[发明专利]基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器及作动方法

权利要求书

1.一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器，其特征在于：包括外壳(1)、置于外壳(1)内的挠曲电梳齿式作动单元(2)和预紧设置在挠曲电梳齿式作动单元(2)内的输出轴(3)，所述挠曲电梳齿式作动单元(2)由上至下依次包括梳齿式上钳位机构(2-1)、螺旋式旋转机构(2-2)和梳齿式下钳位机构(2-3)，还包括控制中枢(4)以及用于控制梳齿式上钳位机构(2-1)的上锁止控制器(7)、控制螺旋式旋转机构(2-2)的旋转控制器(6)、控制梳齿式下钳位机构(2-3)的下锁止控制器(5)；

所述梳齿式上钳位机构(2-1)、螺旋式旋转机构(2-2)、梳齿式下钳位机构(2-3)一体化加工而成，将钳位装置和驱动装置集成在同一结构，避免了机械间隙，通过布置不同的电极施加不同的电信号来达到角位移输出的目的，且单步作动位移极小，精度高；也能够根据不同的输出载荷要求和选择相应挠曲电系数和弹性模量比值大的挠曲电材料。

2.根据权利要求1所述的一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器，其特征在于：所述挠曲电梳齿式作动单元(2)采用挠曲电材料，梳齿式上钳位机构(2-1)和梳齿式下钳位机构(2-3)结构相同，都是由每一层开口对立且互相保留间隙的弧形梳齿结构嵌套在一起形成的环形梳齿阵列构成，由于是环形结构，内外涂有电极施加电压时能产生沿径向的电场梯度，从而实现逆挠曲电效应，环形结构能够向内收紧抱住输出轴(3)；由于是互相嵌套的弧形梳齿结构，每一个弧形梳齿结构输出锁止力时，对输出轴(3)都产生均匀的环向力，避免对输出轴有一个横向的干扰力。

3.权利要求1至2任一项所述的一种基于逆挠曲电原理的梳齿式角位移步进作动器的作动方法，其特征在于：顺时针作动时，第一步当控制中枢(4)下达顺时针旋转命令时，下锁止控制器(5)输出电压信号，使得梳齿式下钳位机构(2-3)每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴(3)，梳齿式上钳位机构(2-1)处于松开状态；第二步旋转控制器(6)输出相应电压信号，使得中间的螺旋式旋转机构(2-2)发生顺时针旋转，带动输出轴(3)顺时针旋转，第三步上锁止控制器(7)输出相应的电压信号，使得梳齿式上钳位机构(2-1)每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴(3)，下锁止控制器(5)输出相应电压信号，使得梳齿式下钳位机构(2-3)每一个弧形梳齿结构向外弯曲松开输出轴(3)，旋转控制器(6)输出相应电压信号恢复螺旋式旋转机构(2-2)初始状态，将已松开的梳齿式下钳位机构(2-3)带动顺时针旋转，从而完成一个顺时针步进周期的作动；逆时针旋转时，第一步当控制中枢(4)下达逆时针旋转命令时，上锁止控制器(7)输出电压信号，使得梳齿式上钳位机构(2-1)每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴(3)，梳齿式下钳位机构(2-3)处于松开状态；第二步旋转控制器(6)输出相应电压信号，因为此时固定的为梳齿式上钳位机构(2-1)，所以中间的螺旋式旋转机构(2-2)发生逆时针旋转，带动输出轴(3)逆时针旋转；第三步下锁止控制器(5)输出相应的电压信号，使得梳齿式下钳位机构(2-3)每一个弧形梳齿结构向内弯曲抱紧输出轴(3)，上锁止控制器(7)输出相应电压信号，使得梳齿式上钳位机构(2-1)每一个弧形梳齿结构向外弯曲松开输出轴(3)，旋转控制器(6)输出相应电压信号恢复螺旋式旋转机构(2-2)初始状态，将已松开的梳齿式上钳位机构(2-1)带动逆时针旋转，从而完成一个逆时针步进周期的作动；能够实现双向角位移输出，对其角位移输出速度、大小、方向精确可控；挠曲电梳齿式作动单元(2)，输出轴(3)之间装配时采用过盈配合以增加摩擦力，并具备断电锁止的功能。