基于壓電-平行四桿機(jī)構(gòu)的平面行走作動(dòng)器及行走方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及行走作動(dòng)器，具體涉及一種基于壓電-平行四桿機(jī)構(gòu)的平面行走作動(dòng)器及行走方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電材料晶體上施加交變電場(chǎng)能夠引起壓電材料微小的機(jī)械變形，基于壓電堆的作動(dòng)器具有輸出位移小，作用力大等特點(diǎn)，多用于微小結(jié)構(gòu)減振，作動(dòng)等用途。一般可通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)放大壓電材料輸出的微位移；同時(shí)，利用步進(jìn)式機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)作動(dòng)功能。因此，基于壓電堆的作動(dòng)器具有分辨率高、輸出力大、響應(yīng)迅速、功耗較小、等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)有抗電磁干擾、大行程，尺寸小、連續(xù)作動(dòng)、掉電鎖止等要求時(shí)，現(xiàn)有作動(dòng)器無(wú)法滿足上述所有條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓電-平行四桿機(jī)構(gòu)的平面行走作動(dòng)器及行走方法，可以雙向輸出作動(dòng)功能。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0005]基于壓電-平行四桿機(jī)構(gòu)的平面行走作動(dòng)器，包括壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)1，設(shè)置在壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)I兩端的連桿2，連桿2另一端通過(guò)銷釘3連接平行四桿機(jī)構(gòu)4，所述平行四桿機(jī)構(gòu)4的上桿和下桿對(duì)稱位置處設(shè)置有壓電柔性結(jié)構(gòu)5，所述壓電柔性結(jié)構(gòu)5包括柔性結(jié)構(gòu)11和設(shè)置在柔性結(jié)構(gòu)11長(zhǎng)軸間的第二壓電堆12，柔性結(jié)構(gòu)11的短軸兩端帶有微型齒槽，所述平行四桿機(jī)構(gòu)4的上端和下端通過(guò)壓電柔性結(jié)構(gòu)5短軸兩端的微型齒槽與導(dǎo)軌6的微型齒槽嚙合；所述壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)I包括第一菱形環(huán)7，放置于第一菱形環(huán)7長(zhǎng)軸間的第一壓電堆10 ;布置在第一菱形環(huán)7外并與第一菱形環(huán)7垂直的第二菱形環(huán)8，所述第二菱形環(huán)8的長(zhǎng)軸與第一菱形環(huán)7的短軸同軸，布置在第二菱形環(huán)8外并與第二菱形環(huán)8垂直的第三菱形環(huán)9，所述第三菱形環(huán)9的長(zhǎng)軸與第二菱形環(huán)8的短軸同軸；還包括與第一壓電堆10和第二壓電堆12連接的驅(qū)動(dòng)器13以及與驅(qū)動(dòng)器13連接的控制器14ο
[0006]所述壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)I 一級(jí)放大位移η倍，三級(jí)放大位移η3倍。
[0007]上述所述的基于壓電-平行四桿機(jī)構(gòu)的平面行走作動(dòng)器的行走方法，開(kāi)始時(shí)刻，控制器14輸出控制信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)器13驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)4下部的壓電柔性結(jié)構(gòu)5中的第二壓電堆12伸長(zhǎng)，則平行四桿機(jī)構(gòu)4下部桿嚙合固定解除，再驅(qū)動(dòng)第一壓電堆10伸長(zhǎng)，則壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)I第三菱形環(huán)9的長(zhǎng)軸位移縮短，作用于連桿3和銷釘2，推動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)4下部桿向右水平移動(dòng)一段距離；然后，控制器14控制驅(qū)動(dòng)器13對(duì)下部壓電柔性結(jié)構(gòu)5中的第二壓電堆12斷電，則下部桿通過(guò)壓電柔性結(jié)構(gòu)5嚙合固定于導(dǎo)軌6 ;接著，控制器14再次輸出控制信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)器13驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)4上部桿中間壓電柔性結(jié)構(gòu)5中的第二壓電堆12伸長(zhǎng)，則平行四桿機(jī)構(gòu)4上部桿解除約束，再對(duì)第一壓電堆10斷電，則壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)I第三菱形環(huán)9的長(zhǎng)軸位移伸長(zhǎng)，作用于連桿3和銷釘2，推動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)4上部桿向右移動(dòng)，從而向右行走；若需要向左行走，則上述平行四桿機(jī)構(gòu)4上下桿與導(dǎo)軌6的嚙合關(guān)系與向右行走時(shí)相反。
[0008]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0009]I)相比于步進(jìn)式作動(dòng)器，基于壓電-平行四桿機(jī)構(gòu)的平面行走作動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)輕巧、縮小了行走方向的結(jié)構(gòu)尺寸。
[0010]2)由于壓電材料輸出位移很小，且輸出分辨率高，通過(guò)壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)I能夠?qū)崿F(xiàn)位移平方倍的輸出。
[0011]3)由于該驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器的平行四桿機(jī)構(gòu)4在直線導(dǎo)軌6上雙向行走，該作動(dòng)器具有嚴(yán)格平面直線行走的特性。
[0012]4)由于壓電材料優(yōu)良的頻率響應(yīng)特性，在控制器13輸出停止或保持信號(hào)時(shí)，機(jī)構(gòu)迅速響應(yīng)，停止作動(dòng)，保持或鎖止在任意位置。
[0013]5)通過(guò)控制器13的控制程序，壓電堆12、10有序地伸縮，可實(shí)現(xiàn)該行走作動(dòng)器的雙向輸出和掉電固定鎖止。
[0014]總之，本發(fā)明能夠避免作動(dòng)器易受電磁環(huán)境影響、尺寸大、行程小、步進(jìn)式、帶電鎖止等缺點(diǎn)，具有抗電磁干擾、尺寸小、大量程、連續(xù)作動(dòng)、任意位置鎖止等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)、平行四桿機(jī)構(gòu)及導(dǎo)軌的連接示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)和壓電柔性結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及與驅(qū)動(dòng)器和控制器的連接示意圖。
[0017]圖3為本發(fā)明壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)的爆炸視圖。
[0018]圖4為本發(fā)明機(jī)械部分的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0020]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明基于壓電-平行四桿機(jī)構(gòu)的平面行走作動(dòng)器，包括壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)I，設(shè)置在壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)I兩端的連桿2，連桿2另一端通過(guò)銷釘3連接平行四桿機(jī)構(gòu)4，所述平行四桿機(jī)構(gòu)4的上桿和下桿對(duì)稱位置處設(shè)置有壓電柔性結(jié)構(gòu)5，所述壓電柔性結(jié)構(gòu)5包括柔性結(jié)構(gòu)11和設(shè)置在柔性結(jié)構(gòu)11長(zhǎng)軸間的第二壓電堆12，柔性結(jié)構(gòu)11的短軸兩端帶有微型齒槽，所述平行四桿機(jī)構(gòu)4的上端和下端通過(guò)壓電柔性結(jié)構(gòu)5短軸兩端的微型齒槽與導(dǎo)軌6的微型齒槽嚙合；所述壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)I包括第一菱形環(huán)7，放置于第一菱形環(huán)7長(zhǎng)軸間的第一壓電堆10 ;布置在第一菱形環(huán)7外并與第一菱形環(huán)7垂直的第二菱形環(huán)8，所述第二菱形環(huán)8的長(zhǎng)軸與第一菱形環(huán)7的短軸同軸，布置在第二菱形環(huán)8外并與第二菱形環(huán)8垂直的第三菱形環(huán)9，所述第三菱形環(huán)9的長(zhǎng)軸與第二菱形環(huán)8的短軸同軸；還包括與第一壓電堆10和第二壓電堆12連接的驅(qū)動(dòng)器13以及與驅(qū)動(dòng)器13連接的控制器14。
[0021]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在有尺寸嚴(yán)格要求時(shí)，第一壓電堆10和第二壓電堆12選擇變形量大的壓電材料，并通過(guò)力學(xué)分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減小尺寸。
[0022]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在結(jié)構(gòu)有重量限制時(shí)，壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)1、銷釘2、平行四桿機(jī)構(gòu)4、導(dǎo)軌6都采用剛度大的輕質(zhì)材料。
[0023]本發(fā)明基于壓電-平行四桿機(jī)構(gòu)的平面行走作動(dòng)器的行走方法，開(kāi)始時(shí)刻，控制器14輸出控制信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)器13驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)4下部的壓電柔性結(jié)構(gòu)5中的壓電堆12伸長(zhǎng)，則壓電柔性結(jié)構(gòu)5短軸方向縮短，平行四桿機(jī)構(gòu)4下部桿嚙合固定解除，再驅(qū)動(dòng)壓電堆10伸長(zhǎng)，則壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)I第三菱形環(huán)9的長(zhǎng)軸位移縮短，作用于連桿3和銷釘2，推動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)4下部桿向右水平移動(dòng)一段距離；然后，控制器14控制驅(qū)動(dòng)器13對(duì)下部壓電柔性結(jié)構(gòu)5中的壓電堆12斷電，則壓電柔性結(jié)構(gòu)5短軸方向伸長(zhǎng)，下部桿通過(guò)壓電柔性結(jié)構(gòu)5嚙合固定于導(dǎo)軌6 ;接著，控制器14再次輸出控制信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)器13驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)4上部桿中間壓電柔性結(jié)構(gòu)5中的壓電堆12伸長(zhǎng)，則平行四桿機(jī)構(gòu)4上部桿解除約束，再對(duì)壓電堆10斷電，則壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)I位移伸長(zhǎng)，作用于連桿3和銷釘2，推動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)4上部桿向右移動(dòng)，從而向右行走。若需要向左行走，則上述平行四桿機(jī)構(gòu)4上下桿與導(dǎo)軌6的嚙合關(guān)系與向右行走時(shí)相反。即先解除下部桿的嚙合固定，使下部桿向左移動(dòng)?？傊?，通過(guò)控制和驅(qū)動(dòng)壓電堆的伸縮可以使機(jī)構(gòu)完成行走作動(dòng)功能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于壓電-平行四桿機(jī)構(gòu)的平面行走作動(dòng)器，其特征在于:包括壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)(I)，設(shè)置在壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)(I)兩端的連桿(2)，連桿(2)另一端通過(guò)銷釘(3)連接平行四桿機(jī)構(gòu)(4)，所述平行四桿機(jī)構(gòu)(4)的上桿和下桿對(duì)稱位置處設(shè)置有壓電柔性結(jié)構(gòu)(5)，所述壓電柔性結(jié)構(gòu)(5)包括柔性結(jié)構(gòu)(11)和設(shè)置在柔性結(jié)構(gòu)(11)長(zhǎng)軸間的第二壓電堆(12)，柔性結(jié)構(gòu)(11)的短軸兩端帶有微型齒槽，所述平行四桿機(jī)構(gòu)(4)的上端和下端通過(guò)壓電柔性結(jié)構(gòu)(5)短軸兩端的微型齒槽與導(dǎo)軌(6)的微型齒槽嚙合；所述壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)⑴包括第一菱形環(huán)(7)，放置于第一菱形環(huán)(7)長(zhǎng)軸間的第一壓電堆(10);布置在第一菱形環(huán)(7)外并與第一菱形環(huán)(7)垂直的第二菱形環(huán)(8)，所述第二菱形環(huán)(8)的長(zhǎng)軸與第一菱形環(huán)(7)的短軸同軸，布置在第二菱形環(huán)(8)外并與第二菱形環(huán)(8)垂直的第三菱形環(huán)(9)，所述第三菱形環(huán)(9)的長(zhǎng)軸與第二菱形環(huán)(8)的短軸同軸；還包括與第一壓電堆(10)和第二壓電堆(12)連接的驅(qū)動(dòng)器(13)以及與驅(qū)動(dòng)器(13)連接的控制器(14)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓電-平行四桿機(jī)構(gòu)的平面行走作動(dòng)器，其特征在于:所述壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)(I) 一級(jí)放大位移η倍，三級(jí)放大位移η3倍。3.權(quán)利要求1所述的基于壓電-平行四桿機(jī)構(gòu)的平面行走作動(dòng)器的行走方法，其特征在于:開(kāi)始時(shí)刻，控制器(14)輸出控制信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)器(13)驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)(4)下部的壓電柔性結(jié)構(gòu)(5)中的第二壓電堆(12)伸長(zhǎng)，則平行四桿機(jī)構(gòu)⑷下部桿嚙合固定解除，再驅(qū)動(dòng)第一壓電堆(10)伸長(zhǎng)，則壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)(I)第三菱形環(huán)(9)的長(zhǎng)軸位移縮短，作用于連桿(3)和銷釘(2)，推動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)(4)下部桿向右水平移動(dòng)一段距離；然后，控制器(14)控制驅(qū)動(dòng)器(13)對(duì)下部壓電柔性結(jié)構(gòu)(5)中的第二壓電堆(12)斷電，則下部桿通過(guò)壓電柔性結(jié)構(gòu)(5)嚙合固定于導(dǎo)軌(6);接著，控制器(14)再次輸出控制信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)器(13)驅(qū)動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)⑷上部桿中間壓電柔性結(jié)構(gòu)(5)中的第二壓電堆(12)伸長(zhǎng)，則平行四桿機(jī)構(gòu)(4)上部桿解除約束，再對(duì)第一壓電堆(10)斷電，則壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)(I)第三菱形環(huán)(9)的長(zhǎng)軸位移伸長(zhǎng)，作用于連桿(3)和銷釘(2)，推動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)(4)上部桿向右移動(dòng)，從而向右行走；若需要向左行走，則上述平行四桿機(jī)構(gòu)(4)上下桿與導(dǎo)軌(6)的嚙合關(guān)系與向右行走時(shí)相反。
【專利摘要】基于壓電-平行四桿機(jī)構(gòu)的平面行走作動(dòng)器及行走方法，該作動(dòng)器由一個(gè)壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)、連桿、銷釘、平行四桿機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)器、控制器組成；其實(shí)現(xiàn)行走的方法如下：壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)由壓電堆和三個(gè)菱形環(huán)組成，將壓電堆輸出的微位移放大后輸出；連桿連接壓電三級(jí)位移放大機(jī)構(gòu)和平行四桿機(jī)構(gòu)；銷釘為轉(zhuǎn)動(dòng)軸；平行四桿機(jī)構(gòu)由四根桿和兩個(gè)壓電柔性結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)壓電柔性結(jié)構(gòu)的微型齒槽與導(dǎo)軌微型齒槽嚙合固定；開(kāi)始行走時(shí)，上部桿固定于導(dǎo)軌，通電，壓電堆伸長(zhǎng)，下部桿向右移動(dòng)；然后固定下部桿，上部桿浮動(dòng)，斷電，已伸長(zhǎng)的壓電堆收縮，上部桿向右移動(dòng)；隨著壓電堆有序地伸縮，實(shí)現(xiàn)逐步向右移動(dòng)或向左移動(dòng)。
【IPC分類】H02N2/02, H02N2/04
【公開(kāi)號(hào)】CN104901582
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510256753
【發(fā)明人】馬國(guó)亮, 徐明龍, 邵恕寶, 馮勃, 敬子建, 朱建陽(yáng)
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月9日
【申請(qǐng)日】2015年5月19日