基于压电-平行四杆机构的平面行走作动器及行走方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及行走作动器，具体涉及一种基于压电-平行四杆机构的平面行走作动器及行走方法。
【背景技术】
[0002]压电材料晶体上施加交变电场能够引起压电材料微小的机械变形，基于压电堆的作动器具有输出位移小，作用力大等特点，多用于微小结构减振，作动等用途。一般可通过合理的结构设计放大压电材料输出的微位移；同时，利用步进式机构可实现步进作动功能。因此，基于压电堆的作动器具有分辨率高、输出力大、响应迅速、功耗较小、等优点。当有抗电磁干扰、大行程，尺寸小、连续作动、掉电锁止等要求时，现有作动器无法满足上述所有条件。
【发明内容】
[0003]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基于压电-平行四杆机构的平面行走作动器及行走方法，可以双向输出作动功能。
[0004]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0005]基于压电-平行四杆机构的平面行走作动器，包括压电三级位移放大机构1，设置在压电三级位移放大机构I两端的连杆2，连杆2另一端通过销钉3连接平行四杆机构4，所述平行四杆机构4的上杆和下杆对称位置处设置有压电柔性结构5，所述压电柔性结构5包括柔性结构11和设置在柔性结构11长轴间的第二压电堆12，柔性结构11的短轴两端带有微型齿槽，所述平行四杆机构4的上端和下端通过压电柔性结构5短轴两端的微型齿槽与导轨6的微型齿槽啮合；所述压电三级位移放大机构I包括第一菱形环7，放置于第一菱形环7长轴间的第一压电堆10 ;布置在第一菱形环7外并与第一菱形环7垂直的第二菱形环8，所述第二菱形环8的长轴与第一菱形环7的短轴同轴，布置在第二菱形环8外并与第二菱形环8垂直的第三菱形环9，所述第三菱形环9的长轴与第二菱形环8的短轴同轴；还包括与第一压电堆10和第二压电堆12连接的驱动器13以及与驱动器13连接的控制器14ο
[0006]所述压电三级位移放大机构I 一级放大位移η倍，三级放大位移η3倍。
[0007]上述所述的基于压电-平行四杆机构的平面行走作动器的行走方法，开始时刻，控制器14输出控制信号，使驱动器13驱动平行四杆机构4下部的压电柔性结构5中的第二压电堆12伸长，则平行四杆机构4下部杆啮合固定解除，再驱动第一压电堆10伸长，则压电三级位移放大机构I第三菱形环9的长轴位移缩短，作用于连杆3和销钉2，推动平行四杆机构4下部杆向右水平移动一段距离；然后，控制器14控制驱动器13对下部压电柔性结构5中的第二压电堆12断电，则下部杆通过压电柔性结构5啮合固定于导轨6 ;接着，控制器14再次输出控制信号，使驱动器13驱动平行四杆机构4上部杆中间压电柔性结构5中的第二压电堆12伸长，则平行四杆机构4上部杆解除约束，再对第一压电堆10断电，则压电三级位移放大机构I第三菱形环9的长轴位移伸长，作用于连杆3和销钉2，推动平行四杆机构4上部杆向右移动，从而向右行走；若需要向左行走，则上述平行四杆机构4上下杆与导轨6的啮合关系与向右行走时相反。
[0008]本发明和现有技术相比，具有如下优点:
[0009]I)相比于步进式作动器，基于压电-平行四杆机构的平面行走作动器具有结构轻巧、缩小了行走方向的结构尺寸。
[0010]2)由于压电材料输出位移很小，且输出分辨率高，通过压电三级位移放大机构I能够实现位移平方倍的输出。
[0011]3)由于该驱动作动器的平行四杆机构4在直线导轨6上双向行走，该作动器具有严格平面直线行走的特性。
[0012]4)由于压电材料优良的频率响应特性，在控制器13输出停止或保持信号时，机构迅速响应，停止作动，保持或锁止在任意位置。
[0013]5)通过控制器13的控制程序，压电堆12、10有序地伸缩，可实现该行走作动器的双向输出和掉电固定锁止。
[0014]总之，本发明能够避免作动器易受电磁环境影响、尺寸大、行程小、步进式、带电锁止等缺点，具有抗电磁干扰、尺寸小、大量程、连续作动、任意位置锁止等优点。
【附图说明】
[0015]图1为本发明压电三级位移放大机构、平行四杆机构及导轨的连接示意图。
[0016]图2为本发明压电三级位移放大机构和压电柔性结构的结构及与驱动器和控制器的连接示意图。
[0017]图3为本发明压电三级位移放大机构的爆炸视图。
[0018]图4为本发明机械部分的三维结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
[0020]如图1、图2、图3和图4所示，本发明基于压电-平行四杆机构的平面行走作动器，包括压电三级位移放大机构I，设置在压电三级位移放大机构I两端的连杆2，连杆2另一端通过销钉3连接平行四杆机构4，所述平行四杆机构4的上杆和下杆对称位置处设置有压电柔性结构5，所述压电柔性结构5包括柔性结构11和设置在柔性结构11长轴间的第二压电堆12，柔性结构11的短轴两端带有微型齿槽，所述平行四杆机构4的上端和下端通过压电柔性结构5短轴两端的微型齿槽与导轨6的微型齿槽啮合；所述压电三级位移放大机构I包括第一菱形环7，放置于第一菱形环7长轴间的第一压电堆10 ;布置在第一菱形环7外并与第一菱形环7垂直的第二菱形环8，所述第二菱形环8的长轴与第一菱形环7的短轴同轴，布置在第二菱形环8外并与第二菱形环8垂直的第三菱形环9，所述第三菱形环9的长轴与第二菱形环8的短轴同轴；还包括与第一压电堆10和第二压电堆12连接的驱动器13以及与驱动器13连接的控制器14。
[0021]作为本发明的优选实施方式，在有尺寸严格要求时，第一压电堆10和第二压电堆12选择变形量大的压电材料，并通过力学分析优化结构，减小尺寸。
[0022]作为本发明的优选实施方式，在结构有重量限制时，压电三级位移放大机构1、销钉2、平行四杆机构4、导轨6都采用刚度大的轻质材料。
[0023]本发明基于压电-平行四杆机构的平面行走作动器的行走方法，开始时刻，控制器14输出控制信号，使驱动器13驱动平行四杆机构4下部的压电柔性结构5中的压电堆12伸长，则压电柔性结构5短轴方向缩短，平行四杆机构4下部杆啮合固定解除，再驱动压电堆10伸长，则压电三级位移放大机构I第三菱形环9的长轴位移缩短，作用于连杆3和销钉2，推动平行四杆机构4下部杆向右水平移动一段距离；然后，控制器14控制驱动器13对下部压电柔性结构5中的压电堆12断电，则压电柔性结构5短轴方向伸长，下部杆通过压电柔性结构5啮合固定于导轨6 ;接着，控制器14再次输出控制信号，使驱动器13驱动平行四杆机构4上部杆中间压电柔性结构5中的压电堆12伸长，则平行四杆机构4上部杆解除约束，再对压电堆10断电，则压电三级位移放大机构I位移伸长，作用于连杆3和销钉2，推动平行四杆机构4上部杆向右移动，从而向右行走。若需要向左行走，则上述平行四杆机构4上下杆与导轨6的啮合关系与向右行走时相反。即先解除下部杆的啮合固定，使下部杆向左移动。总之，通过控制和驱动压电堆的伸缩可以使机构完成行走作动功能。
【主权项】
1.基于压电-平行四杆机构的平面行走作动器，其特征在于:包括压电三级位移放大机构(I)，设置在压电三级位移放大机构(I)两端的连杆(2)，连杆(2)另一端通过销钉(3)连接平行四杆机构(4)，所述平行四杆机构(4)的上杆和下杆对称位置处设置有压电柔性结构(5)，所述压电柔性结构(5)包括柔性结构(11)和设置在柔性结构(11)长轴间的第二压电堆(12)，柔性结构(11)的短轴两端带有微型齿槽，所述平行四杆机构(4)的上端和下端通过压电柔性结构(5)短轴两端的微型齿槽与导轨(6)的微型齿槽啮合；所述压电三级位移放大机构⑴包括第一菱形环(7)，放置于第一菱形环(7)长轴间的第一压电堆(10);布置在第一菱形环(7)外并与第一菱形环(7)垂直的第二菱形环(8)，所述第二菱形环(8)的长轴与第一菱形环(7)的短轴同轴，布置在第二菱形环(8)外并与第二菱形环(8)垂直的第三菱形环(9)，所述第三菱形环(9)的长轴与第二菱形环(8)的短轴同轴；还包括与第一压电堆(10)和第二压电堆(12)连接的驱动器(13)以及与驱动器(13)连接的控制器(14)。2.根据权利要求1所述的基于压电-平行四杆机构的平面行走作动器，其特征在于:所述压电三级位移放大机构(I) 一级放大位移η倍，三级放大位移η3倍。3.权利要求1所述的基于压电-平行四杆机构的平面行走作动器的行走方法，其特征在于:开始时刻，控制器(14)输出控制信号，使驱动器(13)驱动平行四杆机构(4)下部的压电柔性结构(5)中的第二压电堆(12)伸长，则平行四杆机构⑷下部杆啮合固定解除，再驱动第一压电堆(10)伸长，则压电三级位移放大机构(I)第三菱形环(9)的长轴位移缩短，作用于连杆(3)和销钉(2)，推动平行四杆机构(4)下部杆向右水平移动一段距离；然后，控制器(14)控制驱动器(13)对下部压电柔性结构(5)中的第二压电堆(12)断电，则下部杆通过压电柔性结构(5)啮合固定于导轨(6);接着，控制器(14)再次输出控制信号，使驱动器(13)驱动平行四杆机构⑷上部杆中间压电柔性结构(5)中的第二压电堆(12)伸长，则平行四杆机构(4)上部杆解除约束，再对第一压电堆(10)断电，则压电三级位移放大机构(I)第三菱形环(9)的长轴位移伸长，作用于连杆(3)和销钉(2)，推动平行四杆机构(4)上部杆向右移动，从而向右行走；若需要向左行走，则上述平行四杆机构(4)上下杆与导轨(6)的啮合关系与向右行走时相反。
【专利摘要】基于压电-平行四杆机构的平面行走作动器及行走方法，该作动器由一个压电三级位移放大机构、连杆、销钉、平行四杆机构、导轨、驱动器、控制器组成；其实现行走的方法如下：压电三级位移放大机构由压电堆和三个菱形环组成，将压电堆输出的微位移放大后输出；连杆连接压电三级位移放大机构和平行四杆机构；销钉为转动轴；平行四杆机构由四根杆和两个压电柔性结构组成，通过压电柔性结构的微型齿槽与导轨微型齿槽啮合固定；开始行走时，上部杆固定于导轨，通电，压电堆伸长，下部杆向右移动；然后固定下部杆，上部杆浮动，断电，已伸长的压电堆收缩，上部杆向右移动；随着压电堆有序地伸缩，实现逐步向右移动或向左移动。
【IPC分类】H02N2/02, H02N2/04
【公开号】CN104901582
【申请号】CN201510256753
【发明人】马国亮, 徐明龙, 邵恕宝, 冯勃, 敬子建, 朱建阳
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月19日