本实用新型属于压电驱动领域，具体涉及一种具有复合脚支座的双向旋转驱动器。
背景技术：
驱动器的性能直接影响自动化设备的性能，由于压电驱动元件具有体积小、响应速度快、可控精度高、换能效率高和无电磁干扰等优越性能，在超精密仪器、微机器人、精密定位和生物医学等领域得到广泛的应用。压电驱动主要分为直线驱动和旋转驱动，压电直线驱动现已取得较多成就，而旋转驱动还有待进行深入研究。现有的旋转驱动主要有压电惯性驱动和仿生驱动两类，其中仿生驱动主要是仿尺蠖型蠕动式驱动，这种驱动方法需要多个压电钳位堆叠，成本较高，同时需要一级甚至多级位移放大机构和运动转换机机构，结构较为复杂；压电惯性驱动主要有电控式和摩擦式，电控式主要利用非对称激励信号实现驱动，因此控制系统复杂。压电摩擦式驱动具有驱动结构简单、驱动机理新颖和驱动信号简单易于控制等优点，对压电摩擦式驱动器进行深入的研究将有利于压电驱动器进一步的推广和应用。
技术实现要素：
为了解决目前压电驱动器结构较为复杂，多与工作面刚性接触，对工作环境要求高，易损耗构件不易更换的问题，提出了一种具有复合脚支座的双向驱动器，该双向驱动器由底座、中心转轴、第一连接板、第二连接板、第一周向压电驱动器和第二周向压电驱动器组成；其中所述底座为中心带圆形凹槽的圆柱体且位置固定，所述中心转轴包括定位段、驱动段和输出段，所述中心转轴的定位段与底座凹槽间隙配合连接形成转动副，所述中心转轴可绕其轴线转动，所述第一连接板和第二连接板为凹形薄板，所述第一周向压电驱动器和第二周向压电驱动器分别通过第一连接板和第二连接板旋转对称布置在中心转轴的驱动段两侧；所述第一周向压电驱动器包括：第一压电振子、第二压电振子、第一脚支座、第二脚支座和第三脚支座，所述第一压电振子和第二压电振子由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第一压电振子与第二压电振子连接，所述第一脚支座一端布置在第一压电振子下表面、另一端为自由端，所述第二脚支座一端连接在第一压电振子和第二压电振子之间的下表面、另一端为自由端，所述第三脚支座一端连接在第二压电振子一端下表面、另一端为自由端，所述第一脚支座、第二脚支座和第三脚支座自由端都为圆柱形构件，所述第一脚支座自由端由截面为半圆形的第一低摩擦系数材料和第一高摩擦系数材料复合而成，所述第二脚支座自由端由两相同低摩擦系数材料复合而成，所述第三脚支座自由端与第一脚支座大小、结构和材料相同，所述第一脚支座自由端的第一高摩擦系数材料布置在第二脚支座一侧，所述第三脚支座自由端的第三高摩擦系数材料布置在第二脚支座一侧；所述第二周向压电驱动器和第一周向压电驱动器结构完全相同且两周向压电驱动器关于中心转轴呈旋转对称。
工作时，底座位置固定，在周向压电驱动器中所述两压电振子上分别施加交流电压使其发生往复弯曲变形，带动其中相邻两脚支座相互靠近或相互远离。在脚支座移动过程中，脚支座受到与移动方向相反的摩擦力，摩擦力使脚支座和支撑腿发生一定的扭动，促使脚支座上不同摩擦系数的材料分别与工作面相接触，从而使脚支座产生不同的位移，实现周向压电驱动器的定向移动，各周向压电驱动器的运动状态和方向完全相同，最终周向压电驱动器通过连接板带动中心转轴的定向转动输出转矩。第一周向压电驱动器的逆时针驱动工作原理示意图如图4所示：所述第一周向压电驱动器第二脚支座和第三脚支座的左半侧部分分别为第二低摩擦系数材料和第三高摩擦系数材料，右半侧部分分别为第二低摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料，当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，如图4(a)所示；当第一压电振子通电产生凹变形时，带动第二脚支座和第三脚支座相互远离，致使第二脚支座上左侧的第二低摩擦系数材料和第三脚支座上右侧的第三低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电驱动器整体不发生移动，如图4(b)所示；当第一压电振子通电产生凸变形时，带动第二脚支座和第三脚支座相互靠近，致使第二脚支座右侧的第二低摩擦系数材料和第三脚支座左侧的第三高摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电驱动器向右侧移动，带动中心转轴逆时针转过角度θ1，如图4(c)所示；当第一压电振子再次回到平衡位置时完成一个工作循环，如图4(d)所示。在第一压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，第一周向压电驱动器向右侧移动，通过连接板带动中心转轴转过一个角度。第一周向压电驱动器的顺时针驱动工作原理示意图如图5所示：所述第一周向驱动器第一脚支座左半侧部分分别为第一低摩擦系数材料，右半侧部分为第一高摩擦系数材料，当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，如图5(a)所示；当第二压电振子通电产生凹变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离，致使第一脚支座上左侧的第一低摩擦系数材料和第二脚支座上右侧的第二低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电驱动器整体不发生移动，如图5(b)所示；当第二压电振子通电产生凸变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互靠近，致使第一脚支座右侧的第一高摩擦系数材料和第二脚支座左侧的第二低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电驱动器向左侧移动，带动中心转轴顺时针转过角度θ2，如图5(c)所示；当第二压电振子再次回到平衡位置时完成一个工作循环，如图5(d)所示。在第二压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，第一周向压电驱动器向左侧移动，通过连接板带动中心转轴顺时针转过一个角度。因此，当第一压电振子受到交变电压作用时，该驱动器实现逆时针旋转驱动；当第二压电振子受到交变电压作用时，该驱动器实现顺时针旋转驱动。
第二周向压电驱动器与第一周向压电驱动器的驱动原理完全相同，且两周向压电驱动器的运动方向相同，最终的输出驱动转矩为两周向压电驱动器驱动转矩的矢量叠加。
中心转轴的驱动段为正N(N大于等于4)面体，周向压电驱动器的个数可为K(K大于等于2)时，各周向压电驱动器关于中心转轴呈旋转对称布置且同时向顺时针方向或逆时针方向转动，中心转轴输出的驱动转矩为各周向压电驱动器的驱动转矩的叠加。
本实用新型实现了双向驱动，且具有结构简单、维护成本低、对工作面的要求较低和延长驱动器中压电陶瓷的使用寿命的优点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本实用新型一种具有复合脚支座的双向旋转驱动器由底座、中心转轴、第一连接板、第二连接板、第一周向压电驱动器和第二周向压电驱动器组成；其中所述底座为中心带圆形凹槽的圆柱体且位置固定，所述中心转轴包括定位段、驱动段和输出段，所述中心转轴的定位段与底座凹槽间隙配合连接形成转动副，所述中心转轴可绕其轴线转动，所述第一连接板和第二连接板为凹形薄板，所述第一周向压电驱动器和第二周向压电驱动器分别通过第一连接板和第二连接板旋转对称布置在中心转轴的驱动段两侧；所述第一周向压电驱动器包括：第一压电振子、第二压电振子、第一脚支座、第二脚支座和第三脚支座，所述第一压电振子和第二压电振子由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第一压电振子与第二压电振子连接，所述第一脚支座一端布置在第一压电振子下表面、另一端为自由端，所述第二脚支座一端连接在第一压电振子和第二压电振子之间的下表面、另一端为自由端，所述第三脚支座一端连接在第二压电振子一端下表面、另一端为自由端，所述第一脚支座、第二脚支座和第三脚支座自由端都为圆柱形构件，所述第一脚支座自由端由截面为半圆形的第一低摩擦系数材料和第一高摩擦系数材料复合而成，所述第二脚支座自由端由两相同低摩擦系数材料复合而成，所述第三脚支座自由端与第一脚支座大小、结构和材料相同，所述第一脚支座自由端的第一高摩擦系数材料布置在第二脚支座一侧，所述第三脚支座自由端的第三高摩擦系数材料布置在第二脚支座一侧；所述第二周向压电驱动器和第一周向压电驱动器结构完全相同且两周向压电驱动器关于中心转轴呈旋转对称。
工作时，底座位置固定，在周向压电驱动器中所述两压电振子上分别施加交流电压使其发生往复弯曲变形，带动其中相邻两脚支座相互靠近或相互远离。在脚支座移动过程中，脚支座受到与移动方向相反的摩擦力，摩擦力使脚支座和支撑腿发生一定的扭动，促使脚支座上不同摩擦系数的材料分别与工作面相接触，从而使脚支座产生不同的位移，实现周向压电驱动器的定向移动，各周向压电驱动器的运动状态和方向完全相同，最终周向压电驱动器通过连接板带动中心转轴的定向转动输出转矩。第一周向压电驱动器的逆时针驱动工作原理示意图如图4所示：所述第一周向压电驱动器第二脚支座和第三脚支座的左半侧部分分别为第二低摩擦系数材料和第三高摩擦系数材料，右半侧部分分别为第二低摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料，当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，如图4(a)所示；当第一压电振子通电产生凹变形时，带动第二脚支座和第三脚支座相互远离，致使第二脚支座上左侧的第二低摩擦系数材料和第三脚支座上右侧的第三低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电驱动器整体不发生移动，如图4(b)所示；当第一压电振子通电产生凸变形时，带动第二脚支座和第三脚支座相互靠近，致使第二脚支座右侧的第二低摩擦系数材料和第三脚支座左侧的第三高摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电驱动器向右侧移动，带动中心转轴逆时针转过角度θ1，如图4(c)所示；当第一压电振子再次回到平衡位置时完成一个工作循环，如图4(d)所示。在第一压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，第一周向压电驱动器向右侧移动，通过连接板带动中心转轴转过一个角度。第一周向压电驱动器的顺时针驱动工作原理示意图如图5所示：所述第一周向驱动器第一脚支座左半侧部分分别为第一低摩擦系数材料，右半侧部分为第一高摩擦系数材料，当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，如图5(a)所示；当第二压电振子通电产生凹变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离，致使第一脚支座上左侧的第一低摩擦系数材料和第二脚支座上右侧的第二低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电驱动器整体不发生移动，如图5(b)所示；当第二压电振子通电产生凸变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互靠近，致使第一脚支座右侧的第一高摩擦系数材料和第二脚支座左侧的第二低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电驱动器向左侧移动，带动中心转轴顺时针转过角度θ2，如图5(c)所示；当第二压电振子再次回到平衡位置时完成一个工作循环，如图5(d)所示。在第二压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，第一周向压电驱动器向左侧移动，通过连接板带动中心转轴顺时针转过一个角度。因此，当第一压电振子受到交变电压作用时，该驱动器实现逆时针旋转驱动；当第二压电振子受到交变电压作用时，该驱动器实现顺时针旋转驱动。
第二周向压电驱动器与第一周向压电驱动器的驱动原理完全相同，且两周向压电驱动器的运动方向相同，最终的输出驱动转矩为两周向压电驱动器驱动转矩的矢量叠加。
中心转轴的驱动段为正N(N大于等于4)面体，周向压电驱动器的个数可为K(K大于等于2)时，各周向压电驱动器关于中心转轴呈旋转对称布置且同时向顺时针方向或逆时针方向转动，中心转轴输出的驱动转矩为各周向压电驱动器的驱动转矩的叠加。
本实用新型实现了双向驱动，且具有结构简单、维护成本低、对工作面的要求较低和延长驱动器中压电陶瓷的使用寿命的优点。
附图说明
图1是本实用新型一种具有复合脚支座的双向旋转驱动器结构示意图。
图2是本实用新型一种具有复合脚支座的双向旋转驱动器中心转轴结构示意图。
图3是本实用新型一种具有复合脚支座的双向旋转驱动器第一周向压电驱动器结构示意图。
图4是本实用新型一种具有复合脚支座的双向旋转驱动器逆时针驱动过程示意图。
图5是本实用新型一种具有复合脚支座的双向旋转驱动器顺时针驱动过程示意图。
具体实施方式
参照图1、图2、图3、图4和图5，本实用新型一种具有复合脚支座的双向旋转驱动器是由底座1、中心转轴2、第一连接板3、第二连接板4、第一周向压电驱动器5和第二周向压电驱动器(6)组成，其中：
所述底座1为中心带圆形凹槽的圆柱体且位置固定，所述中心转轴2包括定位段21、驱动段22和输出段23，所述中心转轴2的定位段与底座1凹槽间隙配合连接形成转动副，所述中心转轴2可绕其轴线转动，所述第一连接板3 和第二连接板4为凹形薄板，所述第一周向压电驱动器5和第二周向压电驱动器6分别通过第一连接板3和第二连接板4旋转对称布置在中心转轴2的驱动段22两侧；所述第一周向压电驱动器5包括：第一压电振子51、第二压电振子 52、第一脚支座53、第二脚支座54和第三脚支座55，所述第一压电振子51和第二压电振子52由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第一压电振子51与第二压电振子52连接，所述第一脚支座53一端布置在第一压电振子51 下表面、另一端为自由端，所述第二脚支座54一端连接在第一压电振子51和第二压电振子52之间的下表面、另一端为自由端，所述第三脚支座55一端连接在第二压电振子52一端下表面、另一端为自由端，所述第一脚支座53、第二脚支座54和第三脚支座55自由端都为圆柱形构件，所述第一脚支座53自由端由截面为半圆形的第一低摩擦系数材料531和第一高摩擦系数材料532复合而成，所述第二脚支座54自由端由两相同低摩擦系数材料541复合而成，所述第三脚支座55自由端与第一脚支座53大小、结构和材料相同，所述第一脚支座 53自由端的第一高摩擦系数材料531布置在第二脚支座54一侧，所述第三脚支座55自由端的第三高摩擦系数材料551布置在第二脚支座54一侧；所述第二周向压电驱动器6和第一周向压电驱动器5结构完全相同且两周向压电驱动器关于中心转轴2呈旋转对称。
工作时，底座位置固定，在周向压电驱动器中所述两压电振子上分别施加交流电压使其发生往复弯曲变形，带动其中相邻两脚支座相互靠近或相互远离。在脚支座移动过程中，脚支座受到与移动方向相反的摩擦力，摩擦力使脚支座和支撑腿发生一定的扭动，促使脚支座上不同摩擦系数的材料分别与工作面相接触，从而使脚支座产生不同的位移，实现周向压电驱动器的定向移动，各周向压电驱动器的运动状态和方向完全相同，最终周向压电驱动器通过连接板带动中心转轴的定向转动输出转矩。第一周向压电驱动器的逆时针驱动工作原理示意图如图4所示：所述第一周向压电驱动器第二脚支座和第三脚支座的左半侧部分分别为第二低摩擦系数材料和第三高摩擦系数材料，右半侧部分分别为第二低摩擦系数材料和第三低摩擦系数材料，当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，如图4(a)所示；当第一压电振子通电产生凹变形时，带动第二脚支座和第三脚支座相互远离，致使第二脚支座上左侧的第二低摩擦系数材料和第三脚支座上右侧的第三低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电驱动器整体不发生移动，如图4(b)所示；当第一压电振子通电产生凸变形时，带动第二脚支座和第三脚支座相互靠近，致使第二脚支座右侧的第二低摩擦系数材料和第三脚支座左侧的第三高摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电驱动器向右侧移动，带动中心转轴逆时针转过角度θ1，如图4(c)所示；当第一压电振子再次回到平衡位置时完成一个工作循环，如图4(d)所示。在第一压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，第一周向压电驱动器向右侧移动，通过连接板带动中心转轴转过一个角度。第一周向压电驱动器的顺时针驱动工作原理示意图如图5所示：所述第一周向驱动器第一脚支座左半侧部分分别为第一低摩擦系数材料，右半侧部分为第一高摩擦系数材料，当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，如图5(a)所示；当第二压电振子通电产生凹变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离，致使第一脚支座上左侧的第一低摩擦系数材料和第二脚支座上右侧的第二低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电驱动器整体不发生移动，如图5(b)所示；当第二压电振子通电产生凸变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互靠近，致使第一脚支座右侧的第一高摩擦系数材料和第二脚支座左侧的第二低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电驱动器向左侧移动，带动中心转轴顺时针转过角度θ2，如图5(c)所示；当第二压电振子再次回到平衡位置时完成一个工作循环，如图5(d)所示。在第二压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，第一周向压电驱动器向左侧移动，通过连接板带动中心转轴顺时针转过一个角度。因此，当第一压电振子受到交变电压作用时，该驱动器实现逆时针旋转驱动；当第二压电振子受到交变电压作用时，该驱动器实现顺时针旋转驱动。
第二周向压电驱动器与第一周向压电驱动器的驱动原理完全相同，且两周向压电驱动器的运动方向相同，最终的输出驱动转矩为两周向压电驱动器驱动转矩的矢量叠加。
中心转轴的驱动段为正N(N大于等于4)面体，周向压电驱动器的个数可为K(K大于等于2)时，各周向压电驱动器关于中心转轴呈旋转对称布置且同时向顺时针方向或逆时针方向转动，中心转轴输出的驱动转矩为各周向压电驱动器的驱动转矩的叠加。
本实用新型实现了双向驱动，且具有结构简单、维护成本低、对工作面的要求较低和延长驱动器中压电陶瓷的使用寿命的优点。