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CN112217415A - 一种框架式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法 - Google Patents

一种框架式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种框架式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法，属于压电驱动领域，可以用于精密驱动、医疗、微机械等领域。本发明是为了解决现有的三自由度压电自致动装置输出力较小、成本高、致动能力不足的问题。本发明的三自由度压电谐振自致动机构为框架式结构，所述该电谐振自致动机构包括四组结构完全相同的串联式柱状压电换能器及其连接装置，每组串联式柱状压电换能器可以视为由两个三角梁连接的两个柱状纵振换能器构成。本发明所述该自致动机构的激励方法是通过两相电压激励信号分别激励四组串联式柱状压电换能器的纵振，实现其在平面上的三自由度致动功能。

Description

一种框架式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法
技术领域
本发明涉及一种框架式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法，更详细而言，涉及具有四组完全相同的串联式柱状压电换能器及其连接机构的压电谐振自致动机构，并且通过采用其激励方法使得该压电谐振自致动机构可以实现其在平面上的三自由度致动功能，本发明属于压电驱动技术领域。
背景技术
压电自致动机构利用压电材料的逆压电效应将电能转化为振动体的振动能，并通过驱动足与工作表面的接触摩擦力将振动能转化为自致动机构本体的运动能，实现自致动机构的直线或旋转运动。
压电自致动机构的显著的优点是：容易实现机构尺寸的微小型化、定位精度高、响应速度快(微秒级)、结构简单灵活、不需传动环节、不需润滑、可在真空中应用、不产生磁场其本身也不受磁场的影响等。因此，压电致动方式已经在机器人、精密机械和生物医学工程等领域的微小型移动机构中获得了广泛应用。
目前压电自致动机构多数采用非谐振式激励方式，利用压电材料的伸缩变形带动机构运动，通常采用单一的压电装置直接替代执行机构，使得机构结构大大简化。非谐振式激励方式的优点是具有纳米级高精度，但缺点是驱动力小、速度慢。
压电自致动机构还可以采用谐振式激励方式，此时机构工作在谐振频率，运动机构实质上是工作在谐振状态的压电换能器，其驱动足振幅最大。与非谐振式激励方式相比，谐振式压电激励方式可以显著提升机构驱动力等驱动性能。采用谐振式激励方式的压电自致动机构在微小型压电机器人领域具有良好的发展前景。
采用单一压电装置的压电谐振自致动机构通常只能实现但单自由度、甚至仅为单方向运动。为了实现运动机构平面三自由度运动，即沿平面两坐标轴的直线运动以及旋转运动，通常采用多个压电装置组合带动多个驱动足的方式构造自致动机构，通过对多个换能器的组合激励调整多个驱动足的合驱动力或驱动力矩实现运动机构在平面内的直线平移及旋转等多自由度自致动功能。
实现多自由度驱动、自致动系统的简化以及提升系统驱动性能均是微小型机器人发展的重要方向，也是技术难点。由于压电换能器的结构灵活、在多自由度驱动领域内具有发展前景，以及谐振式激励方式的优点，因此，采用多个具有多自由度驱动功能谐振式压电换能器组合构造微小型机器人的新型运动机构成为一种必然，是满足机构的多自由度自致动功能、电机系统简化、运动性能提升等目标的有效方法。
发明内容
本发明是为了实现压电自致动机构平面三自由度致动功能，同时避免非谐振式压电自致动机构输出力较小、成本高、致动能力不足的问题，而提出一种框架式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法。
本发明提出的框架式三自由度压电谐振机器人自致动机构，它包括四组串联式柱状压电换能器及其连接装置，四组串联式柱状压电换能器通过连接装置依次相连构成框架式结构。
所述四组串联式柱状压电换能器的结构完全相同，均为对称结构，每组串联式柱状压电换能器可以视为由两个三角梁连接的两个柱状纵振换能器构成。
框架式三自由度压电谐振自致动机构的工作原理及激励方法：选取直角坐标系，三轴分别为x、y、z，o为坐标系原点，xoy平面为水平工作面，当激励与x轴平行的两组串联式柱状压电换能器产生组合纵振时，所述两组换能器的驱动足与工作平面接触点处所产生沿x轴方向的摩擦推力推动自致动机构沿x轴方向直线运动；当激励与y轴平行的两组串联式柱状压电换能器产生组合纵振时，所述两组换能器的驱动足与工作平面接触点处所产生沿y轴方向的摩擦推力推动自致动机构沿y轴方向直线运动；当激励四组串联式柱状压电换能器产生组合纵振时，所述四组换能器的驱动足与工作平面接触点处所产生绕z轴相同旋向的摩擦推力推动自致动机构绕z轴旋转运动，通过调整电压激励信号的电压幅值调整推力的大小以及运动机构的运动速度，通过上述方法，实现自致动机构的三自由度运动。
附图说明
图1是本发明所述的框架式三自由度压电谐振自致动机构的结构示意图；
图2是图1中串联式柱状压电换能器1的剖视图；
图3是图2中压电陶瓷组件1-1-3的分解图及压电陶瓷片极化方向示意图，“+”代表陶瓷片极化的正方向，“-”代表陶瓷片极化的负方向。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1-图3说明本具体实施方式，本实施方式所述的框架式三自由度压电谐振自致动机构包括四组结构完全相同的串联式柱状压电换能器1、2、3和4以及其共用的连接梁5、6、7和8，
所述串联式柱状压电换能器的结构可以用串联式柱状压电换能器1为例说明，串联式柱状压电换能器1包含的零部件有两个用于固定的相同的螺钉1-1-1、1-2-1，两个结构相同的端柱1-1-2、1-2-2，四组压电陶瓷组件1-1-3、1-1-4、1-2-3、1-2-4，两个连接梁5、8以及中间梁1-1-5，其中连接梁5为两组串联式柱状压电换能器1和2的共用件，连接梁8为两组串联式柱状压电换能器1和4的共用件。各串联式柱状压电换能器均可拆分为结构完全相同的左纵振换能器、右纵振换能器以及上三角梁、下三角梁共四部分，与此对应，所述的串联式柱状压电换能器1可拆分为左纵振换能器1-1、右纵振换能器1-2以及上三角梁1-3、下三角梁1-4，其中上三角梁1-3和下三角梁1-4均为零件中间梁1-1-5的一部分结构。
框架式三自由度压电谐振自致动机构共包含十六组结构完全相同的压电陶瓷组件，每个串联式柱状压电换能器包含四组压电陶瓷组件，每组压电陶瓷组件包含左右两个结构完全相同但极化方向相反的压电陶瓷片9以及居中放置的一片电极片10，压电陶瓷组件的结构及极化方向均如如图3所示。
所述的框架式三自由度压电谐振自致动机构除压电陶瓷片以外，其他零件均为金属材质。
四组串联式柱状压电换能器包含四个下三角梁，每个下三角梁与xoy平面接触的点设定为一个驱动足，因此所述框架式三自由度压电谐振自致动机构含有四个驱动足。
具体实施方案二、本实施方式与具体实施方式一所述的框架式三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，为柱状换压电能器提供两相具有π/2的相位差的周期性的正弦电压信号Va、Vb，两相电压信号可分别为Va＝Vmsin(ωt)、Vb＝Vmsin(ωt+π/2)，其中Vm表示电压信号的幅值，电压信号的频率ω与所需激励的柱状压电换能器的一阶纵振固有频率趋近或一致。
本实施方式中，设定工作平面：先设定笛卡尔直角坐标系，三轴分别为x、y、z，o为坐标系原点，选取xoy平面为水平工作面，压电谐振自致动机构放置在xoy工作平面上，通过四个驱动足与工作平面接触。
本实施方式中，压电谐振自致动机构在xoy工作平面上的沿x轴方向平移运动的激励方法为：将电压信号Va(或Vb)施加于与x轴平行的两组串联式柱状压电换能器的同一侧的两个柱状纵振换能器包含的所有压电陶瓷组件上，即为串联式柱状压电换能器1的左换能器1-1和串联式柱状压电换能器3的右换能器3-2所包含的所有压电陶瓷组件上；将电压信号Vb(或Va)施加于与x轴平行的两组串联式柱状压电换能器的另一侧的两个柱状纵振换能器包含的所有压电陶瓷组件上，即为串联式柱状压电换能器1的右换能器1-2和串联式柱状压电换能器3的左换能器3-1所包含的所有压电陶瓷组件上，柱状换能器的其他金属件接地，电压信号激励各个纵振换能器产生沿其轴线方向的周期性伸缩变形，实现一阶纵振激励，由于左、右换能器的激励电压信号存在相位差，则其振动时序不同，位于左、右换能器之间的两根三角梁的顶点均产生椭圆形运动轨迹，下三角梁的驱动足与xoy工作面接触摩擦产生沿x轴方向的驱动力，从而推动框架式三自由度压电谐振自致动机构沿x轴方向平移运动，通过调节电压信号的幅值可以改变换能器的振动幅值进而改变自致动机构驱动力的大小及运动速度，通过对调电压信号Va和Vb所连接的压电陶瓷组件可以改变自致动机构的运动方向；
本实施方式中，压电谐振自致动机构在xoy工作平面上的沿y轴方向平移运动的激励方法为：将电压信号Va(或Vb)施加于与y轴平行的两组串联式柱状压电换能器的同一侧的两个柱状纵振换能器包含的所有压电陶瓷组件上，即为串联式柱状压电换能器2的左换能器2-1和串联式柱状压电换能器4的右换能器4-2所包含的所有压电陶瓷组件上；将电压信号Vb(或Va)施加于与y轴平行的两组串联式柱状压电换能器的另一侧的两个柱状纵振换能器包含的所有压电陶瓷组件上，即为串联式柱状压电换能器2的右换能器2-2和串联式柱状压电换能器4的左换能器4-1所包含的所有压电陶瓷组件上，柱状换能器的其他金属件接地，电压信号激励各个纵振换能器产生沿其轴线方向的周期性伸缩变形，实现一阶纵振激励，由于左、右换能器的激励电压信号存在相位差，则其振动时序不同，位于左、右换能器之间的两根三角梁顶点产生椭圆形运动轨迹，下三角梁的驱动足与xoy工作面接触摩擦产生沿y轴方向的驱动力，从而推动框架式三自由度压电谐振自致动机构沿y轴方向平移运动，通过调节电压信号的幅值可以改变换能器的振动幅值进而改变自致动机构驱动力的大小及运动速度，通过对调电压信号Va和Vb所连接的压电陶瓷组件可以改变自致动机构的运动方向；
本实施方式中，压电谐振自致动机构在xoy工作平面上绕z轴的旋转运动的激励方法为：将电压信号Va(或Vb)施加于与四组串联式柱状压电换能器1、2、3、4的左换能器1-1、2-1、3-1、4-1所包含的所有压电陶瓷组件上；将电压信号Vb(或Va)施加于四组串联式柱状压电换能器1、2、3、4的右换能器1-2、2-2、3-2、4-2所包含的所有压电陶瓷组件上，柱状换能器的其他金属件接地，电压信号激励各个纵振换能器产生沿其轴线方向的周期性伸缩变形，实现一阶纵振激励，由于左、右换能器的激励电压信号存在相位差，则其振动时序不同，位于左、右换能器之间的两根三角梁顶点产生椭圆形运动轨迹，下三角梁的驱动足与xoy工作面接触摩擦产生驱动力，四个驱动足产生的驱动力形成合力矩，从而推动框架式三自由度压电谐振自致动机构绕z轴旋转运动，通过调节电压信号的幅值可以改变换能器的振动幅值进而改变自致动机构驱动力的大小及旋转运动速度，通过对调电压信号Va和Vb所连接的压电陶瓷组件可以改变自致动机构的旋转方向。
具体实施方案三、本实施方式与具体实施方式一所述的框架式三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，每个压电陶瓷片均由压电体和一对电极涂层组成，组成这一对电极涂层的两个涂层分别位于压电体的双侧正方形表面上。
本实施方式所述的压电体由锆钛酸铅类压电陶瓷形成，但不限于锆钛酸铅类压电陶瓷，也可以是聚偏氟乙烯、氮化铝等其他压电材料形成的压电体。所述的电极涂层采用在压电陶瓷片表面设置的Al、Cu、Ag、Ag-Pd合金等适当的金属材料涂层实现。
具体实施方案四、本实施方式与具体实施方式一所述的框架式三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，本实施方式所述的四组串联式柱状压电换能器的连接方式为通过共用的连接梁相互衔接形成矩形框架的方式，但不限于该连接方式，也可以是各自独立的四组串联式柱状压电换能器采用其他有效连接方式构造矩形框架式结构。
具体实施方案五、本实施方式与具体实施方式一所述的框架式三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，本实施方式所述的串联式柱状压电换能器1、2、3和4具有正方形截面形状，但不限于正方形截面形状，也可以采用圆形截面形状，对应的陶瓷片采用带内孔的圆形薄片结构，陶瓷片内径、外径与圆形端柱内径、外径一致。
具体实施方案六、本实施方式与具体实施方式一所述的框架式三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，本实施方式所述的柱状压电换能器为夹心式柱状压电换能器，但压电陶瓷的固定方式不限于夹心式结构，也可以是贴片式、沉积或其他有效连接方式。

Claims (3)

1.本发明涉及一种框架式三自由度压电谐振自致动机构，其特征在于，它包括由四组结构完全相同的串联式柱状压电换能器(1、2、3和4)以及其共用的连接梁(5、6、7和8)构成的框架式结构自致动机构，所述每个串联式柱状压电换能器均包含的零部件为两个用于固定的螺钉、两个端柱、四组压电陶瓷组件、两个连接梁以及中间梁，其中两个连接梁为相邻两组串联式柱状压电换能器的共用件，所述各串联式柱状压电换能器可拆分为结构完全相同的左纵振换能器、右纵振换能器以及上三角梁、下三角梁，四个下三角梁与工作平面的接触点作为驱动足，驱动足共四个，所述各压电陶瓷组件均由两片压电陶瓷片及一片居中放置的电极片组成，所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化。
2.根据权利要求1所述的三自由度压电谐振自致动机构，其特征在于，每片压电陶瓷片均由压电体和一对电极涂层组成，组成这一对电极涂层的两个涂层分别位于压电体的双侧正方形表面上。
3.驱动权利要求1所述的三自由度压电谐振自致动机构的驱动方法为：先设定笛卡尔直角坐标系，三轴分别为x、y、z，o为坐标系原点，xoy平面为水平工作面，提供两相具有π/2的相位差的周期性的正弦电压信号，将一相电压信号施加于与x轴平行的两组串联式柱状压电换能器的同一侧的两个柱状纵振换能器包含的所有压电陶瓷组件上，另一相电压信号施加于与所述两组串联式柱状压电换能器的另一侧的两个柱状纵振换能器包含的所有压电陶瓷组件上，柱状换能器的其它金属件接地，由左、右换能器的激励电压信号的相位差造成其振动时序不同，使左、右换能器之间的三角梁的顶点产生椭圆形运动轨迹，下三角梁的驱动足与xoy工作面接触摩擦产生沿x轴方向的驱动力，从而推动框架式三自由度压电谐振自致动机构沿x轴方向平移运动；将一相电压信号施加于与y轴平行的两组串联式柱状压电换能器的同一侧的两个柱状纵振换能器包含的所有压电陶瓷组件上，另一相电压信号施加于与所述两组串联式柱状压电换能器的另一侧的两个柱状纵振换能器包含的所有压电陶瓷组件上，柱状换能器的其它金属件接地，由左、右换能器的激励电压信号的相位差造成其振动时序不同，使左、右换能器之间的三角梁的顶点产生椭圆形运动轨迹，下三角梁的驱动足与xoy工作面接触摩擦产生沿y轴方向的驱动力，从而推动框架式三自由度压电谐振自致动机构沿y轴方向平移运动；将一相电压信号施加于与四组串联式柱状压电换能器的左换能器所包含的所有压电陶瓷组件上，柱状换能器的其它金属件接地，将另一相电压信号施加于与四组串联式柱状压电换能器的右换能器所包含的所有压电陶瓷组件上，由左、右换能器的激励电压信号的相位差造成其振动时序不同，使左、右换能器之间的三角梁的顶点产生椭圆形运动轨迹，下三角梁的驱动足与xoy工作面接触摩擦产生的驱动力形成合力矩，从而推动框架式三自由度压电谐振自致动机构绕z轴旋转运动，通过调节电压信号的幅值可以改变换能器的振动幅值进而改变自致动机构驱动力或驱动合力矩的大小及平移运动速度或旋转运动速度，通过对调两相电压信号所连接的压电陶瓷组件可以改变自致动机构驱动力的平移运动方向或旋转运动方向，通过上述方法，实现运动自致动机构的三自由度运动。
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