[发明专利]一种并联式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法

说明书

本发明涉及一种并联式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法，属于压电驱动领域，可以用于精密驱动、医疗、微机械等领域。本发明是为了解决现有的三自由度压电自致动装置输出力较小、成本高、致动能力不足的问题。本发明的三自由度压电谐振自致动机构为换能器并联组合结构，所述该电谐振自致动机构包括四个结构完全相同的柱状压电换能器及其连接装置，自致动机构含四个驱动足用于组合致动。本发明所述该自致动机构的激励方法是根据平移或旋转运动的方式通过两相或四相电压激励信号分别激励四个柱状压电换能器各自有时序的纵振从而形成其组合纵振，带动驱动足运动，实现其在工作平面上的三自由度致动功能。

技术领域

本发明涉及一种并联式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法，更详细而言，涉及具有四个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。为了实现运动机构在工作平面上的三自由度运动，即沿工作平面两坐标轴的直线运动以及旋转运动，通常采用多个压电装置组合带动多个驱动足的方式构造自致动机构，通过对多个换能器的组合激励调整多个驱动足的合驱动力或驱动力矩实现运动机构在平面内的直线平移及旋转等多自由度自致动功能。

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自致动功能、电机系统简化、运动性能提升等目标的有效方法。

发明内容

本发明是为了实现压电自致动机构在工作平面上的三自由度致动功能，同时避免非谐振式压电自致动机构输出力较小、成本高、致动能力不足的问题，而提出一种并联式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法。

本发明提出的并联式三自由度压电谐振自致动机构，它包括四个柱状压电换能器及其连接装置，四个柱状压电换能器通过连接装置依次相连构成并联式结构。

所述四个柱状压电换能器的结构完全相同，任意相邻的两个柱状压电换能器通过连接梁和驱动梁连接，每个驱动梁上有一个驱动足。