[发明专利]一种基于行波驱动的仿生超声致动器及方法

说明书

本发明提供了一种基于行波驱动的仿生超声致动器及方法，包括：振动体，振动体至少两个侧面安装有振子，振动体下表面布置有齿形结构，通过对任意两个振子之间施加一定相位差的激励电压，实现振动体下的齿形结构进行设定轨迹运动；解决了横向行波驱动波速低、负载能力不足与噪声等问题，避免了尺蠖仿生运动中的惯性滑移问题，结构简单、连接与配置稳定、结构紧凑。

技术领域

本发明属于超声致动器技术领域，具体涉及一种基于行波驱动的仿生超声致动器及方法。

背景技术

压电/超声波致动器是一种基于逆压电效应，将电信号转换为某些特定表面的振动，并通过摩擦实现驱动或自驱运动的新型致动设备。区别于传统电磁驱动装置(如电机)，压电/超声波致动器具有结构紧凑、响应迅速、无电磁干扰及精度高的优点，在仓储物流、移动平台等具有空间限制与高性能要求的场合/设备中具有广泛应用。

基于此背景，研究者们设计研发了多种压电/超声波致动器。中国专利文献CN101160711提供了一种具备多模态振动输出能力的超声波致动器，包括致动器主体、驱动部、供电电极与支撑供电部等，该设计通过致动器两侧电极组成的支撑供电部对压电致动器主体进行弹性支撑，激发多阶弯曲振动与伸缩振动的同时，降低振动与应力集中对系统的负面影响，提高驱动效率与输出效果。相似的，中国专利文献CN 107615638提供一种对振子的振动特性影响较小的可调节超声波致动器，该超声致动器包括超声波振子、受电弓式预压机构及可通过超声波振子振动而旋转的壳体转子。通过在振动体抵接部布置压缩弹簧并使其与壳体转子内表面光滑连接，进一步利用粘合剂使振动体抵接部与弹簧固化，在预压机构作用下将超声波振子按压于壳体，超声波振子以其振动的波节来保持，实现超声波马达振动调节的同时，提高驱动效率与输出效果。此外，基于尺蠖运动仿生原理(摩擦接触实现粘滞阶段和滑移阶段交替运动)，中国专利文献CN 106664040提供了一种极化压电材料采用单层或多层扁平矩形板形式制成的通用超声致动器，在不同主面间对角分离区布置有分离开的两个三角形电极，并将两主面间电极相互偏移90°。由于此设计在粘滞阶段期间向后移动明显快于向前移动，待驱动元件只能在非常受限的程度上快速移动，从而减少了粘滑驱动/惯性驱动中待驱动元件的滑移距离，实现待驱动元件在与驱动方向相反的方向上滑移效应优化，提升驱动效率。

但是，压电/超声致动器技术仍然存在不足，主要问题在于：采用压电堆叠、尺蠖仿生、横向行波驱动等方法与原理设计的有限行程或移动式压电/超声波致动器时，不可避免的存在驱动力有限、驱动力/功率密度(驱动力/功率与自重比值)低、运动形式单一及惯性滑移等问题，致动器输出性能难以进一步提升，限制了其应用场景。

发明内容

本发明为了解决上述问题，根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种基于行波驱动的仿生超声致动器，包括：振动体，振动体至少两个侧面安装有振子，振动体下表面布置有齿形结构，通过对任意两个振子之间施加一定相位差的激励电压，实现振动体下的齿形结构进行设定轨迹运动。

进一步的，所述振子设有两个，分别为第一振子和第二振子，振动体一侧安装第一振子，另一侧安装第二振子。

进一步的，所述第一振子、振动体和第二振子的轴线一致。

进一步的，所述振动体为长方体，长方体横向放置，长方体的底面安装齿形结构，长方体左右侧面安装第一振子和第二振子。

进一步的，所述第一振子包括依次连接的端盖、压电陶瓷组和超声波振子，端盖通过第二连接螺栓安装至压电陶瓷组，压电陶瓷组安装在超声波振子的一侧面，超声波振子的另一侧通过第三连接螺栓安装至振动体的一侧面。

进一步的，所述第一振子和第二振子均为圆柱形。

进一步的，所述齿形结构为直齿、斜齿、人字齿、曲线齿或槽形锯齿结构。

进一步的，所述激励电压之间的相位差形成纵向行波。