一种三足平面三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法与流程

本发明涉及一种三足平面三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法，更详细而言，涉及具有三组完全相同的柱状压电换能器及其连接机构的压电谐振自致动机构，并且通过采用其激励方法使得该压电谐振自致动机构可以实现其在平面上的三自由度致动功能，本发明属于压电驱动技术领域。

背景技术：

压电自致动机构利用压电材料的逆压电效应将电能转化为振动体的振动能，并通过驱动足与工作表面的接触摩擦力将振动能转化为自致动机构本体的运动能，实现自致动机构的直线或旋转运动。

压电自致动机构的显著的优点是：容易实现机构尺寸的微小型化、定位精度高、响应速度快(微秒级)、结构简单灵活、不需传动环节、不需润滑、可在真空中应用、不产生磁场其本身也不受磁场的影响等。因此，压电致动方式已经在机器人、精密机械和生物医学工程等领域的微小型移动机构中获得了广泛应用。

目前压电自致动机构多数采用非谐振式激励方式，利用压电材料的伸缩变形带动机构运动，通常采用单一的压电装置直接替代执行机构，使得机构结构大大简化。非谐振式激励方式的优点是具有纳米级高精度，但缺点是驱动力小、速度慢。

压电自致动机构还可以采用谐振式激励方式，此时机构工作在谐振频率，运动机构实质上是工作在谐振状态的压电换能器，其驱动足振幅最大。与非谐振式激励方式相比，谐振式压电激励方式可以显著提升机构驱动力等驱动性能。采用谐振式激励方式的压电自致动机构在微小型压电机器人领域具有良好的发展前景。

采用单一压电装置的压电谐振自致动机构通常只能实现但单自由度、甚至仅为单方向运动。为了实现运动机构平面多自由度运动以及便于控制，通常采用多个压电装置组合带动四足、六足等偶数驱动足的运动机构的方式实现致动功能。但是由于压电装置的振幅通常在纳米级至微米级尺度，而一般机械制造加工精度难以控制在纳米级范围，因此具有四个及以上驱动足的压电自致动机构通常存在部分驱动足与工作面接触不良或悬空不接触的问题，进而造成各驱动足的致动能力不协调、机构运动可控性差的问题。

此外，通过单个压电装置实现多自由度致动的方式逐渐成为压电换能器研究的重要趋势。常见的柱状压电换能器由多个压电陶瓷单元采用沉积、粘贴或夹心的方式与金属弹性体相结合而构成。将多个压电陶瓷单元分组，在每组压电陶瓷施加适当的高频电压，可使压电换能器产生特定的振动驻波；对多组压电陶瓷分别施加在时间上相位不同的高频电压，可分别产生多个驻波。通过复合叠加这些驻波，在压电换能器表面可以产生复合波，如复合驻波或行波。通过复合波在压电换能器表面的驱动足产生椭圆运动轨迹，并与工作面接触产生摩擦力可以实现单方向或单自由度驱动功能；多种复合波的使用可以产生多种椭圆运动轨迹，从而产生多方向的摩擦力可以实现多方向、多自由度的驱动功能。

平面三自由度的驱动可以分解为xoy平面内沿x、y轴方向的直线运动和绕z轴的旋转运动。为了实现平面三自由度的驱动，即沿平面两坐标轴的直线运动以及旋转运动，通常需要采用多个压电换能器构成一个运动机构，通过对多个换能器的组合激励，由多个换能器的驱动足共同实现对机器人本体在平面内的直线、旋转等任意一个自由度的驱动功能，

实现多自由度驱动、自致动系统的简化以及提升系统驱动性能均是微小型机器人发展的重要方向，也是技术难点。由于压电换能器的结构灵活、在多自由度驱动领域内具有发展前景，以及谐振式激励方式的优点，因此，采用多个具有多自由度驱动功能谐振式压电换能器组合构造微小型机器人的新型运动机构成为一种必然，是满足机构的多自由度驱动功能、电机系统简化、运动性能提升等目标的有效方法。

技术实现要素：

本发明是为了实现压电自致动机构平面三自由度致动功能，同时避免非谐振式压电自致动机构结构复杂、机构可控制性差、输出力较小、成本高、实现小型化困难以及四足及以上多足压电自致动机构部分驱动足与工作面接触不良的问题，而提出一种三足平面三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法。

本发明提出的三足平面三自由度压电谐振自致动机构，它包括三组柱状压电换能器及其连接装置。

所述三组柱状压电换能器的结构完全相同，均为轴对称结构，每组压电换能器由一个柱状金属弹性体以及四片用于实现纵振或弯振的压电陶瓷片构成。柱状金属弹性体为金属材质的两端为圆柱梁、中间为四棱柱体的变截面柱状体结构。四片陶瓷片环绕柱状弹性体中部均匀分布，并粘接在弹性体四棱柱部分的外表平面上，所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化。

三足平面三自由度压电谐振自致动机构的工作原理及激励方法：选取直角坐标系，三轴分别为x、y、z，o为坐标系原点，xoy平面为水平工作面，当激励三个柱状压电换能器中的一个或几个的纵振时，各个柱状压电换能器的驱动足与工作平面接触点处所产生的摩擦力形成的合力即为自致动机构直线运动的总推力，通过调整各个换能器的电压激励信号从而调整各换能器推力的大小、时序，进而可以调整运动机构总推力的大小、方向以及运动机构的运动速度，实现运动机构沿平面x、y轴的直线运动；当激励三个柱状压电换能器的复合弯振从而使驱动足形成摇头运动时，各个柱状压电换能器的驱动足点处的摩擦力合力形成推动自致动机构旋转运动的转矩，通过调整各个换能器推力大小可以调整运动机构旋转的速度，实现运动机构绕z轴的旋转运动。通过上述方法，实现运动机构的三自由度运动。

附图说明

图1是本发明所述的三足平面三自由度压电谐振自致动机构的结构示意图；

图2是图1中自致动机构的结构分解及压电陶瓷极化方向示意图，“+”代表陶瓷极化的正方向，“-”代表陶瓷极化的负方向；

图3是图1自致动机构平移运动示意图，“fa2”、“fa3”和“fa4”代表驱动足处的轴向驱动力；

图4是图1自致动机构旋转运动示意图，“ft2”、“ft3”和“ft4”代表驱动足处的切向驱动力。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1-图4说明本具体实施方式，本实施方式所述的三足平面三自由度压电谐振自致动机构包括连接装置1及三组结构完全相同的柱状压电换能器2、3和4，三个柱状压电换能器上与xoy平面接触的三个点分别设定为三个驱动足。

连接装置1包括一个三头连接件1-1和三个完全相同的螺钉1-2。

三组柱状压电换能器的结构完全相同，以柱状压电换能器2为例进行说明，柱状压电换能器2由下述零部件构成：四片压电陶瓷片2-1a、2-1b、2-1c和2-1d及一个变截面柱状弹性体2-2，其中变截面柱状弹性体的结构为中间四棱柱体、两端圆柱体对称分布，四片压电陶瓷片环绕柱状弹性体的四棱柱体部分均匀分布，并粘接在弹性体四棱柱部分的外表平面上，所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化。

具体实施方案二、本实施方式与具体实施方式一所述的三足平面三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，为柱状换压电能器提供四相依次具有π/2的相位差的周期性的正弦电压信号va、vb、vc、vd，四相电压信号可分别为va＝vmsin(ωt)、vb＝vmsin(ωt+π/2)、vc＝vmsin(ωt+π)和vd＝vmsin(ωt+3π/2)，其中vm表示电压信号的幅值，电压信号的频率ω与所需激励的柱状压电换能器的一阶纵振或一阶弯振的固有频率趋近。

本实施方式中，设定工作平面：先设定笛卡尔直角坐标系，三轴分别为x、y、z，o为坐标系原点，选取xoy平面为水平工作面，压电谐振自致动机构放置在xoy工作平面上，通过三个驱动足与工作平面接触。

本实施方式中，压电谐振自致动机构在xoy工作平面上的平移运动的激励方法为：将电压信号va(或vb)施加于一组柱状压电换能器的所有压电陶瓷片上，电压信号的频率与柱状压电换能器的一阶纵振频率相同的或趋近，柱状金属弹性体接地，所述电压信号激励换能器产生沿柱状体轴线方向的周期性伸缩变形，实现一阶纵振激励，通过调节电压信号的幅值可以改变换能器的振动幅值以及输出力的大小；将电压信号vb(或va)施加于另外两组柱状压电换能器的所有压电陶瓷片上，电压信号的频率与各柱状压电换能器的一阶纵振频率相同的或趋近，各柱状金属弹性体均接地，所述电压信号激励该两组换能器产生一阶纵振激励；三个驱动足产生形成周期性往复直线运动轨迹以及轴向驱动力fa2、fa3和fa4，三驱动足与xoy工作平面摩擦接触，三个轴向驱动力在xoy平面的水平分力所形成的合力即为所述压电谐振自致动机构平移运动的合驱动力合驱动力的方向决定自致动机构的运动方向；由于两相电压信号相位差不同，三个驱动足产生轴向驱动力的时序不同，改变两电压信号的相位差可以改变各柱状压电换能器的振动时序，进而改变自致动机构的运动方向；通过调整电压信号的幅值可以改变柱状压电换能器的轴向驱动力大小，从而调整自致动机构的运动速度；

本实施方式中，压电谐振自致动机构在xoy工作平面上绕z轴的旋转运动的激励方法为：将电压信号va施加于压电陶瓷片2-1a、3-1a和4-1a上，将电压信号vb施加于压电陶瓷片2-1b、3-1b和4-1b上，将电压信号vc施加于压电陶瓷片2-1c、3-1c和4-1c上，将电压信号vd施加于压电陶瓷片2-1d、3-1d和4-1d上，电压信号的频率与柱状压电换能器的一阶弯振频率相同的或趋近，所有柱状金属弹性体接地，由于每个柱状压电换能器所包含的四片压电陶瓷片所施加的电压信号的相位差绕自身轴线依次递增或递减π/2，可以激励柱状压电换能器同时产生两个相互正交的一阶弯振，并形成复合一阶弯振，也称为摇头振动，此时三组换能器的端部产生绕柱状体回转轴线的同旋向的周期性回转摆动，三个驱动足与xoy工作平面接触摩擦产生切向驱动力ft2、ft3和ft4的合力矩为所述压电谐振自致动机构的驱动力矩，驱动力矩的方向决定自致动机构的旋转方向，通过调整四相电压信号间的相位差可以改变换能器的摇头振动旋向，从而改变切向驱动力方向以及驱动力矩旋向，进而改变自致动机构的旋转方向，通过调节电压信号的幅值可以改变换能器的振动幅值以及输出力的大小，进而改变自致动机构的旋转速度。

具体实施方案三、本实施方式与具体实施方式一所述的三足平面三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，每个压电陶瓷片均由压电体和一对电极涂层组成，组成这一对电极涂层的两个涂层分别位于压电体的双侧长方形表面上。

本实施方式所述的压电体由锆钛酸铅类压电陶瓷形成，但不限于锆钛酸铅类压电陶瓷，也可以是聚偏氟乙烯、氮化铝等其它压电材料形成的压电体。所述的电极涂层采用在压电陶瓷片表面设置的al、cu、ag、ag-pd合金等适当的金属材料涂层实现。

具体实施方案四、本实施方式与具体实施方式一所述的三足平面三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，本实施方式所述的连接装置1与柱状压电换能器2、3和4是分体式设计，但不限于分体式结构，也可以是一体式结构。

具体实施方案五、本实施方式与具体实施方式一所述的三足平面三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，本实施方式所述的柱状压电换能器2、3和4具有正方形截面形状，但不限于正方形截面形状，也可以采用圆形截面形状，对应的陶瓷片采用内径与金属弹性柱体外径一致的弯曲半圆管形薄片结构。

具体实施方案六、本实施方式与具体实施方式一所述的三足平面三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，本实施方式所述的柱状压电换能器为贴片式柱状压电换能器，但压电陶瓷的固定方式不限于贴片式结构，也可以是夹心式、沉积或其它有效连接方式。

具体实施方案八、本实施方式与具体实施方式一所述的三足平面三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，本实施方式所述的利用柱状压电换能器一阶纵振产生轴向驱动力，利用复合一阶弯振产生切向驱动力，但不限于该驱动方式，也可以利用柱状压电换能器其它阶纵振产生轴向驱动力，利用其它阶复合弯振或扭振产生切向驱动力。