专利名称：压电式微机器人行走驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用压电效应的二自由度驱动装置，具体地说是一种可用于机器人行走的压电式驱动器。
直线型超声波电动机是一种由电能直接转换成直线运动机械能的驱动器，它使用超声频域的机械振动作为驱动源，主要由产生超声振动的超声振子(相当于旋转电机的定子)和与之相接触的滑块(相当于旋转电机的转子)组成，作为微机器人行走驱动器，希望具有平面二自由度、大行程、输出速度较快推力较大、体积小重量轻的驱动装置，其中的压电元件分别施加电激励来实现多方向、多自由度驱动，目前已开发出的直线型超声波电动机，有的需要一组以上的支持导向机构，有的需要二相驱动电源，有的采用贵的压电叠堆，有的行程过小，还有几种二自由度超声波电动机，它们结构复杂，输出功率小、体积大，驱动电路不利于小型化、无线化，不适合于微机器人的行走驱动，现有技术中的附图标记8为压电叠堆、标记9为超声振子、标记10为支持导向机构、标记11为滑块、标记12为滚轮、标记13为弹簧。
本发明目的在于提供一种结构简单、制造成本低，便于实现驱动器本体和驱动电路微型化，在二自由度大行程上输出较大速度和负载力，适用于微机器人行走驱动的压电式驱动装置。
本发明技术方案是这样实现的压电式微机器人行走驱动器，其特征在于它由前盖、后盖组成的弹性体及装在前、后盖间的压电元件构成，压电元件采用压电陶瓷片，前盖为梯形块状，后盖为矩形块状，整体的形状为较扁的方柱状。
由于本发明可以独自行走，无须支持部件，减小了摩擦损耗，也取消驱动装置中的支持导向机构对振动模态的限制，效率较高；采用简单的结构实现多自由度，有利于微机器人小型化，采用单相电源驱动实现二自由度的双向行走，使驱动电源简化，有利于微机器人无线操纵，成本低，可在大行程上输出较大的推力和速度，此外本驱动装置降低了对摩擦副的表面精度要求，所以可实现大行程。
图1为现有技术的基本构成及原理2为本发明一实施例的结构示意3为图2的俯视4为图2的侧视5为本发明的另一实施例的结构示意6为图5的侧视图下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明为压电式微机器人行走驱动器，它区别于现有技术在于所述的压电式微机器人行走驱动器由前盖3、后盖1组成的弹性体及装在前、后盖间的压电元件2构成，压电元件采用压电陶瓷片，实施中前盖3为梯形块状，后盖1为矩形块状压电元件2通过紧固件4或粘接剂装在前、后盖之间构成夹心式结构，在前盖3中设有小孔5和凹槽6，前盖的大端与后盖之间夹持压电陶瓷片。通过紧固件或粘接剂将三者联为一体，以采用紧固件周边夹持为佳，实施例中在前盖和后盖上设有用于紧固的夹持耳7，为减少波的反射，压电陶瓷片表面和前、后盖的相应接触面应光滑平整，使三者之间的界面紧密接触，为增大输出功率，作为辅助激振，可以在前盖或后盖的外表面粘贴或涂附压电元件，本发明所述的微机器人是指1毫米至300毫米尺寸的机器人，附图中的箭头方向为驱动器的行走或旋转方向。
本发明的驱动原理是，利用一组压电元件激振，采用单向高频驱动电源，该驱动电源由一般波形发生器和功率放大器组成，均属现有技术，激发出驱动器的纵向、弯曲和扭转振动的耦合模态，由于这三个振动波在达到弹性体的前盖驱动端时，在时间上相差一定的相位，因此这三个振动模态在弹性体的前盖驱动端便合成为一种类似人步行的运动轨迹，从而实现行走驱动，本发明的驱动器总长度约等于纵波波长的一半，弹性体的长、宽、厚的比例约为11∶5∶2，压电元件应处在一阶纵向振动的节面附近，同时又使所激发出的沿轴向扭转和沿垂直于前进方向弯曲振动接近90度的相位差，微调尺寸参数尽可能使这三个振动模态的频率相接近，通过对上述驱动器中的压电元件施加高频激励电场，使驱动器的端部产生仿步态驻波振动，置于光滑的平面上，则可以独自直立行走，通过激发不同的振动模态，驱动器沿前后及原地正反旋四个方向二自由度地行走，也可以让驱动器固定，而驱动被驱动体运动，被驱动体可以具有一定硬度的光滑的玻璃、硅片或金属板制成。
为使驱动器的振动能量集中，将前盖板做成上大下小的梯形，在前端中心钻一小孔，前盖采用声阻抗率较小的材料如硬铝、硅、石英等制作，后盖用声阻抗率较大的材料如钢、铜制做，为有利于驱动器旋转，在前盖板的前端开一凹槽，整体形状为较扁的方柱状。对称结构有利于保持运动的方向性。
本发明的驱动装置可以独自行走，无须支持部件，减小了摩擦损耗，也取消了装夹对振动模态限制，所以效率较高，用简单的结构实现多自由度行走，有利于微机器人小型化，用单相电源驱动实现二自由度的双向行走，使驱动电源简化，有利于微机器人的无线操纵。再加上没有使用特殊压电元件，所以成本低。可在大行程上输出较大的推力和速度。由于聚能作用，驱动装置的振动幅度大，降低了对摩擦副的表面精度要求，所以可以实现大行程。
实施例1驱动器的整体尺寸(不包括夹持耳)为15×5×35毫米，前盖采用硬铝LY12制作，后盖采用碳钢Q235制作，压电元件采用二片厚度为1毫米的发射型压电陶瓷片，型号为PZT-4(锆钛酸铅)，均匀极化，极化方向相对排列，在平板玻璃上行走，驱动面上未使用摩擦材料，驱动频率为45KHz，经测试，输出速度可达30cm/s，可搭负荷20N，运行稳定，运动切换灵活。
实施例2驱动器的整体尺寸(不包括夹持耳)为11.1×5.6×2.1毫米，前盖和后盖采用硅材料制作，压电元件采用二片厚度为0.3毫米的PZT压电陶瓷薄膜，均匀极化，极化方向相对排列，前盖的前端开有1.6毫米深3毫米的V型槽，并开有2个直径0.2毫米的小孔，前盖和后盖之间采用斜榫块夹装固定，该驱动器可以在非常光滑洁净的玻璃平面上行走，驱动频率为80KHz。
权利要求
1.压电式微机器人行走驱动器，其特征在于它由前盖、后盖组成的弹性体及装在前、后盖间的压电元件构成，压电元件采用压电陶瓷片，前盖为梯形块状，后盖为矩形块状，整体的形状为较扁的方柱状。
2.按权利要求1所述的压电式微机器人行走驱动器，其特征在于在前盖和后盖上设有用于紧固的夹持耳。
3.按权利要求1所述的压电式微机器人行走驱动器，其特征在于压电元件通过紧固件或粘接剂装在前、后盖之间构成夹心式结构，在前盖中设有小孔和凹槽。
全文摘要
本发明公开了压电式微机器人行走驱动器，其特征在于它由前盖、后盖组成的弹性体及装在前、后盖间的压电元件构成，压电元件采用压电陶瓷片，前盖为梯形块状，后盖为矩形块状，整体的形状为较扁的方柱状。本发明可以独自行走，无须支持部件，减小了摩擦损耗，效率较高；采用简单的结构实现多自由度，有利于微机器人小型化，采用单相电源驱动实现二自由度的双向行走，使驱动电源简化，有利于微机器人无线操纵，成本低，可在大行程上输出较大的推力和速度。
文档编号B25J11/00GK1392030SQ0111345
公开日2003年1月22日 申请日期2001年6月18日 优先权日2001年6月18日
发明者李朝东, 姚华 申请人:上海大学