基于鸟翼形仿生柔性机构的压电精密驱动装置的制作方法

本实用新型涉及精密驱动领域，特别涉及一种基于鸟翼形仿生柔性机构的压电精密驱动装置。可应用于显微操作、医学工程、精密仪器、常温及低温环境下的精密驱动等领域。

背景技术：

压电驱动技术作为一种新型的驱动方式，具有位移精度高、载荷输出大、结构紧凑、无电磁干扰、兼容真空低温环境等优点，适合应用于精密驱动装置中，尤其受到显微操作、医学工程、精密仪器、常温及低温环境下的精密驱动等领域的关注。目前压电驱动技术主要可分为共振式压电驱动技术以及非共振式压电驱动技术，其中非共振式压电驱动技术又主要分为尺蠖式压电驱动技术和粘滑式压电驱动技术。近年来，粘滑式压电驱动技术由于其结构简单、容易控制的优点而得到长足发展，其中存在一种利用寄生运动原理增强粘滑驱动性能的压电驱动装置，如中国专利(CN201720065487.0)采用压电叠堆与柔性铰链的组合，利用柔性铰链产生的寄生运动增加对摩擦块的摩擦力，使摩擦块沿着导轨方向运动。

然而现有的利用寄生运动原理增强粘滑驱动性能的压电驱动装置皆采用多个柔性机构、多个驱动足以实现直线双向运动，这不仅增加了驱动装置体积也引入制造、装配误差，一定程度上降低了驱动装置的精度。因此设计一种能采用单一柔性机构、单一驱动足实现直线双向运动的压电驱动装置对利用寄生运动增强粘滑驱动性能的压电驱动装置的发展具有重要的应用与研究意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于鸟翼形仿生柔性机构的压电精密驱动装置，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型采用了模仿鸟翼骨结构的仿生柔性机构，能够实现利用单一柔性机构、单一驱动足实现直线双向运动的功能。整个驱动装置基于粘滑驱动和寄生运动原理，能够实现稳定可靠的精密直线双向运动，且具有体积小、结构紧凑、易于加工、控制简单、定位精度高的优点。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

基于鸟翼形仿生柔性机构的压电精密驱动装置，包括底座1、柔性机构模块、直线导轨模块；所述底座1通过其上的四个锥形沉孔与外部设备连接，底座上设有凸起的定位面；所述柔性机构模块包括鸟翼形仿生柔性机构2、压电叠堆A3、支撑座4、压电叠堆B5；所述鸟翼形仿生柔性机构2通过底座1上的定位面定位并固定在底座1上，鸟翼形仿生柔性机构的柔性铰链A2-2支撑压电叠堆B5，并在压电叠堆B5工作时通过微小变形改善压电叠堆B5受到的剪切力避免损坏；所述压电叠堆A3与压电叠堆B5不同时工作，皆由锯齿波信号激励并输出变化位移，压电叠堆A3工作时推动驱动足2-1绕直圆型的柔性铰链C2-4转动并驱动直线导轨模块的滑块6向右产生步进式运动；压电叠堆B5工作时推动驱动足2-1绕直圆型的柔性铰链B2-3转动并驱动滑块6向左产生步进式运动；支撑座4通过底座1上的定位面定位并固定在底座1上以支撑压电叠堆A3，并在压电叠堆A3工作时通过微小变形改善压电叠堆A3受到的剪切力避免损坏。

所述的鸟翼形仿生柔性机构的驱动足2-1在压电叠堆A3受信号激励伸长的作用下绕直圆型的柔性铰链C2-4顺时针旋转以驱动直线导轨模块的滑块6向右运动，与此同时产生垂直于驱动方向的力压迫滑块6以增加驱动摩擦力，当压电叠堆A3恢复原长度时，驱动足2-1在柔性铰链C2-4储存的应变能的作用下产生回退运动并带动滑块6向左运动，与此同时减小对滑块6沿垂直于驱动方向的力进而减小驱动摩擦力以削弱带动滑块6的回退距离，在整个运动周期中滑块6产生的运动位移差即为其一个周期的步长。

所述的鸟翼形仿生柔性机构的驱动足2-1在压电叠堆B5受信号激励伸长的作用下绕直圆型的柔性铰链B2-3顺时针旋转以驱动滑块6向左运动，与此同时产生垂直于驱动方向的力压迫滑块6以增加驱动摩擦力，当压电叠堆B5恢复原长度时，驱动足2-1在柔性铰链B2-3储存的应变能的作用下产生回退运动并带动滑块6向右运动，与此同时减小对滑块6沿垂直于驱动方向的力进而减小驱动摩擦力以削弱带动滑块6的回退距离，在整个运动周期中滑块6产生的运动位移差即为其一个周期的步长。

所述的直线导轨模块包括导轨7、滑块6，所述导轨7通过底座1上的定位面定位并固定在底座1上，起到对滑块6的导向作用；所述滑块6与导轨7之间装有交叉滚子，实现滑块6沿导轨7的直线双向运动，并可通过螺纹来连接驱动目标。

本实用新型的有益效果在于：能够实现利用单一柔性机构、单一驱动足实现直线双向运动的功能，能够解决现有利用寄生运动增强粘滑驱动性能的压电驱动装置由于采用多个柔性机构、多个驱动足而增加驱动装置体积并引入制造、装配误差的问题，且体积小、结构紧凑、控制简单，可应用于医学工程、精密仪器、显微操作、常温及低温环境下的精密驱动等领域。本实用新型驱动装置具有运动行程大、定位精度高等优点，并具备较大的载荷能力。本实用新型对于我国真空低温环境下的精密驱动等领域的发展具有重要意义，其在显微操作、医学工程、精密仪器等领域必定有广阔的应用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的柔性机构模块示意图；

图3为本实用新型的底座示意图；

图4为本实用新型的锯齿波激励信号示意图；

图5为本实用新型的反向运动原理示意图；

图6为本实用新型的正向运动原理示意图。

图中：1、底座；2、鸟翼形仿生柔性机构；2-1、驱动足；2-2、柔性铰链A；2-3、柔性铰链B；2-4、柔性铰链C；3、压电叠堆A；4、支撑座；5、压电叠堆B；6、滑块；7、导轨。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图6所示，本实用新型的基于鸟翼形仿生柔性机构的粘滑式直线精密压电驱动装置，采用单个柔性机构、单个驱动足实现直线双向运动，降低了加工、装配误差对装置性能的影响，且体积小、结构紧凑、控制简单，可应用于显微操作、医学工程、精密仪器、常温及低温环境下的精密驱动等领域。

参见图1至图4所示，本实用新型的基于鸟翼形仿生柔性机构的压电精密驱动装置，包括底座1、柔性机构模块、直线导轨模块；所述底座1上有四个锥形沉孔用于将该压电驱动装置与其他设备连接，其上设计有凸起的定位面以方便其他组件的精密装配；

所述柔性机构模块用于驱动直线导轨模块，包括鸟翼形仿生柔性机构2、压电叠堆A3、支撑座4、压电叠堆B5；所述鸟翼形仿生柔性机构2通过底座1上的定位面定位并通过螺钉固定在底座1上，其驱动足2-1可在压电叠堆A3受信号激励伸长的作用下绕直圆型的柔性铰链C2-4顺时针旋转以驱动滑块6向右运动，与此同时产生垂直于驱动方向的力压迫滑块6以增加驱动摩擦力，强化载荷能力及运动稳定性，当压电叠堆A3去激励恢复原长度时，驱动足2-1会在柔性铰链C2-4储存的应变能的作用下产生回退运动并带动滑块6向左运动，与此同时减小对滑块6沿垂直于驱动方向的力进而减小驱动摩擦力以削弱带动滑块6的回退距离，在整个过程中滑块6产生的运动位移差即为其总输出位移。

所述驱动足2-1也可在压电叠堆B5受信号激励伸长的作用下绕直圆型的柔性铰链B2-3顺时针旋转以驱动滑块6向左运动，与此同时产生垂直于驱动方向的力压迫滑块6以增加驱动摩擦力，强化载荷能力及运动稳定性，当压电叠堆B5去激励恢复原长度时，驱动足2-1会在柔性铰链B2-3储存的应变能的作用下产生回退运动并带动滑块6向右运动，与此同时减小对滑块6沿垂直于驱动方向的力进而减小驱动摩擦力以削弱带动滑块6的回退距离，在整个过程中滑块6产生的运动位移差即为其总输出位移。

所述柔性铰链A2-2起到支撑压电叠堆B的作用，并在压电叠堆B工作时通过微小变形改善压电叠堆B受到的剪切力避免损坏；所述压电叠堆A3与压电叠堆B5不同时工作，两者皆可由锯齿波信号激励并输出变化位移，压电叠堆A3工作时会推动驱动足2-1绕直圆型的柔性铰链C2-4转动并驱动滑块6向右不断产生步进式运动；压电叠堆B5工作时会推动驱动足2-1绕直圆型的柔性铰链B2-3并驱动滑块6向左不断产生步进式运动；支撑座4通过底座1上的定位面定位并通过螺钉固定在底座1上，起到支撑压电叠堆A的作用，并在压电叠堆A工作时通过微小变形改善压电叠堆A受到的剪切力避免损坏，由于其不便于鸟翼形仿生柔性机构集成为一体，故单独制造安装。

所述直线导轨模块用于搭载或连接驱动目标并输出位移，包括导轨7、滑块6，所述导轨7通过底座1上的定位面定位并通过螺钉固定在底座1上，起到对滑块6的导向作用；所述滑块6与导轨7之间装有交叉滚子，实现沿导轨7的直线双向运动，并可通过螺纹来连接驱动目标。

参见图1至图6所示，本实用新型的具体工作过程如下：

基于鸟翼形仿生柔性机构的压电精密驱动装置沿导轨直线向右位移的实现：

对压电叠堆A3施加锯齿波激励信号，当锯齿波激励信号处于上升沿时，压电叠堆A3伸长推动鸟翼形仿生柔性机构，使驱动足2-1产生绕柔性铰链C2-4的顺时针旋转运动，推动直线导轨模块的滑块6沿导轨7的方向向右运动，同时产生垂直于驱动方向的力压迫滑块6增加驱动摩擦力以强化载荷能力及运动稳定性；当锯齿波激励信号处于下降沿时，压电叠堆A3迅速收缩，鸟翼形仿生柔性机构2及其驱动足2-1会在柔性铰链C2-4储存的应变能的作用下快速退回至初始位置，驱动足2-1的回复运动会带动滑块6向左运动，与此同时减小对滑块6沿垂直于驱动方向的力进而减小驱动摩擦力以削弱带动滑块6的回退距离，在整个运动周期中滑块6产生的运动位移差即为其一个周期的步长。

基于鸟翼形仿生柔性机构的压电精密驱动装置沿导轨直线向左位移的实现：对压电叠堆B5施加锯齿波激励信号，当锯齿波激励信号处于上升沿时，压电叠堆B5伸长推动鸟翼形仿生柔性机构，使驱动足2-1产生绕柔性铰链B2-3的逆时针旋转运动，推动直线导轨模块的滑块6沿导轨7的方向向左运动，同时产生垂直于驱动方向的力压迫滑块6增加驱动摩擦力以强化载荷能力及运动稳定性；当锯齿波激励信号处于下降沿时，压电叠堆B5迅速收缩，鸟翼形仿生柔性机构2及其驱动足2-1会在柔性铰链B2-3储存的应变能的作用下快速退回至初始位置，驱动足2-1的回复运动会带动滑块6向右运动，与此同时减小对滑块6沿垂直于驱动方向的力进而减小驱动摩擦力以削弱带动滑块6的回退距离，在整个运动周期中滑块6产生的运动位移差即为其一个周期的步长。

通过不断重复加载锯齿波激励信号，该压电驱动装置不断累积步长而实现步进式的位移输出。另外，通过位移闭环控制，也可以实现对位移的精确控制实现亚纳米级定位精度。

参见图1至图6所示，本实用新型的基于鸟翼形仿生柔性机构的压电精密驱动装置的驱动方法，通过对相应压电叠堆施加锯齿波激励信号来实现滑块的位移输出，并可以通过改变激励信号的幅值和频率调节滑块速度，具体包括以下步骤：

步骤（1）确定驱动方向，若驱动方向为正向（滑块6向右运动），则挑选压电叠堆A作为激励对象，若驱动方向为反向（滑块6向左运动），则挑选压电叠堆B作为激励对象；

步骤（2）对确定的压电叠堆施加锯齿波激励信号使滑块6向目标位置运动，滑块6的运动速度可通过改变激励信号幅值和频率进行调节；

步骤（3）当滑块6到达目标位置时，停止施加锯齿波激励信号，驱动装置完成本次驱动任务。

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。