[发明专利]一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器及其工作方法

说明书

本发明公开了一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器及其工作方法，复合型旋转压电作动器包含驱动圆环、连接杆、矩形梁、压电元件组、配重块和连接螺栓；矩形梁一端通过连接杆和驱动圆环的侧壁固连，另一端设有和连接螺栓相匹配的螺纹孔；配重块上设有沉头通孔；连接螺栓依次穿过配重块上的沉头通孔、压电元件组后和矩形梁上的螺纹孔螺纹相连，将压电元件组固定在矩形梁和配重块之间，形成夹心式直梁；驱动圆环的一个端面上周向均匀设有m个驱动齿。本发明利用压电材料的逆压电效应将电能转换为机械能，不需要复杂的传动和减速机构，结构简单紧凑，易于实现小型化，且能强磁场及真空环境下工作。

技术领域

本发明涉及压电驱动技术和二自由度关节模块技术领域，尤其涉及一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器及其工作方法。

背景技术

机械臂关节模块通常通过电机和液压驱动，来实现关节模块以及整个机械臂的运动。随着机械臂在科研领域应用范围的不断扩大，一些特殊的工作场合对关节模块的驱动技术提出了更高的要求，如不受强磁场干扰、真空环境作业、微型结构等。电磁电机在强磁场环境中无法正常工作，液压驱动无法在真空环境下有效工作，且这两种作动方式都存在机构冗余不利于小型化。夹心式压电换能器作为一种电能转换至机械能的器件，在作动器领域被广泛应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器，包含驱动圆环、连接杆、矩形梁、压电元件组、配重块和连接螺栓；

所述矩形梁为长方体，包含第一至第四侧面和两个端面，其中，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；

所述连接杆为柱体，其一个端面和所述矩形梁的一个端面固连；连接杆的另一个端面为弧面、和所述驱动圆环的侧面固连；

所述连接杆、矩形梁同轴且轴线经过所述驱动圆环的中心，所述驱动圆环的两个端面和矩形梁的第一侧面平行；

所述矩形梁远离连接杆的端面中心设有和所述连接螺栓相匹配的螺纹孔；

所述压电元件组包含第一至第四扭振压电元件、以及第一至第二弯振压电元件；所述第一至第四扭振压电元件、第一至第二弯振压电元件均呈矩形片状，中心设有供所述连接螺栓穿过的通孔；

所述配重块上设有沉头通孔；所述连接螺栓依次穿过配重块上的沉头通孔、第四扭振压电元件、第三扭振压电元件、第二弯振压电元件、第一弯振压电元件、第二扭转压电元件、第一扭转压电元件后和所述矩形梁上的螺纹孔螺纹相连，将压电元件组固定在矩形梁和配重块之间；所述矩形梁、压电元件组、配重块和连接螺栓形成夹心式直梁；

所述第一至第四扭振压电元件采用四分区压电元件，均沿其中心通孔圆周方向极化、且极化方向均相同；

所述第一至第二弯振压电元件采用二分区压电元件，沿厚度方向极化且两分区的极化方向相反；第一弯振压电元件、第二弯振压电元件的极化方向相反；

所述驱动圆环的一个端面上周向均匀设有m个驱动齿，m为大于等于3的自然数；

所述配重块上还设有用于固定夹心式多模态复合型旋转压电作动器的安装孔。

作为本发明一种夹心式多模态复合型旋转压电作动器进一步的优化方案，所述配重块为柱形，且配重块和矩形梁等长，振动模态中压电元件组位于夹心式直梁振动的节点位置。

本发明还公开了一种该夹心式多模态复合型旋转压电作动器的单模态作动方法，包括如下步骤：