内含光电编码器的旋转式惯性压电作动器及作动方法与流程

本发明属于惯性压电作动器技术领域，具体涉及一种内含光电编码器的旋转式惯性压电作动器及作动方法。

背景技术：

惯性式压电作动器是一类采用非对称的驱动信号、非对称的机械夹持结构或非对称的摩擦力为控制方式，通过惯性冲击运动形成驱动的机构。

与其他类型的压电驱动比较，惯性压电作动器具有结构简单、响应速度快、分辨率高、大行程、运动速度快和成本低等主要优点，可实现较大行程且同时具有纳米级定位精度。因此，惯性压电作动器适用于需要高分辨率、大行程的场合。目前，科技工作者已成功将惯性压电作动器应用于高精度定位机构，多自由度驱动器，微型机器人关节以及微操作手等领域。

一般地，旋转式惯性压电作动器常常利用双晶片作为驱动元件，结构复杂且强度低；目前在多数旋转式惯性作动器中，仅依靠线接触进行钳位，容易因表面磨损而钳位失效；另外，大多数旋转式惯性压电作动器虽能完成转角的输出，但是无法准确实时测量输出角度的大小。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种内含光电编码器的旋转式惯性压电作动器及作动方法，在高频驱动条件下，能够快速响应并稳定驱动负载双向旋转；此作动器结构新颖，钳位可靠，具有实时测量输出角度的功能，能够断电锁止并实现双向旋转。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种内含光电编码器的旋转式惯性压电作动器，包括外壳1、输出轴3、轴承8、第一作动件5、第二作动件6、码盘9、光电检测组件10及印制板11；所述外壳1底座经轴承8安装有输出轴3，该输出轴3的中下部一体加工有大截面的圆盘2，圆盘2下表面粘贴有码盘9，布置于码盘9下方的是固定在底座上表面的光电检测组件10和印制板11；第一作动件5和第二作动件6固定于外壳1内侧壁面，两者关于所在平面上的轴心点成中心对称分布，第一作动件5和第二作动件6内部均过盈配合有压电堆7，两者底部设有摩擦足4，摩擦足4能够与圆盘2上表面紧密接触；所述码盘9、光电检测组件10及印制板11一同构成光电编码器，当码盘9随输出轴3旋转，光电检测组件10和印制板11一起形成的处理电路进行光电转换和信号处理的功能，从而实时获得作动器的输出转角。

所述摩擦足4为设置在第一作动件5和第二作动件6底部的突出粗糙面，摩擦足4与圆盘2上表面紧密接触，两者之间能够产生可靠的摩擦力。

所述的内含光电编码器的旋转式惯性压电作动器的作动方法，未通电时，输出轴3处于钳位状态；为使输出轴3逆时针旋转，第一步，对第一作动件5和第二作动件6中的压电堆7缓慢施加电压，压电堆7沿其轴向缓慢伸长，带动摩擦足4远离安装壁面运动，此时摩擦足4与圆盘2之间的静摩擦力对输出轴3产生的力矩能够克服输出轴3的惯性力矩，输出轴3上的圆盘2与摩擦足4保持相对静止，推动输出轴3逆时针旋转一个微小角度；第二步，对第一作动件5和第二作动件6中的压电堆7迅速降电，压电堆7沿其轴向迅速收缩，带动摩擦足4朝安装壁面运动，此时摩擦足4与圆盘2之间的静摩擦力对输出轴3产生的力矩无法克服输出轴3的惯性力矩，输出轴3上的圆盘2与摩擦足4出现相对滑动，在降电极短的时间内，输出轴3基本保持原位，由此输出轴3保留一个逆时针的旋转步距；重复第一、二步，能够使输出轴3连续地驱动负载逆时针旋转；类似地，为使输出轴3顺时针旋转，第一步，对第一作动件5和第二作动件6中的压电堆7迅速加电，压电堆7沿其轴向迅速伸长，带动摩擦足4远离安装壁面运动，此时摩擦足4与圆盘2之间的静摩擦力对输出轴3产生的力矩无法克服输出轴3的惯性力矩，输出轴3上的圆盘2与摩擦足4出现相对滑动，在加电极短的时间内，输出轴3基本保持原位；第二步，对第一作动件5和第二作动件6中的压电堆7缓慢降电，压电堆7沿其轴向缓慢收缩，带动摩擦足4朝安装壁面运动，此时摩擦足4与圆盘2之间的静摩擦力对输出轴3产生的力矩能够克服输出轴3的惯性力矩，输出轴3上的圆盘2与摩擦足4保持相对静止，拉动输出轴3顺时针旋转一个微小角度，由此输出轴3保留一个顺时针的旋转步距；重复第一、二步，能够使输出轴3连续地驱动负载顺时针旋转；当码盘9随输出轴3旋转，光电检测组件10和印制板11一起形成的处理电路进行光电转换和信号处理的功能，从而实时获得作动器的输出转角。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明的第一作动件5和第二作动件6安装于外壳1内壁后，其摩擦足4与输出轴3上的圆盘2实现了紧密的面接触，使得摩擦表面增大，摩擦力相应增大，另外摩擦力对输出轴3轴心的力臂大于输出轴3轴径，输出力矩显著增大，由此提高了作动器的输出性能，降低了外在环境及接触面磨损的影响。

2)本发明的输出轴3圆盘2下方设有码盘9，该码盘9与光电检测组件10及印制板11一同构成光电编码器，当码盘9随输出轴3旋转，光电检测组件10和印制板11一起形成的处理电路进行光电转换和信号处理，实现实时测量输出转角的功能。

3)本发明结构内部空间利用合理，体积小，质量轻，使用惯性作动的原理，结构简单紧凑，作动方便易行。

附图说明

图1为本发明结构俯视图。

图2为本发明剖面图。

图3为本发明作动件的立体图。

图4为本发明逆时针旋转的驱动电压时序图。

图5为本发明顺时针旋转的驱动电压时序图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1至图3所示，本发明内含光电编码器的旋转式惯性压电作动器，包括外壳1、输出轴3、轴承8、第一作动件5、第二作动件6、码盘9、光电检测组件10及印制板11；所述外壳1底座经轴承8安装有输出轴3，该输出轴3的中下部一体加工有大截面的圆盘2，圆盘2下表面粘贴有码盘9，布置于码盘9下方的是固定在底座上表面的光电检测组件10和印制板11；第一作动件5和第二作动件6固定于外壳1内侧壁面，两者关于所在平面上的轴心点成中心对称分布，第一作动件5和第二作动件6内部均过盈配合有压电堆7，两者底部设有摩擦足4，摩擦足4能够与圆盘2上表面紧密接触。

所述码盘9、光电检测组件10及印制板11一同构成光电编码器，当码盘9随输出轴3旋转，光电检测组件10和印制板11一起形成的处理电路进行光电转换和信号处理的功能，从而实时获得作动器的输出转角。

作为本发明的优选实施方式，所述摩擦足4为设置在第一作动件5和第二作动件6底部的突出粗糙面，摩擦足4与圆盘2上表面紧密接触，两者之间能够产生可靠的摩擦力。

如图4和图5所示，内含光电编码器的旋转式惯性压电作动器的作动方法，其特征在于：未通电时，输出轴3处于钳位状态；为使输出轴3逆时针旋转，第一步，对第一作动件5和第二作动件6中的压电堆7缓慢施加电压，压电堆7沿其轴向缓慢伸长，带动摩擦足4远离安装壁面运动，此时摩擦足4与圆盘2之间的静摩擦力对输出轴3产生的力矩能够克服输出轴3的惯性力矩，输出轴3上的圆盘2与摩擦足4保持相对静止，推动输出轴3逆时针旋转一个微小角度；第二步，对第一作动件5和第二作动件6中的压电堆7迅速降电，压电堆7沿其轴向迅速收缩，带动摩擦足4朝安装壁面运动，此时摩擦足4与圆盘2之间的静摩擦力对输出轴3产生的力矩无法克服输出轴3的惯性力矩，输出轴3上的圆盘2与摩擦足4出现相对滑动，在降电极短的时间内，输出轴3基本保持原位，由此输出轴3保留一个逆时针的旋转步距；重复第一、二步，能够使输出轴3连续地驱动负载逆时针旋转；类似地，为使输出轴3顺时针旋转，第一步，对第一作动件5和第二作动件6中的压电堆7迅速加电，压电堆7沿其轴向迅速伸长，带动摩擦足4远离安装壁面运动，此时摩擦足4与圆盘2之间的静摩擦力对输出轴3产生的力矩无法克服输出轴3的惯性力矩，输出轴3上的圆盘2与摩擦足4出现相对滑动，在加电极短的时间内，输出轴3基本保持原位；第二步，对第一作动件5和第二作动件6中的压电堆7缓慢降电，压电堆7沿其轴向缓慢收缩，带动摩擦足4朝安装壁面运动，此时摩擦足4与圆盘2之间的静摩擦力对输出轴3产生的力矩能够克服输出轴3的惯性力矩，输出轴3上的圆盘2与摩擦足4保持相对静止，拉动输出轴3顺时针旋转一个微小角度，由此输出轴3保留一个顺时针的旋转步距；重复第一、二步，能够使输出轴3连续地驱动负载顺时针旋转；当码盘9随输出轴3旋转，光电检测组件10和印制板11一起形成的处理电路进行光电转换和信号处理的功能，从而实时获得作动器的输出转角。