超精密五自由度压电运动平台及其激励方法与流程

本发明涉及压电驱动技术领域，是一种超精密五自由度压电运动平台及其激励方法。

背景技术：

近年来，在细胞科学、超精密光学以及超精密加工等领域的巨大需求下，超精密仪器设备得到了快速的发展，而超精密仪器设备中最为核心的元件就是超精密的驱动器，而这也是其最大的技术难点。相比于传统的电磁驱动方式，压电驱动作为一种新型的致动机理，具有分辨力高、响应速度快、结构设计灵活以及电磁兼容性好等诸多优点，因此在超精密定位和加工等领域得到了广泛的应用和研究。一般而言，压电驱动是利用压电材料的逆压电效应实现输入电能向输出机械能转换的一种驱动方式，要实现超精密的多自由度驱动，目前较为成熟的方式就是采用多级串联的压电叠堆驱动，但是这种方式成本高昂、快速响应能力较差、结构较为复杂、行程也收到较大限制，因此在对于驱动器的体积和行程具有较高要求的超精密定位领域中的应用受到了很大的限制，所以发明一种结构紧凑、成本较低的多自由度超精密压电驱动器有其实际的需求和现实的意义。

技术实现要素：

本发明为解决现有存在的问题，提供了一种超精密五自由度压电运动平台及其激励方法，本发明提供了以下技术方案：

一种超精密五自由度压电运动平台，所述运动平台包括动子1、多输出驱动单元2、横向导轨3、纵向导轨4、支撑平板5、单输出驱动单元6、侧向压板7以及基座8；所述多输出驱动单元2包括上侧驱动足2-1、上侧双向弯曲单元2-2、固定夹块2-3、下侧双向弯曲单元2-4以及下侧驱动足2-5；所述单输出驱动单元6包括压电陶瓷片6-1以及中间驱动足6-2；所述上侧驱动足2-1、上侧双向弯曲单元2-2、固定夹块2-3、下侧双向弯曲单元2-4以及下侧驱动足2-5沿多输出驱动单元2的轴向方向从上到下依次布置且保持固定连接，所述中间驱动足6-2布置在压电陶瓷片6-1之间且保持固定连接，侧向压板7与基座8之间保持固定连接，单输出驱动单元6与支撑平板5之间保持固定连接，固定夹块2-3与纵向导轨4滑动连接，横向导轨3与支撑平板5固定连接，横向导轨3与纵向导轨4分别沿水平方向和纵深方向交叉布置并滑动连接；所述动子1接触压紧在上侧驱动足2-1上表面，下侧驱动足2-5接触压紧在支撑平板5上表面，中间驱动足6-2接触压紧在侧向压板7的侧面；所述基座8保持固定，所述动子1输出超精密五自由度运动。

优选地，所述多输出驱动单元2中的上侧双向弯曲单元2-2包括水平方向弯曲组分和纵深方向弯曲组分，所述水平方向弯曲组分和纵深方向弯曲组分分别由压电陶瓷片固定连接于弹性基体侧面组成，在激励电压信号的作用下所述水平方向弯曲组分和纵深方向弯曲组分分别产生沿水平方向和纵深方向的弯曲变形，进而带动上侧驱动足2-1沿水平方向和纵深方向的摆动运动；所述多输出驱动单元2中的下侧双向弯曲单元2-4包括水平方向弯曲组分和纵深方向弯曲组分，所述水平方向弯曲组分和纵深方向弯曲组分分别由压电陶瓷片固定连接于弹性基体侧面组成，在激励电压信号的作用下所述水平方向弯曲组分和纵深方向弯曲组分分别产生沿水平方向和纵深方向的弯曲变形，进而带动下侧驱动足2-5沿水平方向和纵深方向的摆动运动；所述单输出驱动单元6由压电陶瓷片6-1固定连接于中间驱动足6-2的上下两侧组成，在激励电压信号的作用下所述单输出驱动单元6产生伸缩变形和弯曲变形，进而合成带动中间驱动足6-2末端质点的椭圆轨迹运动。

优选地，所述上侧驱动足2-1上表面设置有定位孔，所述动子1通过所述定位孔压紧在上侧驱动足2-1的上表面；所述下侧驱动足2-5通过横向导轨3和纵向导轨4压紧在支撑平板5的上表面，实现沿支撑平板5平面内水平方向和竖直方向的直线运动；所述中间驱动足6-2压紧在侧向压板7的侧面，实现沿侧向压板7竖直方向的直线运动。

优选地，增加所述单输出驱动单元6的数量，实现所述运动平台负载能力的倍增。

一种超精密五自由度压电运动平台的激励方法，包括以下步骤：

步骤一：动子1沿水平方向做双向直线运动；

步骤二：动子1沿纵深方向做双向直线运动；

步骤三：动子1绕水平方向做双向旋转运动；

步骤四：动子1绕纵深方向做双向旋转运动；

步骤五：动子1沿竖直方向做双向直线运动；

以上五个步骤的顺序根据需要进行调整。

优选地，所述步骤一具体为：

第一步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整动子1与上侧驱动足2-1之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整中间驱动足6-2与侧向压板7之间的压紧力；

第二步：对下侧双向弯曲单元2-4中的水平方向弯曲组分施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿水平正方向缓慢摆动至极限位置，在下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的静摩擦力的作用下，多输出驱动单元2以及动子1沿水平反方向产生直线位移输出；

第三步：对下侧双向弯曲单元2-4中的水平方向弯曲组分施加幅值快速下降的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿水平反方向快速摆动至初始位置，在多输出驱动单元2的惯性的作用下，下侧驱动足2-5与支撑平板5之间发生相对滑动而保持静止，进而动子1也保持静止；

第四步：重复第二步至第三步，实现动子1沿水平方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现该方向上的超精密运动；

第五步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整动子1与上侧驱动足2-1之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整中间驱动足6-2与侧向压板7之间的压紧力；

第六步：对下侧双向弯曲单元2-4中的水平方向弯曲组分施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿水平反方向缓慢摆动至极限位置，在下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的静摩擦力的作用下，多输出驱动单元2以及动子1沿水平正方向产生直线位移输出；

第七步：对下侧双向弯曲单元2-4中的水平方向弯曲组分施加幅值快速上升的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿水平正方向快速摆动至初始位置，在多输出驱动单元2的惯性的作用下，下侧驱动足2-5与支撑平板5之间发生相对滑动而保持静止，进而动子1也保持静止；

第八步：重复第六步至第七步，实现动子1沿水平方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现该方向上的超精密运动。

其中，所述激励电压信号幅值的施加速度中，缓慢所指的施加速度要小于快速所指的施加速度。

优选地，所述步骤二具体为：

第一步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整动子1与上侧驱动足2-1之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整中间驱动足6-2与侧向压板7之间的压紧力；

第二步：对下侧双向弯曲单元2-4中的纵深方向弯曲组分施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿纵深正方向缓慢摆动至极限位置，在下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的静摩擦力的作用下，多输出驱动单元2以及动子1沿纵深反方向产生直线位移输出；

第三步：对下侧双向弯曲单元2-4中的纵深方向弯曲组分施加幅值快速下降的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿纵深反方向快速摆动至初始位置，在多输出驱动单元2的惯性的作用下，下侧驱动足2-5与支撑平板5之间发生相对滑动而保持静止，进而动子1也保持静止；

第四步：重复第二步至第三步，实现动子1沿纵深方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现该方向上的超精密运动；

第五步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整动子1与上侧驱动足2-1之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整中间驱动足6-2与侧向压板7之间的压紧力；

第六步：对下侧双向弯曲单元2-4中的纵深方向弯曲组分施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿纵深反方向缓慢摆动至极限位置，在下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的静摩擦力的作用下，多输出驱动单元2以及动子1沿纵深反方向产生直线位移输出；

第七步：对下侧双向弯曲单元2-4中的纵深方向弯曲组分施加幅值快速上升的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿纵深正方向快速摆动至初始位置，在多输出驱动单元2的惯性的作用下，下侧驱动足2-5与支撑平板5之间发生相对滑动而保持静止，进而动子1也保持静止；

第八步：重复第六步至第七步，实现动子1沿纵深方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现该方向上的超精密运动。

其中，所述激励电压信号幅值的施加速度中，缓慢所指的施加速度要小于快速所指的施加速度。

优选地，所述步骤三具体为：

第一步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整动子1与上侧驱动足2-1之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整中间驱动足6-2与侧向压板7之间的压紧力；

第二步：对上侧双向弯曲单元2-2中的纵深方向弯曲组分施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿纵深正方向缓慢摆动至极限位置，在上侧驱动足2-1与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕水平反方向产生旋转位移输出；

第三步：对上侧双向弯曲单元2-2中的纵深方向弯曲组分施加幅值快速下降的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿纵深反方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1与上侧驱动足2-1之间发生相对滑动而保持静止；

第四步：重复第二步至第三步，实现动子1绕水平方向连续的反方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现该方向上的超精密运动；

第五步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整动子1与上侧驱动足2-1二者之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整中间驱动足6-2与侧向压板7之间的压紧力；

第六步：对上侧双向弯曲单元2-2中的纵深方向弯曲组分施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿纵深反方向缓慢摆动至极限位置，在上侧驱动足2-1与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕水平正方向产生旋转位移输出；

第七步：对上侧双向弯曲单元2-2中的纵深方向弯曲组分施加幅值快速上升的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿纵深正方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1与上侧驱动足2-1之间发生相对滑动而保持静止；

第八步：重复第六步至第七步，实现动子1绕水平方向连续的正方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现该方向上的超精密运动。

其中，所述激励电压信号幅值的施加速度中，缓慢所指的施加速度要小于快速所指的施加速度。

优选地，所述步骤四具体为：

第一步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整动子1与上侧驱动足2-1之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整中间驱动足6-2与侧向压板7之间的压紧力；

第二步：对上侧双向弯曲单元2-2中的水平方向弯曲组分施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿水平正方向缓慢摆动至极限位置，在上侧驱动足2-1与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕纵深反方向产生旋转位移输出；

第三步：对上侧双向弯曲单元2-2中的水平方向弯曲组分施加幅值快速下降的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿水平反方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1与上侧驱动足2-1之间发生相对滑动而保持静止；

第四步：重复第二步至第三步，实现动子1绕纵深方向连续的反方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现该方向上的超精密运动；

第五步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整动子1与上侧驱动足2-1之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整中间驱动足6-2与侧向压板7之间的压紧力；

第六步：对上侧双向弯曲单元2-2中的水平方向弯曲组分施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿水平反方向缓慢摆动至极限位置，在上侧驱动足2-1与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕纵深正方向产生旋转位移输出；

第七步：对上侧双向弯曲单元2-2中的水平方向弯曲组分施加幅值快速上升的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿水平正方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1与上侧驱动足2-1之间发生相对滑动而保持静止；

第八步：重复第六步至第七步，实现动子1绕纵深方向连续的正方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现该方向上的超精密运动。

其中，所述激励电压信号幅值的施加速度中，缓慢所指的施加速度要小于快速所指的施加速度。

优选地，所述步骤五具体为：

第一步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整动子1与上侧驱动足2-1之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整中间驱动足6-2与侧向压板7之间的压紧力；

第二步：对单输出驱动单元6中两侧的压电陶瓷片6-1同时施加频率相同相位不同的正弦波激励电压信号，使压电陶瓷片6-1的变形带动中间驱动足6-2末端质点形成顺时针的椭圆轨迹振动，在中间驱动足6-2与侧向压板7之间摩擦力的作用下，支撑平板5沿竖直正方向做直线运动，进而带动动子1沿竖直正方向做直线运动；

第三步：重复第二步，实现动子1沿竖直方向连续的正方向直线运动，改变激励电压信号的幅值和施加时间，实现该方向上的超精密运动；

第四步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整动子1与上侧驱动足2-1之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整中间驱动足6-2与侧向压板7之间的压紧力；

第五步：对单输出驱动单元6中两侧的压电陶瓷片6-1同时施加频率相同相位不同的正弦波激励电压信号，使压电陶瓷片6-1的变形带动中间驱动足6-2末端质点形成逆时针的椭圆轨迹振动，在中间驱动足6-2与侧向压板7之间摩擦力的作用下，支撑平板5沿竖直反方向做直线运动，进而带动动子1沿竖直反方向做直线运动；

第六步：重复第五步，实现动子1沿竖直方向连续的反方向直线运动，改变激励电压信号的幅值和施加时间，实现该方向上的超精密运动。

本发明具有以下有益效果：

本发明中的激励方法可以实现动子的大行程和高分辨力的五自由度超精密运动，从而完成相应的空间定位和调姿功能。相比于利用压电叠堆的多自由度超精密运动平台，本发明中的压电运动平台利用数量较少的压电陶瓷片就可以实现超精密多自由度运动，具有结构紧凑、成本较低和易于小型化的优点；本发明中的压电运动平台利用多种压电致动原理，可以同时实现大行程和高分辨力的超精密运动，同时在特定的方向上还具有较大的负载能力；利用本发明中的激励方法，激励信号简单易行，激励效果稳定可靠，可以满足细胞操作、超精密加工以及精密仪器设备等场合的应用需求。这些都大大丰富了多自由度超精密压电驱动器的构型种类，拓宽了压电驱动器的应用范围，对于有超精密运动需求的应用领域乃至超精密压电驱动技术本身都有着显著的现实意义。

附图说明

图1为一种超精密五自由度压电运动平台的三维结构示意图；

图2为超精密五自由度压电运动平台中多输出驱动单元的上侧双向弯曲单元产生弯曲变形的示意图；

图3为超精密五自由度压电运动平台中多输出驱动单元的下侧双向弯曲单元产生弯曲变形的示意图；

图4为超精密五自由度压电运动平台中单输出驱动单元产生纵向伸缩变形的示意图；

图5为超精密五自由度压电运动平台中单输出驱动单元产生横向弯曲变形的示意图；

图6为超精密五自由度压电运动平台在具体实施例二中实现超精密反方向直线或旋转运动时多输出驱动单元所需要施加的激励电压信号示意图；

图7为超精密五自由度压电运动平台在具体实施例二中实现超精密正方向直线或旋转运动时多输出驱动单元所需要施加的激励电压信号示意图

图8为超精密五自由度压电运动平台在具体实施例二中实现超精密正反向直线或旋转运动时上侧驱动足末端质点相对于动子展开平面以及下侧驱动足末端质点相对于支撑平板的运动轨迹示意图；

图9为超精密五自由度压电运动平台在具体实施例三中实现超精密正方向直线运动时单输出驱动单元所需要施加的激励电压信号示意图；

图10为超精密五自由度压电运动平台在具体实施例三中实现超精密反方向直线运动时单输出驱动单元所需要施加的激励电压信号示意图；

图11为超精密五自由度压电运动平台在具体实施例三中实现超精密正反向直线运动时中间驱动足末端质点相对于侧向压板的运动轨迹示意图。

图中，1-动子，2-多输出驱动单元，2-1-上侧驱动足，2-2-上侧双向弯曲单元，2-3-固定夹块，2-4-下侧双向弯曲单元，2-5-下侧驱动足，3-横向导轨，4-纵向导轨，5-支撑平板，6-单输出驱动单元，6-1-压电陶瓷片，6-2-中间驱动足，7-侧向压板，8-基座。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

下面结合说明书附图1、图2、图3、图4、图5对本实施例做进一步详细说明。本实施例提供了一种如图1所示的超精密五自由度压电运动平台。所述运动平台包括动子1、多输出驱动单元2、横向导轨3、纵向导轨4、支撑平板5、单输出驱动单元6、侧向压板7以及基座8；所述多输出驱动单元2包括上侧驱动足2-1、上侧双向弯曲单元2-2、固定夹块2-3、下侧双向弯曲单元2-4以及下侧驱动足2-5；所述单输出驱动单元6包括压电陶瓷片6-1以及中间驱动足6-2；所述上侧驱动足2-1、上侧双向弯曲单元2-2、固定夹块2-3、下侧双向弯曲单元2-4以及下侧驱动足2-5沿多输出驱动单元2的轴向方向从上到下依次布置且保持固定连接，所述中间驱动足6-2布置在压电陶瓷片6-1之间且保持固定连接，侧向压板7与基座8之间保持固定连接，单输出驱动单元6与支撑平板5之间保持固定连接，固定夹块2-3与纵向导轨4滑动连接，横向导轨3与支撑平板5固定连接，横向导轨3与纵向导轨4分别沿y轴方向和x轴方向交叉布置并滑动连接以引导固定夹块2-3沿这两个方向的直线运动；所述动子1接触压紧在上侧驱动足2-1上表面，下侧驱动足2-5接触压紧在支撑平板5上表面，中间驱动足6-2接触压紧在侧向压板7的侧面，它们分别利用各自之间的摩擦力驱动动子1、多输出驱动单元2以及支撑平板5的超精密运动；所述基座8保持固定以支撑其他所有组件，支撑平板5在侧向压板7的支撑以及单输出驱动单元6与侧向压板7之间摩擦力的作用下产生相对于侧向压板7沿z轴方向的直线运动，固定夹块2-3在横向导轨3与纵向导轨4的支撑以及下侧驱动足2-5与支撑平板5之间摩擦力的作用下产生相对于支撑平板5沿y轴方向和x轴方向的直线运动，动子1在上侧驱动足2-1的支撑以及上侧驱动足2-1与动子1之间摩擦力的作用下产生相对于固定夹块2-3绕y轴方向和x轴方向的旋转运动；所述动子1用于固定精密操作对象或末端执行机构，并输出相对于基座8的超精密五自由度运动，具体包括沿空间中三个正交轴方向即y轴方向、x轴方向和z轴方向的直线运动和绕y轴、x轴方向的旋转运动，以实现精密操作对象或末端执行机构的超精密定位与调姿运动。

在本实施例中，所述多输出驱动单元2和单输出驱动单元6作为能量转换元件，实现输入电能向输出机械能的转换；所述多输出驱动单元2中的上侧双向弯曲单元2-2由y轴方向弯曲组分和x轴方向弯曲组分组成，分别由压电陶瓷片固定连接于弹性基体上而构成，在对处于对侧的压电陶瓷片施加激励电压信号时，它们分别伸长或缩短而产生沿此方向的弯曲变形，进而带动上侧驱动足2-1沿此方向的往复摆动运动，其变形方式如图2所示，通过两个对侧方向变形和运动的合成可以实现上侧驱动足2-1沿与z轴方向垂直的任意方向的往复摆动运动；所述多输出驱动单元2中的下侧双向弯曲单元2-4由y轴方向弯曲组分和x轴方向弯曲组分组成，分别由压电陶瓷片固定连接于弹性基体上而构成，在对处于对侧的压电陶瓷片施加激励电压信号时，它们分别伸长或缩短而产生沿此方向的弯曲变形，进而带动下侧驱动足2-5沿此方向的往复摆动运动，其变形方式如图3所示，通过两个对侧方向变形和运动的合成可以实现下侧驱动足2-5沿与z轴方向垂直的任意方向的往复摆动运动；所述单输出驱动单元6中的压电陶瓷片6-1固定连接于中间驱动足6-2的两侧，在对两侧的压电陶瓷片6-1施加相同的激励电压信号时，二者同时伸长或缩短，进而激励单输出驱动单元6的纵向伸缩振动使驱动足6-2沿垂直于侧向压板7接触平面的方向振动，其变形方式如图4所示，在对两侧的压电陶瓷片6-1施加相反的激励电压信号时，二者分别伸长和缩短，进而激励单输出驱动单元6的横向弯曲振动使驱动足6-2沿平行于侧向压板7接触平面的方向振动，其变形方式如图5所示。

在本实施例中，所述上侧驱动足2-1上表面设置有定位孔，所述动子1在自身重力以及负载的作用下通过所述定位孔压紧在上侧驱动足2-1上表面，并在上侧驱动足2-1上自动定心，动子1不仅可以绕自身中心做旋转运动，还可以跟随固定夹块2-3做空间三自由度直线运动；所述下侧驱动足2-5在横向导轨3和纵向导轨4的支撑作用下压紧在支撑平板5上，并且它们之间的压紧力可以进行调整，下侧驱动足2-5不仅可以沿两个导轨方向做直线运动，还可以跟随支撑平板5沿z轴方向做升降运动；所述中间驱动足6-2在侧向压板7的支撑作用下与其接触压紧，并且它们之间的压紧力可以进行调整，中间驱动足6-2可以沿侧向压板7的方向做直线运动。

在本实施例中，所述单输出驱动单元6的数量可以增加，相似的驱动原理可以实现运动平台沿z轴方向做升降运动的负载能力倍增。

具体实施例二：

下面结合说明书附图1、图6、图7、图8对本实施例做进一步详细说明。本实施例提供了一种基于图1所示的超精密五自由度压电运动平台的激励方法，该激励方法可以实现动子1输出大行程的超精密四自由度运动，具体包括沿y轴方向和x轴方向的直线运动以及绕y轴方向和x轴方向的旋转运动，通过调整激励电压信号的幅值和施加时间可以实现纳米级分辨力。

实现动子1沿y轴方向做双向直线运动的激励方法包括以下步骤：

第一步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整二者之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整二者之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整二者之间的压紧力；

第二步：对下侧双向弯曲单元2-4中的y轴方向弯曲组分施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿y轴正方向缓慢摆动至极限位置，在下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的静摩擦力的作用下，多输出驱动单元2以及动子1沿y轴反方向产生直线位移输出；

第三步：对下侧双向弯曲单元2-4中的y轴方向弯曲组分施加幅值快速下降的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿y轴反方向快速摆动至初始位置，在多输出驱动单元2的惯性的作用下，下侧驱动足2-5与支撑平板5之间发生相对滑动而保持静止，进而动子1也保持静止；

第四步：重复第二步至第三步，可以实现动子1沿y轴方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对下侧双向弯曲单元2-4中的y轴方向弯曲组分施加的激励电压信号如图6中u所示；

第五步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整二者之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整二者之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整二者之间的压紧力；

第六步：对下侧双向弯曲单元2-4中的y轴方向弯曲组分施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿y轴反方向缓慢摆动至极限位置，在下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的静摩擦力的作用下，多输出驱动单元2以及动子1沿y轴正方向产生直线位移输出；

第七步：对下侧双向弯曲单元2-4中的y轴方向弯曲组分施加幅值快速上升的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿y轴正方向快速摆动至初始位置，在多输出驱动单元2的惯性的作用下，下侧驱动足2-5与支撑平板5之间发生相对滑动而保持静止，进而动子1也保持静止；

第八步：重复第六步至第七步，可以实现动子1沿y轴方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对下侧双向弯曲单元2-4中的y轴方向弯曲组分施加的激励电压信号如图7中u所示。

在本实施例中，所述激励电压信号幅值的施加速度中，缓慢所指的施加速度要小于快速所指的施加速度。

实现动子1沿x轴方向做双向直线运动的激励方法包括以下步骤：

第一步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整二者之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整二者之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整二者之间的压紧力；

第二步：对下侧双向弯曲单元2-4中的x轴方向弯曲组分施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿x轴正方向缓慢摆动至极限位置，在下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的静摩擦力的作用下，多输出驱动单元2以及动子1沿x轴反方向产生直线位移输出；

第三步：对下侧双向弯曲单元2-4中的x轴方向弯曲组分施加幅值快速下降的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿x轴反方向快速摆动至初始位置，在多输出驱动单元2的惯性的作用下，下侧驱动足2-5与支撑平板5之间发生相对滑动而保持静止，进而动子1也保持静止；

第四步：重复第二步至第三步，可以实现动子1沿x轴方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对下侧双向弯曲单元2-4中的x轴方向弯曲组分施加的激励电压信号如图6中u所示；

第五步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整二者之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整二者之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整二者之间的压紧力；

第六步：对下侧双向弯曲单元2-4中的x轴方向弯曲组分施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿x轴反方向缓慢摆动至极限位置，在下侧驱动足2-5与支撑平板5之间的静摩擦力的作用下，多输出驱动单元2以及动子1沿x轴正方向产生直线位移输出；

第七步：对下侧双向弯曲单元2-4中的x轴方向弯曲组分施加幅值快速上升的激励电压信号，其弯曲变形带动下侧驱动足2-5沿x轴正方向快速摆动至初始位置，在多输出驱动单元2的惯性的作用下，下侧驱动足2-5与支撑平板5之间发生相对滑动而保持静止，进而动子1也保持静止；

第八步：重复第六步至第七步，可以实现动子1沿x轴方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对下侧双向弯曲单元2-4中的x轴方向弯曲组分施加的激励电压信号如图7中u所示。

实现动子1绕y轴方向做双向旋转运动的激励方法包括以下步骤：

第一步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整二者之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整二者之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整二者之间的压紧力；

第二步：对上侧双向弯曲单元2-2中的x轴方向弯曲组分施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿x轴正方向缓慢摆动至极限位置，在上侧驱动足2-1与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕y轴反方向产生旋转位移输出；

第三步：对上侧双向弯曲单元2-2中的x轴方向弯曲组分施加幅值快速下降的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿x轴反方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1与上侧驱动足2-1之间发生相对滑动而保持静止；

第四步：重复第二步至第三步，可以实现动子1绕y轴方向连续的反方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对上侧双向弯曲单元2-2中的x轴方向弯曲组分施加的激励电压信号如图6中u所示；

第五步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整二者之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整二者之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整二者之间的压紧力；

第六步：对上侧双向弯曲单元2-2中的x轴方向弯曲组分施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿x轴反方向缓慢摆动至极限位置，在上侧驱动足2-1与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕y轴正方向产生旋转位移输出；

第七步：对上侧双向弯曲单元2-2中的x轴方向弯曲组分施加幅值快速上升的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿x轴正方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1与上侧驱动足2-1之间发生相对滑动而保持静止；

第八步：重复第六步至第七步，可以实现动子1绕y轴方向连续的正方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对上侧双向弯曲单元2-2中的x轴方向弯曲组分施加的激励电压信号如图7中u所示。

实现动子1绕x轴方向做双向旋转运动的激励方法包括以下步骤：

第一步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整二者之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整二者之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整二者之间的压紧力；

第二步：对上侧双向弯曲单元2-2中的y轴方向弯曲组分施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿y轴正方向缓慢摆动至极限位置，在上侧驱动足2-1与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕x轴反方向产生旋转位移输出；

第三步：对上侧双向弯曲单元2-2中的y轴方向弯曲组分施加幅值快速下降的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿y轴反方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1与上侧驱动足2-1之间发生相对滑动而保持静止；

第四步：重复第二步至第三步，可以实现动子1绕x轴方向连续的反方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对上侧双向弯曲单元2-2中的y轴方向弯曲组分施加的激励电压信号如图6中u所示；

第五步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整二者之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整二者之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整二者之间的压紧力；

第六步：对上侧双向弯曲单元2-2中的y轴方向弯曲组分施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿y轴反方向缓慢摆动至极限位置，在上侧驱动足2-1与动子1之间的静摩擦力的作用下，动子1绕x轴正方向产生旋转位移输出；

第七步：对上侧双向弯曲单元2-2中的y轴方向弯曲组分施加幅值快速上升的激励电压信号，其弯曲变形带动上侧驱动足2-1沿y轴正方向快速摆动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1与上侧驱动足2-1之间发生相对滑动而保持静止；

第八步：重复第六步至第七步，可以实现动子1绕x轴方向连续的正方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对上侧双向弯曲单元2-2中的y轴方向弯曲组分施加的激励电压信号如图7中u所示。

在本实施例中，所述运动平台实现超精密运动时，上侧驱动足2-1末端质点相对于动子1的展开平面以及下侧驱动足2-5相对于支撑平板5的运动轨迹如图8所示，并利用两个方向速度的不同实现动子1的超精密四自由度正反向运动。

具体实施例三：

下面结合说明书附图1、图9、图10、图11对本实施例做进一步详细说明。本实施例提供了一种基于图1所示的超精密五自由度压电运动平台的激励方法，该激励方法可以实现动子1输出大行程的超精密单自由度升降运动，即沿z轴方向的直线运动，通过调整激励电压信号的幅值和施加时间可以实现纳米级分辨力。

实现动子1沿z轴方向做双向直线运动的激励方法包括以下步骤：

第一步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整二者之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整二者之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整二者之间的压紧力；

第二步：对单输出驱动单元6中两侧的压电陶瓷片6-1同时施加频率相同但具有+90°相位差的正弦波激励电压信号，使压电陶瓷片6-1的变形激励单输出驱动单元6的纵向伸缩振动和横向弯曲振动，二者分别导致中间驱动足6-2末端质点沿垂直于侧向压板7接触平面方向的振动和沿平行于侧向压板7接触平面方向的振动，这两个方向的振动合成顺时针方向的椭圆轨迹运动，中间驱动足6-2与侧向压板7之间形成单方向的摩擦力，实现支撑平板5沿z轴正方向做直线运动，进而带动动子1沿z轴正方向做直线运动；

第三步：重复第二步，可以实现动子1沿z轴方向连续的正方向直线运动，改变激励电压信号的幅值和施加时间，可以实现该方向上的超精密运动，对单输出驱动单元6中两侧的压电陶瓷片6-1施加的激励电压信号分别如图9中u1和u2所示；

第四步：将动子1压紧在上侧驱动足2-1上，并调整二者之间的压紧力，将下侧驱动足2-5压紧在支撑平板5上，并调整二者之间的压紧力，将中间驱动足6-2压紧在侧向压板7侧面，并调整二者之间的压紧力；

第五步：对单输出驱动单元6中两侧的压电陶瓷片6-1同时施加频率相同但具有-90°相位差的正弦波激励电压信号，使压电陶瓷片6-1的变形激励单输出驱动单元6的纵向伸缩振动和横向弯曲振动，二者分别导致中间驱动足6-2末端质点沿垂直于侧向压板7接触平面方向的振动和沿平行于侧向压板7接触平面方向的振动，这两个方向的振动合成逆时针方向的椭圆轨迹运动，中间驱动足6-2与侧向压板7之间形成单方向的摩擦力，实现支撑平板5沿z轴反方向做直线运动，进而带动动子1沿z轴反方向做直线运动；

第六步：重复第五步，可以实现动子1沿z轴方向连续的反方向直线运动，改变激励电压信号的幅值和施加时间，可以实现该方向上的超精密运动，对单输出驱动单元6中两侧的压电陶瓷片6-1施加的激励电压信号分别如图10中u1和u2所示；

在本实施例中，所述运动平台实现超精密运动时，中间驱动足6-2末端质点相对于侧向压板7的运动轨迹如图11所示，并利用两个不同方向的椭圆轨迹运动实现动子1的超精密单自由度升降运动。

以上所述仅是超精密五自由度压电运动平台及其激励方法的优选实施方式，超精密五自由度压电运动平台及其激励方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。