-竖梁，10-螺纹孔，11-螺纹孔，12-螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型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实用新型的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本实用新型公开了一种夹心式旋转型双驱动压电作动器，包含第一扭振作动模块、第二扭振作动模块、纵向双头螺柱和弯振压电元件组；

所述第一扭振作动模块、第二扭振作动模块均包含驱动圆环、驱动梁、固定片、扭振压电元件组、横向双头螺柱和L形梁；所述驱动圆环呈圆环状；如图2所示，所述驱动梁一端和所述驱动圆环的侧壁固连，另一端和所述固定片的一个端面固连，且驱动梁的轴线经过驱动圆环的中心；所述扭振压电元件组包含2p个扭振压电元件，p为大于等于1的整数；如图6（a）、图6（b）所示，所述扭振压电元件呈圆环状，采用四分区压电元件，沿圆周方向极化；所述驱动梁远离驱动圆环一端的端面中心设有和所述横向双头螺柱相匹配的螺纹孔；所述固定片上设有供所述横向双头螺柱穿过和所述驱动梁上螺纹孔相连的通孔；如图3所示，所述L形梁包含第一短梁、第二短梁，其中，所述第一短梁一端和所述第二短梁的一端垂直固连、另一端的端面中心设有和所述纵向双头螺柱相匹配的螺纹孔，所述第二短梁的另一端设有和所述横向双头螺柱相匹配的螺纹孔；所述横向双头螺柱一端和所述第二短梁上的螺纹孔螺纹相连，另一端依次穿过扭振压电元件组中2p个扭振压电元件的中心圆孔、固定片上的通孔后和所述驱动梁上的螺纹孔螺纹相连，使得扭振压电元件组中2p个扭振压电元件固定在L形梁和驱动梁之间，且驱动梁第一短梁的轴线垂直于驱动圆环的端面；

所述弯振压电元件组包含2q个弯振压电元件，q为大于等于1的整数；如图7（a）、图7（b）所示，所述弯振压电元件呈圆环状，采用二分区压电元件，均沿厚度方向极化，且两个分区的极化方向相反；

所述纵向双头螺柱一端和所述第一扭振作动模块驱动梁第一短梁上的螺纹孔螺纹相连，另一端依次穿过弯振压电元件组中2q个弯振压电元件的中心圆孔后和第二扭振作动模块驱动梁第一短梁上的螺纹孔螺纹相连，使得弯振压电元件组中2q个弯振压电元件固定在第一扭振作动模块、第二扭振作动模块之间；

所述第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的扭振压电元件组中各个扭振压电元件的极化方向均相同；所述弯振压电元件组中相邻弯振压电元件的极化方向相反；

所述第一扭振作动模块驱动圆环远离第二扭振作动模块驱动圆环的端面上、第二扭振作动模块驱动圆环远离第一扭振作动模块驱动圆环的端面上都周向均匀设有m个驱动齿，m为大于等于3的自然数。

作为本实用新型一种夹心式旋转型双驱动压电作动器进一步的优化方案，所述驱动梁包含连接部和放大部，所述连接部为圆柱体，放大部为圆台，放大部面积较大的端面的直径等于连接部端面的直径，且放大部面积较大的端面和所述连接部的一端固连、放大部面积较小的端面和驱动圆环的侧壁固连；

所述驱动圆环周长为L，m个驱动齿沿圆环表面均匀分布，第一扭振作动模块中第一个驱动齿与驱动梁和驱动圆环连接位置的圆弧距离为3L/16m，其余驱动齿之间的圆弧距离为L/m，第二扭振作动模块中第一个驱动齿与驱动梁和驱动圆环连接位置的圆弧距离为9L/16m，其余驱动齿之间的圆弧距离为L/m。

所述第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的固定片上还设有若干用于固定夹心式旋转型双驱动压电作动器的安装孔。

所述第一扭振作动模块中，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；所述第二扭振作动模块中，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。基于这种该夹心式旋转型双驱动压电作动器，本实用新型还公开了一种单相简谐电压信号单模态驱动方法，包括如下步骤：

如图4所示，令第一扭振作动模块中的驱动圆环、驱动梁、固定片、扭振压电元件组、横向双头螺柱、L形梁的第二短梁形成第一横梁，第二扭振作动模块中的驱动圆环、驱动梁、固定片、扭振压电元件组、横向双头螺柱、L形梁的第二短梁形成第二横梁；如图5所示，第一扭振作动模块中L形梁的第一短梁、第二扭振作动模块中L形梁的第一短梁、纵向双头螺柱和弯振压电元件组形成竖梁；

步骤A.1），对第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的扭振压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出第一横梁、第二横梁的2n+1阶扭振模态，如图8所示， n为大于等于0的整数，该扭振模态会诱发第一扭振作动模块、第二扭振作动模块中驱动圆环的m阶面外弯振模态，如图11所示，在简谐振动下第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环的每个驱动齿的运动轨迹均为一个椭圆，第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环的驱动齿的椭圆运动轨迹方向相反，如图11、图13所示，在摩擦作用下驱动和第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环上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，对弯振压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出竖梁的2n+1阶弯振模态，如图9所示，诱发出第一横梁、第二横梁的2n+2阶弯振模态，如图10所示，该弯振模态会激励第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环产生另一个m阶面外弯振模态，此时第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环的驱动齿的运动轨迹为一个反向的椭圆，如图12所示，在摩擦作用下驱动和第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环上驱动齿接触的外界转子反向旋转。

本实用新型还公开了一种该夹心式旋转型双驱动压电作动器的两相简谐电压信号复合模态驱动方法，包括如下步骤：

步骤B.1），对第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的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，调整第一简谐电压信号、第二简谐电压信号使其在时间上具有π/2的相位差，使得第一扭振作动模块、第二扭振作动模块中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，第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的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第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环上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，调整第一简谐电压信号、第二简谐电压信号使其在时间上具有 -π/2的相位差，此时第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环的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第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的驱动圆环上驱动齿接触的外界转子反向旋转。

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）具有与本实用新型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，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种夹心式旋转型双驱动压电作动器，其特征在于，包含第一扭振作动模块、第二扭振作动模块、纵向双头螺柱和弯振压电元件组；

所述第一扭振作动模块、第二扭振作动模块均包含驱动圆环、驱动梁、固定片、扭振压电元件组、横向双头螺柱和L形梁；所述驱动圆环呈圆环状；所述驱动梁一端和所述驱动圆环的侧壁固连，另一端和所述固定片的一个端面固连，且驱动梁的轴线经过驱动圆环的中心；所述扭振压电元件组包含2p个扭振压电元件，p为大于等于1的整数；所述扭振压电元件呈圆环状，采用四分区压电元件，沿圆周方向极化；所述驱动梁远离驱动圆环一端的端面中心设有和所述横向双头螺柱相匹配的螺纹孔；所述固定片上设有供所述横向双头螺柱穿过和所述驱动梁上螺纹孔相连的通孔；所述L形梁包含第一短梁、第二短梁，其中，所述第一短梁一端和所述第二短梁的一端垂直固连、另一端的端面中心设有和所述纵向双头螺柱相匹配的螺纹孔，所述第二短梁的另一端设有和所述横向双头螺柱相匹配的螺纹孔；所述横向双头螺柱一端和所述第二短梁上的螺纹孔螺纹相连，另一端依次穿过扭振压电元件组中2p个扭振压电元件的中心圆孔、固定片上的通孔后和所述驱动梁上的螺纹孔螺纹相连，使得扭振压电元件组中2p个扭振压电元件固定在L形梁和驱动梁之间，且驱动梁第一短梁的轴线垂直于驱动圆环的端面；

所述弯振压电元件组包含2q个弯振压电元件，q为大于等于1的整数；所述弯振压电元件呈圆环状，采用二分区压电元件，均沿厚度方向极化，且两个分区的极化方向相反；

所述纵向双头螺柱一端和所述第一扭振作动模块驱动梁第一短梁上的螺纹孔螺纹相连，另一端依次穿过弯振压电元件组中2q个弯振压电元件的中心圆孔后和第二扭振作动模块驱动梁第一短梁上的螺纹孔螺纹相连，使得弯振压电元件组中2q个弯振压电元件固定在第一扭振作动模块、第二扭振作动模块之间；

所述第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的扭振压电元件组中各个扭振压电元件的极化方向均相同；所述弯振压电元件组中相邻弯振压电元件的极化方向相反；

所述第一扭振作动模块驱动圆环远离第二扭振作动模块驱动圆环的端面上、第二扭振作动模块驱动圆环远离第一扭振作动模块驱动圆环的端面上都周向均匀设有m个驱动齿，m为大于等于3的自然数；

所述第一扭振作动模块、第二扭振作动模块的固定片上还设有若干用于固定夹心式旋转型双驱动压电作动器的安装孔。

2.根据权利要求1所述的夹心式旋转型双驱动压电作动器，其特征在于，所述驱动梁包含连接部和放大部，所述连接部为圆柱体，放大部为圆台，放大部面积较大的端面的直径等于连接部端面的直径，且放大部面积较大的端面和所述连接部的一端固连、放大部面积较小的端面和驱动圆环的侧壁固连。

3.根据权利要求1所述的夹心式旋转型双驱动压电作动器，其特征在于，所述第一扭振作动模块中，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；

所述第二扭振作动模块中，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。

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