一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器及其控制方法

摘要

本发明涉及一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器及其控制方法，属于精密机械领域。该驱动器由负载平台、柔顺驱动机构、导轨滑块、摩擦力调节装置和基座组成。其中，负载平台、柔顺驱动机构与导轨滑块通过螺钉相连接。摩擦力调节装置和导轨滑块分别固定在基座上，可通过旋转预紧螺钉调节摩擦足与导轨滑块间的初始间隙，进而实现导轨滑块所受摩擦力的调节。本发明是通过借鉴青蛙后腿趾间蹼的结构以及游动时后腿的运动方式提出的一种仿生冲击压电驱动器，解决了传统惯性冲击型压电驱动器因工作带宽较窄导致的综合输出性能较低的问题。

权利要求

1.一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器，其特征在于：包括负载平台(1)、柔顺驱动机构(2)、导轨、滑块(3)、摩擦力调节装置(4)和基座(5)；所述的负载平台(1)、柔顺驱动机构(2)、滑块(3)、导轨和基座(5)自上而下排布；所述的导轨和摩擦力调节装置(4)通过螺钉固定在基座(5)同一平面内；滑块在导轨上运动，导轨背离摩擦力调节装置（4）延伸的方向为正y 向；所述的柔顺驱动机构(2)受到锯齿波电信号的激励作用，根据冲击惯性原理，滑块(3)能沿y向运动；所述的柔顺驱动机构(2)包括六边形柔性铰链(2.1)、压电叠堆(2.2)和预紧楔块(2.3)；惯性质量块Ⅰ(2.1.1)、柔性直梁Ⅰ(2.1.2)、固定梁Ⅰ(2.1.3)、柔性直梁Ⅱ(2.1.4)、惯性质量块Ⅱ(2.1.5)、柔性直梁Ⅲ(2.1.6)、固定梁Ⅱ(2.1.7)和柔性直梁Ⅳ(2.1.9)按顺时针首尾相连排布，组成六边形柔性铰链(2.1)；柔性直梁Ⅳ（2.1.9）和柔性直梁Ⅰ（2.1.2）互相平行并且分别从惯性质量块Ⅰ（2.1.1）中延伸出来，延伸方向与正y向或负y向的夹角呈锐角，另一端分别连接固定梁Ⅱ（2.1.7）和固定梁Ⅰ（2.1.3）；惯性质量块Ⅰ(2.1.1)、柔性直梁Ⅰ(2.1.2)和柔性直梁Ⅳ(2.1.9)与惯性质量块Ⅱ(2.1.5)、柔性直梁Ⅱ(2.1.4)和柔性直梁Ⅲ(2.1.6)关于固定梁Ⅰ(2.1.3)和固定梁Ⅱ(2.1.7)的连线形成的轴对称分布；用于固定柔顺驱动机构(2)的安装孔(2.1.8)设置于固定梁Ⅰ(2.1.3)和固定梁Ⅱ(2.1.7)上；压电叠堆(2.2)通过预紧楔块(2.3)以过盈配合的形式内嵌于惯性质量块Ⅰ(2.1.1)和惯性质量块Ⅱ(2.1.5)间；通电伸长的压电叠堆(2.2)能使柔性直梁Ⅰ(2.1.2)、柔性直梁Ⅱ(2.1.4)、柔性直梁Ⅲ(2.1.6)和柔性直梁Ⅳ(2.1.9)产生弯曲变形并带动惯性质量块Ⅰ(2.1.1)和惯性质量块Ⅱ(2.1.5)沿正y向或负y向移动。

2.根据权利要求1所述的一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器，其特征在于：所述摩擦力调节装置(4)包括L型柔性铰链(4.1)和预紧螺钉(4.2)；所述的L型柔性铰链(4.1)包括固定端(4.1.1)、摩擦足(4.1.2)和柔性调节梁(4.1.3)；通过固定端(4.1.1)将L型柔性铰链(4.1)固定在基座(5)上；所述的预紧螺钉(4.2)通过设置于基座(5)上的螺纹孔与柔性调节梁(4.1.3)弹性接触；所述的摩擦足(4.1.2)与滑块(3)表面接触；通过调整预紧螺钉(4.2)，能改变摩擦足(4.1.2)与滑块(3)间的摩擦力。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

①工作前，调整摩擦力调节装置(4)中的预紧螺钉(4.2)，使其与滑块(3)获得合适的摩擦力；

②向压电叠堆(2.2)输入锯齿型电信号，当电压幅值缓慢增大时，压电叠堆(2.2)逐渐伸长，六边形柔性铰链(2.1)受到拉伸作用，柔性直梁Ⅰ(2.1.2)、柔性直梁Ⅱ(2.1.4)、柔性直梁Ⅲ(2.1.6)和柔性直梁Ⅳ(2.1.9)产生弯曲变形并带动惯性质量块Ⅰ(2.1.1)和惯性质量块Ⅱ(2.1.5)沿正y向或负y向移动；

③当电压幅值急剧减小至0V时，压电叠堆(2.2)迅速收缩，六边形柔性铰链(2.1)快速恢复到初始状态，此时惯性质量块Ⅰ(2.1.1)和惯性质量块Ⅱ(2.1.5)产生正y向或负y向的惯性冲击力，使滑块(3)沿正y向或负y向移动；

④重复以上步骤即可实现稳定的大行程运动，改变惯性质量块Ⅰ(2.1.1)、惯性质量块Ⅱ(2.1.5)质量、调整摩擦力调节装置(4)或改变激励信号能够获得不同输出效果。

说明书

一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器，属于精密机械领域，在生物医学、微纳操作领域具有极高的应用价值。

背景技术

[0002] 近年来，随着各科技领域的快速发展，精密驱动技术也在不断更新换代，其中压电驱动以其体积小、响应快以及不受电磁干扰等优点而成为学者们的研究热点之一。

[0003] 随着压电精密驱动技术的发展，基于不同原理、不同结构的压电驱动器被研制出来。它们被广泛应用于精密机械与仪器、生物工程、微纳操作、超精密加工等领域。根据驱动
原理，压电驱动器可大体分为尺蠖型、超声型、粘滑型和惯性冲击型等。其中，尺蠖型压电驱
动器的结构和控制系统复杂，超声型驱动器的磨损发热严重且使用寿命较短，粘滑型驱动
器存在回退现象。上述缺点一定程度上制约着它们的发展和应用。

[0004] 惯性冲击型压电驱动器由于其结构简单、控制方便、无回退等优点受到了广泛关注。近年来，为了满足各种不同的需求，各国研究人员对冲击惯性压电驱动器进行了各种改
进。但是普遍存在的一个问题是，它们的稳定工作带宽较窄，通常在100Hz以内，因此综合输
出性能较低。

[0005] 为了扩大稳定工作带宽，提高综合输出性能，本发明通过借鉴青蛙后腿趾间蹼的结构以及游动时后腿的运动方式，提出了一种仿生冲击压电驱动器。设计了一种平行六边
形柔性铰链，惯性质量块对称分布于前进方向两侧。采用锯齿型电信号作为激励信号，压电
叠堆周期性变形，产生惯性冲击力，驱动导轨滑块前进。可通过改变激励信号及惯性质量块
质量，来改变驱动器的输出性能。

发明内容

[0006] 为了扩大稳定工作带宽，实现驱动器高运动精度和高运动速度的统一。本发明公开了一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器。

[0007] 本发明为实现上述目的采用的技术方案如下：

[0008] 一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器包括负载平台、柔顺驱动机构、导轨滑块、摩擦力调节装置和基座；所述的负载平台、柔顺驱动机构、导轨滑块和基座自上而下
排布；所述的导轨滑块和摩擦力调节装置通过螺钉固定在基座同一平面内；所述的柔顺驱
动机构受到锯齿波电信号的激励作用，根据冲击惯性原理，导轨滑块可沿y向运动。

[0009] 所述的柔顺驱动机构包括平行六边形柔性铰链、压电叠堆和预紧楔块；所述的惯性质量块Ⅰ、柔性直梁Ⅰ、固定梁Ⅰ、柔性直梁Ⅱ、惯性质量块Ⅱ、柔性直梁Ⅲ、固定梁Ⅱ和柔性
直梁Ⅳ按顺时针首尾相连排布，组成平行六边形柔性铰链；所述的惯性质量块Ⅰ、柔性直梁
Ⅰ、柔性直梁Ⅳ与惯性质量块Ⅱ、柔性直梁Ⅱ、柔性直梁Ⅲ关于固定梁Ⅰ、固定梁Ⅱ轴对称分
布；所述的用于固定柔顺驱动机构的安装孔设置于固定梁Ⅰ和固定梁Ⅱ上；压电叠堆通过预
紧楔块以过盈配合的形式内嵌于惯性质量块Ⅰ和惯性质量块Ⅱ间；通电伸长的压电叠堆可
使柔性直梁Ⅰ、柔性直梁Ⅱ、柔性直梁Ⅲ和柔性直梁Ⅳ产生弯曲变形并带动惯性质量块Ⅰ和
惯性质量块Ⅱ沿正y向移动。

[0010] 所述摩擦力调节装置包括L型柔性铰链和预紧螺钉；所述的L型柔性铰链包括固定端、摩擦足和柔性调节梁；通过固定端可将L型柔性铰链固定在基座上；所述的预紧螺钉通
过设置于基座上的螺纹孔与柔性调节梁弹性接触；所述的摩擦足与导轨滑块表面接触；通
过调整预紧螺钉，可改变摩擦足与导轨滑块间的摩擦力。

[0011] 本发明的另一目的在于提供一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器的控制方法，包括以下步骤：

[0012] ①工作前，调整摩擦力调节装置中的预紧螺钉，使导轨滑块受到合适的摩擦力；

[0013] ②向压电叠堆输入锯齿型电信号，当电压幅值缓慢增大时，基于逆压电效应，压电叠堆逐渐伸长，平行六边形柔性铰链受到拉伸作用，柔性直梁Ⅰ、柔性直梁Ⅱ、柔性直梁Ⅲ和
柔性直梁Ⅳ产生弯曲变形并带动惯性质量块Ⅰ和惯性质量块Ⅱ沿正y向移动；

[0014] ③当电压幅值急剧减小至0V时，压电叠堆迅速收缩，平行六边形柔性铰链恢复到初始状态，此时惯性质量块Ⅰ和惯性质量块Ⅱ产生正y向的惯性冲击力，使导轨滑块沿正y向
移动；

[0015] ④重复以上步骤即可实现稳定步进，改变惯性质量块Ⅰ、惯性质量块Ⅱ质量、调整摩擦力调节装置以及改变激励信号可获得不同输出效果。

[0016] 本发明的有益效果在于：结构简单、控制方便、无回退，稳定工作频率带宽可达275Hz，相应的速度达到1.218mm/s，且综合性能较传统惯性冲击压电驱动器有显著提高，具
有实际应用价值。

附图说明

[0017] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0018] 图1是本发明的一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器的装置结构示意图；

[0019] 图2是本发明的柔顺驱动机构部分结构示意图；

[0020] 图3是本发明的平行六边形柔性铰链的俯视图；

[0021] 图4是本发明的摩擦力调节装置部分结构示意图；

[0022] 图5是本发明的一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器的工作原理图；

[0023] 图6是本发明在驱动电压U＝100V下测得的，速度随频率变化的曲线。

[0024] 图中：1、负载平台；2、柔顺驱动机构；2.1、平行六边形柔性铰链；2.1.1、惯性质量块Ⅰ；2.1.2、柔性直梁Ⅰ；2.1.3、固定梁Ⅰ；2.1.4、柔性直梁Ⅱ；2.1.5、惯性质量块Ⅱ；2.1.6、
柔性直梁Ⅲ；2.1.7、固定梁Ⅱ；2.1.8、安装孔；2.1.9、柔性直梁Ⅳ；2.2、压电叠堆；2.3、预紧
楔块；3、导轨滑块；4、摩擦力调节装置；5、基座。

具体实施方式

[0025] 下面将结合实例中的附图对本发明进一步说明。

[0026] 参见图1至图4，本发明提出一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器，包括负载平台(1)、柔顺驱动机构(2)、导轨滑块(3)、摩擦力调节装置(4)和基座(5)；所述的负载平
台(1)、柔顺驱动机构(2)、导轨滑块(3)和基座(5)自上而下排布；所述的导轨滑块(3)和摩
擦力调节装置(4)通过螺钉固定在基座(5)同一平面内；所述的柔顺驱动机构(2)受到锯齿
波电信号的激励作用，根据冲击惯性原理，导轨滑块(3)可沿y向运动。

[0027] 所述的柔顺驱动机构(2)包括平行六边形柔性铰链(2.1)、压电叠堆(2.2)和预紧楔块(2.3)；所述的惯性质量块Ⅰ(2.1.1)、柔性直梁Ⅰ(2.1.2)、固定梁Ⅰ(2.1.3)、柔性直梁Ⅱ
(2.1.4)、惯性质量块Ⅱ(2.1.5)、柔性直梁Ⅲ(2.1.6)、固定梁Ⅱ(2.1.7)和柔性直梁Ⅳ
(2.1.9)按顺时针首尾相连排布，组成平行六边形柔性铰链(2.1)；所述的惯性质量块Ⅰ
(2.1.1)、柔性直梁Ⅰ(2.1.2)、柔性直梁Ⅳ(2.1.9)与惯性质量块Ⅱ(2.1.5)、柔性直梁Ⅱ
(2.1.4)、柔性直梁Ⅲ(2.1.6)关于固定梁Ⅰ(2.1.3)、固定梁Ⅱ(2.1.7)轴对称分布；所述的
用于固定柔顺驱动机构(2)的安装孔(2.1.8)设置于固定梁Ⅰ(2.1.3)和固定梁Ⅱ(2.1.7)
上；压电叠堆(2.2)通过预紧楔块(2.3)以过盈配合的形式内嵌于惯性质量块Ⅰ(2.1.1)和惯
性质量块Ⅱ(2.1.5)间；通电伸长的压电叠堆(2.2)可使柔性直梁Ⅰ(2.1.2)、柔性直梁Ⅱ
(2.1.4)、柔性直梁Ⅲ(2.1.6)和柔性直梁Ⅳ(2.1.9)产生弯曲变形并带动惯性质量块Ⅰ
(2.1.1)和惯性质量块Ⅱ(2.1.5)沿正y向移动。

[0028] 所述摩擦力调节装置(4)包括L型柔性铰链(4.1)和预紧螺钉(4.2)；所述的L型柔性铰链(4.1)包括固定端(4.1.1)、摩擦足(4.1.2)和柔性调节梁(4.1.3)；通过固定端
(4.1.1)可将L型柔性铰链(4.1)固定在基座(5)上；所述的预紧螺钉(4.2)通过设置于基座
(5)上的螺纹孔与柔性调节梁(4.1.3)弹性接触；所述的摩擦足(4.1.2)与导轨滑块(3)表面
接触；通过调整预紧螺钉(4.2)，可改变摩擦足(4.1.2)与导轨滑块(3)间的摩擦力。

[0029] 参见图5，为本发明提出的一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器的过程示意图，基于惯性冲击驱动原理的完整运动过程概括如下，主要包括三个步骤：

[0030] 步骤①：在t0时刻，柔顺驱动机构(2)处于初始状态，调整摩擦力调节装置(4)中的预紧螺钉(4.2)，使导轨滑块(3)受到合适的摩擦力；

[0031] 步骤②：从t0至t1时刻，电压幅值缓慢增大时，基于逆压电效应，压电叠堆(2.2)逐渐伸长，平行六边形柔性铰链(2.1)受到拉伸作用，柔性直梁Ⅰ(2.1.2)、柔性直梁Ⅱ
(2.1.4)、柔性直梁Ⅲ(2.1.6)和柔性直梁Ⅳ(2.1.9)产生弯曲变形并带动惯性质量块Ⅰ
(2.1.1)和惯性质量块Ⅱ(2.1.5)沿正y向移动；

[0032] 步骤③：从t1至t2时刻，电压幅值急剧减小至0V时，压电叠堆(2.2)迅速收缩，平行六边形柔性铰链(2.1)恢复到初始状态，此时惯性质量块Ⅰ(2.1.1)和惯性质量块Ⅱ(2.1.5)
产生正y向的惯性冲击力，使导轨滑块(3)沿正y向移动；

[0033] 重复以上步骤即可实现稳定步进，改变惯性质量块Ⅰ(2.1.1)、惯性质量块Ⅱ(2.1.5)质量、调整摩擦力调节装置(4)以及改变激励信号可获得不同输出效果。

[0034] 图6是本发明在驱动电压U＝100V，不同输入频率f条件下获得的速度曲线，可见稳定工作频率带宽显著提高，可达275Hz，相应的驱动速度为1.218mm/s。

[0035] 以上内容并非对本发明的结构、形状作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的
范围内。