一种基于弯曲复合型压电驱动器的两自由度运动平台

本发明涉及一种基于弯曲复合型压电驱动器的两自由度运动平台，属于压电驱动技术领域。

背景技术：

压电运动平台被视为一种有效实用的超精密定位与操纵装置，它们具有结构简单、体积小、功率密度大、精度高、响应快等优点，基于这些特点，多自由度压电运动平台在生物医疗，微纳制造，航空航天以及机器人等领域得到了越来越多的研究和应用。

现有多自由度压电运动平台大部分采用多个压电叠堆串并联的方式实现多自由度驱动，但是利用多个压电叠堆串并联的压电运动平台，结构复杂，对加工装配要求极高，导致平台的体积较大，成本高；此外，压电叠堆存在着静态电容大、迟滞大、不能承受负电压和侧向外力的缺点，使用环境要求高，这些都大大的影响了基于压电叠堆构建的压电运动平台的生产与应用。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的基于压电叠堆的多自由度压电运动平台正反方向输出位移不对称、电容大、迟滞大、不能承受负电压及侧向冲击的问题，进而提供了一种基于弯曲复合型压电驱动器的两自由度运动平台。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于弯曲复合型压电驱动器的两自由度运动平台，它包括平台基座、压电驱动器及输出组件，其中所述压电驱动器为弯曲复合型压电驱动器，所述平台基座水平布置，平台基座上竖直固装有平台外框，所述压电驱动器通过驱动器基座竖直固装在平台基座上且位于平台外框内部，所述输出组件包括运动平台主体、导向组件及连接架，所述运动平台主体为两自由度运动平台的执行末端，所述连接架固装在平台外框的顶端，所述运动平台主体固装在压电驱动器的输出端，所述导向组件设置在运动平台主体与连接架之间。

进一步地，所述导向组件包括两个对称布置的第一导向梁、两个对称布置的第二导向梁及四个限位梁，第一导向梁与第二导向梁结构相同，四个限位梁呈矩形布置且每个限位梁的两端均固装在连接架上，两个第一导向梁与两个第二导向梁呈“十”字形布置在四个限位梁之间且每个导向梁的一端均与运动平台主体的侧壁固接，另一端对应与四个限位梁固接。

进一步地，第一导向梁、第二导向梁及限位梁均呈矩形板状结构。

进一步地，每个第一导向梁均包括两个平行布置的矩形板。

进一步地，压电驱动器的输出端与运动平台主体之间连接设置有变幅杆。

进一步地，变幅杆上沿其周向开设有环槽。

一种基于弯曲复合型压电驱动器的两自由度运动平台，它包括输出平台及运动主体，其中所述运动主体包括平台基座、水平且对称布置的两个压电驱动器及对称布置的两个输出组件，所述压电驱动器为弯曲复合型压电驱动器，所述平台基座水平布置，两个压电驱动器通过驱动器基座固装在平台基座上，每个所述输出组件均包括运动平台主体、导向组件及连接架，其中所述导向组件对应设置在运动平台主体与连接架之间，两个连接架均固装在平台基座上，两个运动平台主体对应固装在两个压电驱动器的输出端；所述输出平台为两自由度运动平台的执行末端，所述输出平台扣设在运动主体上且与两个运动平台主体固接。

进一步地，所述导向组件包括两个对称布置的第一导向梁、两个对称布置的第二导向梁及四个限位梁，第一导向梁与第二导向梁结构相同，四个限位梁呈矩形布置且每个限位梁的两端均固装在连接架上，两个第一导向梁与两个第二导向梁呈“十”字形布置在四个限位梁之间且每个导向梁的一端均与运动平台主体的侧壁固接，另一端对应与四个限位梁固接。

进一步地，第一导向梁、第二导向梁及限位梁均呈矩形板状结构。

进一步地，压电驱动器的输出端与运动平台主体之间连接设置有变幅杆。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

通过本申请可以实现两自由度运动输出，结构简单，易于实现小型化；利用弯曲复合型压电驱动器代替以往的压电叠堆，大大地降低了多自由度压电运动平台的成本；此外，本申请可以承受负电压和侧向外力，环境适应性好，并且具有电容及迟滞小的优点，极大的拓展了多自由度压电驱动器的应用范围，有着显著的实用价值。

附图说明

图1为具体实施方式一的立体结构示意图；

图2中(a)为具体实施方式一中压电驱动器沿x轴正方向运动输出的结构示意图；(b)为具体实施方式一中两自由度运动平台沿x轴正方向的运动示意图；

图3中(a)为具体实施方式一中压电驱动器沿y轴正方向运动输出的结构示意图；(b)为具体实施方式一中两自由度运动平台沿y轴正方向的运动示意图；

图4为具体实施方式二的立体结构示意图；

图5为中(a)为具体实施方式二中压电驱动器沿x轴正方向运动输出的结构示意图；(b)为具体实施方式二中两自由度运动平台沿z轴正方向的运动示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～3说明本实施方式，一种基于弯曲复合型压电驱动器的两自由度运动平台，它包括平台基座1、压电驱动器2及输出组件3，其中所述压电驱动器2为弯曲复合型压电驱动器，所述平台基座1水平布置，平台基座1上竖直固装有平台外框4，所述压电驱动器2通过驱动器基座5竖直固装在平台基座1上且位于平台外框4内部，所述输出组件3包括运动平台主体31、导向组件32及连接架33，所述运动平台主体31为两自由度运动平台的执行末端，所述连接架33固装在平台外框4的顶端，所述运动平台主体31固装在压电驱动器2的输出端，所述导向组件32设置在运动平台主体31与连接架33之间。

所述的压电驱动器2，用于驱动两自由度的运动平台主体31沿两正交方向(xy方向)的弯曲运动输出，结构对称，可以为叠堆式结构，也可为贴片式结构，也可为压电管等可以实现正交弯曲运动输出的压电结构。

弯曲复合型压电驱动器2可以承受正负电压，当施加正电压时实现正向运动输出，当施加负电压时实现反向运动输出，具备正反方向对称位移输出的能力。

所述的压电驱动器2可以承受各种侧向力，在承受侧向力后，弯曲复合型压电驱动器2的输出特性保持不变。

所述的驱动器基座5用于安装弯曲复合型压电驱动器2，与弯曲复合型压电驱动器2末端固定连接。驱动器基座5博导平台基座1可以为一体成形结构。

通过运动平台主体31输出x、y方向的两自由度运动。

导向组件32与运动平台主体31并联，沿两输出自由度的刚度小，沿其余自由度的刚度大，保证运动平台主体31只沿两输出自由度运动。

连接架33用于安装导向组件32，内部与导向组件32并联，底部与平台外框4顶端固定连接。

通过本申请可以实现x、y方向的两自由度运动输出，结构简单，易于实现小型化；

采用弯曲复合型压电驱动器2作为致动单元，获得了正反方向对称的位移输出、较小的迟滞以及良好的环境适用性，利用弯曲复合型压电驱动器2代替传统的多个压电叠堆结构，有效减化了结构，同时缩小了体积，大大地降低了多自由度压电运动平台的成本；

此外，本申请可以承受负电压和侧向外力，环境适应性好，并且具有电容及迟滞小的优点，极大的拓展了多自由度压电驱动器2的应用范围，有着显著的实用价值。在生物医疗，微纳制造，航空航天以及机器人等领域有着广泛的应用前景。

所述导向组件32包括两个对称布置的第一导向梁321、两个对称布置的第二导向梁322及四个限位梁323，第一导向梁321与第二导向梁322结构相同，四个限位梁323呈矩形布置且每个限位梁323的两端均固装在连接架33上，两个第一导向梁321与两个第二导向梁322呈“十”字形布置在四个限位梁323之间且每个导向梁的一端均与运动平台主体31的侧壁固接，另一端对应与四个限位梁323固接。当需要两自由度运动平台沿x轴自由度运动时，给弯曲复合型压电驱动器2施加对应激励信号，激励其沿x轴正向弯曲运动，导向组件32的第二导向梁322沿x轴正向弯曲运动，驱动运动平台主体31沿x轴正向运动。

当需要两自由度运动平台沿y轴自由度运动时，给弯曲复合型压电驱动器2施加对应激励信号，激励其沿y轴正向弯曲运动，导向组件32的第一导向梁321沿y轴正向弯曲运动，驱动运动平台主体31沿y轴正向运动。

通过本申请的导向组件32结构，根据其导向梁及限位梁323的自身结构，使其结构具有沿长度方向刚度大、沿厚度方向刚度小的特性，进而使其能够实现运动平台主体31的两自由度运动输出导向。

第一导向梁321、第二导向梁322及限位梁323均呈矩形板状结构。

每个第一导向梁321均包括两个平行布置的矩形板。该矩形板为薄板。

压电驱动器2的输出端与运动平台主体31之间连接设置有变幅杆6。所述的变幅杆6用于衰减弯曲复合型压电驱动器2的轴向输出位移。其沿两输出自由度的刚度小且沿其余自由度刚度大，可通过在变幅杆6上开槽或挖孔等改变结构刚度的方式实现。

变幅杆6上沿其周向开设有环槽。通过开设环槽，改变变幅杆6结构的刚度，减小压电驱动器2输出端的轴向刚度，减小轴向耦合，进而使得其沿两输出自由度的刚度小且沿其余自由度的刚度大。

具体实施方式二：结合图1～5说明本实施方式，一种基于弯曲复合型压电驱动器的两自由度运动平台，它包括输出平台7及运动主体，其中所述运动主体包括平台基座1、水平且对称布置的两个压电驱动器2及对称布置的两个输出组件3，所述压电驱动器2为弯曲复合型压电驱动器，所述平台基座1水平布置，两个压电驱动器2通过驱动器基座5固装在平台基座1上，每个所述输出组件3均包括运动平台主体31、导向组件32及连接架33，其中所述导向组件32对应设置在运动平台主体31与连接架33之间，两个连接架33均固装在平台基座1上，两个运动平台主体31对应固装在两个压电驱动器2的输出端；所述输出平台7为两自由度运动平台的执行末端，所述输出平台7扣设在运动主体上且与两个运动平台主体31固接。所述的压电驱动器2，用于驱动两自由度的运动平台主体31沿两正交方向(xz方向)的弯曲运动输出，结构对称，可以为叠堆式结构，也可为贴片式结构，也可为压电管等可以实现正交弯曲运动输出的压电结构。

弯曲复合型压电驱动器2可以承受正负电压，当施加正电压时实现正向运动输出，当施加负电压时实现反向运动输出，具备正反方向对称位移输出的能力。

所述的压电驱动器2可以承受各种侧向力，在承受侧向力后，弯曲复合型压电驱动器2的输出特性保持不变。

通过运动平台主体31带动输出平台7输出x、z方向的两自由度运动。

导向组件32与运动平台主体31并联，沿两输出自由度的刚度小，沿其余自由度的刚度大，保证运动平台主体31只沿两输出自由度运动。

连接架33用于安装导向组件32，内部与导向组件32并联，底部与平台外框4顶端固定连接。

驱动器基座5与平台基座1可以为一体成形结构。

通过本申请可以实现x、z方向的两自由度运动输出，结构简单，易于实现小型化；

采用弯曲复合型压电驱动器2作为致动单元，获得了正反方向对称的位移输出、较小的迟滞以及良好的环境适用性，利用弯曲复合型压电驱动器2代替传统的多个压电叠堆结构，有效减化了结构，同时缩小了体积，大大地降低了多自由度压电运动平台的成本；此

外，本申请可以承受负电压和侧向外力，环境适应性好，并且具有电容及迟滞小的优点，极大的拓展了多自由度压电驱动器2的应用范围，有着显著的实用价值。在生物医疗，微纳制造，航空航天以及机器人等领域有着广泛的应用前景。

所述导向组件32包括两个对称布置的第一导向梁321、两个对称布置的第二导向梁322及四个限位梁323，第一导向梁321与第二导向梁322结构相同，四个限位梁323呈矩形布置且每个限位梁323的两端均固装在连接架33上，两个第一导向梁321与两个第二导向梁322呈“十”字形布置在四个限位梁323之间且每个导向梁的一端均与运动平台主体31的侧壁固接，另一端对应与四个限位梁323固接。当需要两自由度运动平台沿x轴自由度运动时，给弯曲复合型压电驱动器2施加对应激励信号，激励其沿x轴正向弯曲运动，导向组件32的第二导向梁322沿x轴正向弯曲运动，驱动运动平台主体31沿x轴正向运动，进而带动输出平台7输出x方向的运动。

当需要两自由度运动平台沿z轴自由度运动时，给弯曲复合型压电驱动器2施加对应激励信号，激励其沿z轴正向弯曲运动，导向组件32的第一导向梁321沿z轴正向弯曲运动，驱动运动平台主体31沿z轴正向运动，进而带动输出平台7输出z方向的运动。

通过本申请的导向组件32结构，根据其导向梁及限位梁323的自身结构，使其结构具有沿长度方向刚度大、沿厚度方向刚度小的特性，进而使其能够实现运动平台主体31的两自由度运动输出导向。

第一导向梁321、第二导向梁322及限位梁323均呈矩形板状结构。

压电驱动器2的输出端与运动平台主体31之间连接设置有变幅杆6。所述的变幅杆6用于衰减弯曲复合型压电驱动器2的轴向输出位移。其沿两输出自由度的刚度小且沿其余自由度刚度大，可通过在变幅杆6上开槽或挖孔等改变结构刚度的方式实现。其他组成与连接关系与具体实施方式一相同。