CN211720489U - 一种贴片式多模态复合型旋转压电作动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种贴片式多模态复合型旋转压电作动器，包含驱动圆环、连接杆、矩形梁、安装架、第一至第二扭振压电元件组、以及第一至第二弯振压电元件组。矩形梁通过连接杆和驱动圆环相连；第一至第二扭振压电元件组、以及第一至第二弯振压电元件组设置在矩形梁上，用于使得驱动圆环上的驱动齿运动。本实用新型利用压电材料的逆压电效应将电能转换为机械能，通过摩擦原理直接驱动转子旋转，不需要复杂的传动机构，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

一种贴片式多模态复合型旋转压电作动器

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，尤其涉及一种贴片式多模态复合型旋转压电作动器。

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。本实用新型提出了基于逆压电效应和摩擦作用驱动的贴片式多模态复合型旋转压电作动器，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。

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，提供一种贴片式多模态复合型旋转压电作动器。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种贴片式多模态复合型旋转压电作动器，包含驱动圆环、连接杆、矩形梁、安装架、第一至第二扭振压电元件组、以及第一至第二弯振压电元件组；

所述矩形梁为长方体，包含第一至第四侧面和两个端面，其中，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；

所述连接杆为柱体，其一个端面和所述矩形梁的一个端面固连，另一个端面为弧面、和所述驱动圆环的侧面固连；

所述连接杆、矩形梁同轴且轴线经过所述驱动圆环的中心，所述驱动圆环的两个端面和矩形梁的第一侧面平行；

所述安装架包含对称设置在第二侧面中心、第四侧面中心的第一安装片、第二安装片，所述第一安装片、第二安装片上均设有通孔，用于固定旋转压电作动器；

所述第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组对称设置在第一侧面中心、第三侧面中心，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所述矩形梁粘接，形成田字格正方形，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、第二扭振压电元件组的扭振压电元件的极化方向相反；

所述第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组对称设置在第一侧面、第三侧面上，均包含两个弯振压电元件；第一弯振压电元件组的两个弯振压电元件对称设置在所述第一扭振压电元件组的两侧、和所述矩形梁粘接，且极化方向相同；

所述第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组中弯振压电元件的极化方向相同；

所述驱动圆环的一个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。

作为本实用新型一种贴片式多模态复合型旋转压电作动器进一步的优化方案，所述第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组中第一至第四扭振压电元件形成的正方形的边长和所述矩形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；

第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组中弯振压电元件的两条边均和第一侧面的两个长边对齐。

本实用新型还公开了一种该贴片式多模态复合型旋转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：

步骤A.1），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，激励出矩形梁的2n+1（n≥0，n为正整数）阶扭振模态，诱发驱动圆环的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，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，对第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出矩形梁的2n+2（n≥0，n为正整数）阶弯振模态，激励驱动圆环产生另一个m阶面外弯振模态，此m阶面外弯振模态与扭振激励的m阶面外弯振模态在空间上存在π/2的相位差，导致此时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驱动齿接触的外界转子沿反向旋转。

本实用新型还公开了一种该贴片式多模态复合型旋转压电作动器的两相简谐电压信号复合模态作动方法，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，调整两相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，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，调整两相简谐电压信号在时间上具有 -π/2的相位差，驱动齿做相反的椭圆运动，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贴片式多模态复合型旋转压电作动器，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。

附图说明

图1是贴片式多模态复合型旋转压电作动器的结构示意图；

图2中（a）是第一第二扭振压电元件组电信号施加方式的示意图、（b）是第一第二扭振压电元件组的极化方向示意图；

图3是第一第二弯振压电元件组的极化方向及施加电信号的示意图；

图4是矩形梁扭振的工作模态示意图；

图5是矩形梁弯振的工作模态示意图；

图6是扭振激励下的驱动圆环（展开）的三阶面外弯振工作模态示意图；

图7是弯振激励下的驱动圆环（展开）的三阶面外弯振工作模态示意图；

图8是两种三阶面外弯振工作模态下驱动齿的运动轨迹示意图。

图中，1-驱动圆环，2-矩形梁，3-驱动齿，4-安装片，5-第一扭振压电元件组，6-第一弯振压电元件组的一个弯振压电元件，7-第一弯振压电元件组的另一个弯振压电元件。

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贴片式多模态复合型旋转压电作动器，包含驱动圆环、连接杆、矩形梁、安装架、第一至第二扭振压电元件组、以及第一至第二弯振压电元件组；

所述矩形梁为长方体，包含第一至第四侧面和两个端面，其中，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；

所述连接杆为柱体，其一个端面和所述矩形梁的一个端面固连，另一个端面为弧面、和所述驱动圆环的侧面固连；

所述连接杆、矩形梁同轴且轴线经过所述驱动圆环的中心，所述驱动圆环的两个端面和矩形梁的第一侧面平行；

所述安装架包含对称设置在第二侧面中心、第四侧面中心的第一安装片、第二安装片，所述第一安装片、第二安装片上均设有通孔，用于固定旋转压电作动器；

如图2（a）、图2（b）所示，所述第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组对称设置在第一侧面中心、第三侧面中心，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所述矩形梁粘接，形成田字格正方形，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、第二扭振压电元件组的扭振压电元件的极化方向相反；

如图3所示，所述第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组对称设置在第一侧面、第三侧面上，均包含两个弯振压电元件；第一弯振压电元件组的两个弯振压电元件对称设置在所述第一扭振压电元件组的两侧、和所述矩形梁粘接，且极化方向相同；

所述第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组中弯振压电元件的极化方向相同。

所述驱动圆环的一个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。

所述第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组中第一至第四扭振压电元件形成的正方形的边长和所述矩形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；

第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组中弯振压电元件的两条边均和第一侧面的两个长边对齐。

安装架的两个安装片设置在矩形梁的中间位置，即位于矩形梁振动模态节点位置，安装架的形状可根据工作环境进行改进。

驱动杆减小了矩形梁和驱动圆环的接触面积，放大矩形梁传递驱动圆环的振幅，矩形梁的扭转振动模态及弯曲振动模态会激励驱动圆环产生两个不同的三阶面外弯曲振动模态，如图6和图7所示。

根据作动方式的不同，驱动圆环上表面的m个驱动齿的位置分布不同。以m为3为例说明，单模态作动时，驱动圆环表面波为驻波，三个均匀分布的驱动齿位于两种三阶面外弯振模态一个波长内除了节点、波峰和波谷的任何位置；多模态复合振动时，驱动圆环表面波为行波，驱动齿可位于驱动圆环上表面任何位置，且数量不受限制，可根据转子类型进一步优化设计。

本实用新型还公开了一种该贴片式多模态复合型旋转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：

步骤A.1），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，激励出矩形梁的2n+1（n≥0，n为正整数）阶扭振模态，矩形梁沿长度轴线方向做高频扭转振动，如图4所示，诱发驱动圆环的m阶面外弯振模态，如图6所示，在简谐振动下每个驱动齿的运动轨迹均为一个椭圆，如图8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，对第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出矩形梁的2n+2（n≥0，n为正整数）阶弯振模态，如图5所示，激励驱动圆环产生另一个m阶面外弯振模态，如图7所示，此m阶面外弯振模态与扭振激励的m阶面外弯振模态在空间上存在π/2的相位差，导致此时驱动齿的运动轨迹为一个反向的椭圆，如图8所示，在摩擦作用下驱动和驱动齿接触的外界转子沿反向旋转。

本实用新型还公开了一种该贴片式多模态复合型旋转压电作动器的两相简谐电压信号复合模态作动方法，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，调整两相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，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；相较于驻波引起的驱动齿的椭圆运动轨迹，行波下的椭圆具有更小的长短轴之比，椭圆更圆；

步骤B.2），如果需要驱动外界转子反向旋转，调整两相简谐电压信号在时间上具有 -π/2的相位差，驱动齿做相反的椭圆运动，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 (2)

1.一种贴片式多模态复合型旋转压电作动器，其特征在于，包含驱动圆环、连接杆、矩形梁、安装架、第一至第二扭振压电元件组、以及第一至第二弯振压电元件组；

所述矩形梁为长方体，包含第一至第四侧面和两个端面，其中，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；

所述连接杆为柱体，其一个端面和所述矩形梁的一个端面固连，另一个端面为弧面、和所述驱动圆环的侧面固连；

所述连接杆、矩形梁同轴且轴线经过所述驱动圆环的中心，所述驱动圆环的两个端面和矩形梁的第一侧面平行；

所述安装架包含对称设置在第二侧面中心、第四侧面中心的第一安装片、第二安装片，所述第一安装片、第二安装片上均设有通孔，用于固定旋转压电作动器；

所述第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组对称设置在第一侧面中心、第三侧面中心，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所述矩形梁粘接，形成田字格正方形，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、第二扭振压电元件组的扭振压电元件的极化方向相反；

所述第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组对称设置在第一侧面、第三侧面上，均包含两个弯振压电元件；第一弯振压电元件组的两个弯振压电元件对称设置在所述第一扭振压电元件组的两侧、和所述矩形梁粘接，且极化方向相同；

所述第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组中弯振压电元件的极化方向相同；

所述驱动圆环的一个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。

2.根据权利要求1所述的贴片式多模态复合型旋转压电作动器，其特征在于，所述第一扭振压电元件组、第二扭振压电元件组中第一至第四扭振压电元件形成的正方形的边长和所述矩形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；

第一弯振压电元件组、第二弯振压电元件组中弯振压电元件的两条边均和第一侧面的两个长边对齐。

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