基于压电和挠曲电材料的止推抗扭传感作动器的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种传感作动器，尤其是涉及一种基于压电和挠曲电材料的止推抗扭传感作动器。

背景技术：
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在压电材料晶体上施加交变电场能够引起晶体的机械变形，基于压电堆制作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。压电粗纤维复合材料-mfc(macrofibercomposite)是一种新型的压电陶瓷材料，相比于传统的压电陶瓷，mfc更柔软、耐用、可靠和易于表面粘贴，且质量轻、厚度薄，对结构的质量和刚度几乎没有影响，用于柔性结构的传感测量具有很高的灵敏度和温度适应范围。挠曲电效应是一种广泛存在于所有电介质材料中、由应变梯度引发的电极化现象。由于该效应是应变梯度相关、具有明显的小尺寸效应等独特优势。因此，基于这些智能材料制作的器件在机械、电力、宇航等领域有广泛的应用前景。

目前，在智能驱动与传感领域，传统的作动器能够实现直线作动，位移测量通过外部测量设备，如激光位移计等，占地空间大，测量系统复杂；且当被作动物体有反作用力或扭转运动时，容易对现有作动器造成损坏，反作用力也不易测量。因此，在作动器领域，设计一种既能实时测量输出位移，又能测量反作用力大小，且具有止推、抗扭功能、灵敏度高、可靠性高的作动器十分必要。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种基于压电和挠曲电材料的止推抗扭传感作动器，其克服了现有技术中作动器功能单一、测量复杂、容易损坏的问题，实现功能多样、止推抗扭、传感灵敏、测量简单、可靠性高的功能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于压电和挠曲电材料的止推抗扭传感作动器，其特征在于：包括作动体，作动体内设置有菱形环框架，菱形环框架长轴之间安装有与驱动器连接的压电堆，菱形环框架短轴外表面粘贴有压电纤维，菱形环框架的头部安装有推杆和与推杆连接的球铰，推杆锥形面上粘贴有挠曲电传感层，挠曲电传感层与压电纤维分别连接测量设备。

菱形环框架上设置有长轴柔性铰链，短轴柔性铰链和输出柔性铰链，菱形环框架短轴外一侧呈弧形，菱形环框架尾部由预紧螺钉紧固。

长轴柔性铰链和输出柔性铰链与支撑结构之间的夹角关系为:70°≤β≤85°，其中，α-长轴柔性铰链1-2的角度，β-输出柔性铰链1-4的角度，l-长轴长度，d-短轴长度。

推杆与球铰之间通过螺纹连接，球铰上设置有润滑孔，润滑孔内灌入固体润滑剂。

菱形环框架头部一侧为铰链盖，菱形环框架与铰链盖通过固定螺钉固定连接，推杆和球铰设置在菱形环框架头部和铰链盖的凹槽内，凹槽的形状与推杆和球铰的外轮廓一致。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1)本发明相比于现有压电类作动器，止推抗扭传感作动器能够实现对被作动物体的止推、抗扭功能。

2)本发明相比于现有压电类作动器，止推抗扭传感作动器采用柔性传感器即压电纤维mfc能够实现对输出位移的实时传感，只需电荷放大器即可测量，灵敏度高，稳定可靠。

3)本发明相比于现有压电类作动器，止推抗扭传感作动器采用挠曲电传感层能够实现感知被作动物体的反作用力，挠曲电传感器无居里温度限制，只需电荷放大器即可测量，且分辨率高。

4)本发明止推抗扭传感作动器，作动体内长轴柔性铰链和输出柔性铰链的角度经过优化设计，可以实现最优输出力和位移。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明作动体示意图；

图3和图4为本发明实际测量的示意图。

图中，1-作动体，2-压电堆，3-铰链盖，4-压电纤维，5-预紧螺钉，6-固定螺钉，7-推杆，8-挠曲电传感层，9-球铰，10-润滑孔，11-测量设备，1-1-菱形环框架，1-2-长轴柔性铰链，1-3-短轴柔性铰链，1-4-输出柔性铰链，1-5-安装孔；α-长轴柔性铰链1-2的角度，β-输出柔性铰链1-4的角度，l-长轴长度，d-短轴长度。

具体实施方式：

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。

参见图1和图2，本发明包括作动体1，作动体1呈长方形，作动体1的四角处设置有安装孔1-5。作动体1由菱形环框架1-1，长轴柔性铰链1-2，短轴柔性铰链1-3，输出柔性铰链1-4和安装孔1-5组成。作动体1内设置有菱形环框架1-1，菱形环框架1-1长轴之间安装有与驱动器连接的压电堆2，菱形环框架1-1上设置有长轴柔性铰链1-2，短轴柔性铰链1-3和输出柔性铰链1-4，菱形环框架1-1短轴外一侧呈弧形，菱形环框架1-1短轴外表面粘贴有压电纤维4，压电纤维4正负电极连接测量设备11，压电纤维4为传感类型。菱形环框架1-1尾部由预紧螺钉5紧固。菱形环框架1-1头部一侧为铰链盖3，菱形环框架1-1与铰链盖3通过固定螺钉6固定连接，推杆7和球铰9设置在菱形环框架1-1头部和铰链盖3的凹槽内，凹槽的形状与推杆7和球铰9的外轮廓一致。推杆7与球铰9之间通过螺纹连接，球铰9上设置有润滑孔10，润滑孔10之间相通，润滑孔10内灌入固体润滑剂如石墨等，以减小被作动物体扭转时对作动器的损坏。推杆7锥形面上粘贴有挠曲电传感层8，挠曲电传感层8正负电极连接测量设备11。考虑挠曲电小尺寸效应和结构几何尺寸的影响，挠曲电传感层8的厚度小于等于1mm，具体厚度由计算给出。长轴柔性铰链1-2和输出柔性铰链1-4与支撑结构之间的夹角关系为70°≤β≤85°，具体通过有限元软件或理论分析计算确定。

参见图1、图3和图4，压电堆2在驱动电压的驱动下伸长，长轴柔性铰链1-2、短轴柔性铰链1-3、输出柔性铰链1-4同时变形，单向输出力和位移，通过推杆7作用于外部物体，短轴柔性铰链1-3变形后，上方的压电纤维4输出与应变对应的电荷信号，电荷信号与输出位移成比例，且可作为反馈信号与控制器-驱动器-压电堆2构成闭环控制系统；被作动物体反作用于作动器时，挠曲电传感层8输出与推杆7锥形面上应变梯度对应的电荷信号，测量电路正负极连接挠曲电传感层8的内外层电极，电荷信号与反作用力成比例，且推杆7锥形面止推；被作动物体有扭转运动时，推杆7和球铰9随动，但不影响作动力输出与测量信号。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种基于压电和挠曲电材料的止推抗扭传感作动器，其特征在于：包括作动体(1)，作动体(1)内设置有菱形环框架(1-1)，菱形环框架(1-1)长轴之间安装有与驱动器连接的压电堆(2)，菱形环框架(1-1)短轴外表面粘贴有压电纤维(4)，菱形环框架(1-1)的头部安装有推杆(7)和与推杆(7)连接的球铰(9)，推杆(7)锥形面上粘贴有挠曲电传感层(8)，挠曲电传感层(8)与压电纤维(4)分别连接测量设备(11)。

2.根据权利要求1所述的基于压电和挠曲电材料的止推抗扭传感作动器，其特征在于：菱形环框架(1-1)上设置有长轴柔性铰链(1-2)，短轴柔性铰链(1-3)和输出柔性铰链(1-4)，菱形环框架(1-1)短轴外一侧呈弧形，菱形环框架(1-1)尾部由预紧螺钉(5)紧固。

3.根据权利要求1或2所述的基于压电和挠曲电材料的止推抗扭传感作动器，其特征在于：长轴柔性铰链(1-2)和输出柔性铰链(1-4)与支撑结构之间的夹角关系为:d＜l；70°≤β≤85°，其中，α-长轴柔性铰链1-2的角度，β-输出柔性铰链1-4的角度，l-长轴长度，d-短轴长度。

4.根据权利要求3所述的基于压电和挠曲电材料的止推抗扭传感作动器，其特征在于：推杆(7)与球铰(9)之间通过螺纹连接，球铰(9)上设置有润滑孔(10)，润滑孔(10)内灌入固体润滑剂。

5.根据权利要求4所述的基于压电和挠曲电材料的止推抗扭传感作动器，其特征在于：菱形环框架(1-1)头部一侧为铰链盖(3)，菱形环框架(1-1)与铰链盖(3)通过固定螺钉(6)固定连接，推杆(7)和球铰(9)设置在菱形环框架(1-1)头部和铰链盖(3)的凹槽内，凹槽的形状与推杆(7)和球铰(9)的外轮廓一致。

技术总结
本发明涉及一种基于压电和挠曲电材料的止推抗扭传感作动器，其克服了现有技术中作动器功能单一、测量复杂、容易损坏的问题，具有功能多样、止推抗扭、传感灵敏、测量简单、可靠性高的特点。本发明包括作动体，作动体内设置有菱形环框架，菱形环框架长轴之间安装有与驱动器连接的压电堆，菱形环框架短轴外表面粘贴有压电纤维，菱形环框架的头部安装有推杆和与推杆连接的球铰，推杆锥形面上粘贴有挠曲电传感层，挠曲电传感层与压电纤维分别连接测量设备。

技术研发人员：马国亮;徐明龙;张卓
受保护的技术使用者：西安工业大学
技术研发日：2019.12.23
技术公布日：2020.04.14