[发明专利]一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器

说明书

一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，涉及压电电机技术领域。包括基座、驱动机构、钳位机构和输出机构，所述驱动机构包括定子和四个驱动压电片，所述钳位机构包括金属片、钳位压电片和钳位平台，所述输出机构包括转子、环形架、支撑架A、支撑架B和四个预紧螺栓；所述四个驱动压电片的驱动信号为方波信号，其中对称布置的两个驱动压电片同时工作。本发明利用四个驱动压电片规律性形变带动四个驱动铰链发生弯曲变形，进而通过四个连接铰链推动变形端完成直线位移运动，当钳位压电片通电工作时，钳位平台与转子摩擦接触，从而将变形端的移动转变为转子或转子和环形架的转动。

技术领域

本发明属于压电电机技术领域， 尤其涉及一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器。

背景技术

基于压电材料逆压电效应的压电执行器因其结构简单、高精度、快速响应、无磁场干扰等优点，在压电电机技术领域引起了广泛关注。其中，多自由度压电执行器已初步在医疗器械、机器人、航空航天等领域内应用，现有的多个单自由度组合式多自由度执行器体积较大，不利于一体化控制，此外，已有的两自由度球形执行器钳位机构多依赖于手动控制，集成化程度低，不利于压电执行器在更广范围内的应用。在诸多压电材料应用过程中，压电双晶片由两片压电陶瓷和一片弹性体（如金属片）粘接在一起构成，具有能耗低、控制带宽范围大、响应速度快等优点，已广泛应用在精密驱动技术领域。

发明内容

本发明针对现有的多个单自由度组合式多自由度执行器体积较大，不利于一体化控制，且已有的两自由度球形执行器钳位机构多依赖于手动控制，集成化程度低，限制了压电执行器在更广范围内的应用这一问题，提出一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，其能够实现两个垂直方向旋转自由度的运动输出。

一种基于压电晶片驱动的两转动自由度执行器，包括：

基座，用于固定驱动机构；

驱动机构，包括驱动压电片A、驱动压电片B、驱动压电片C、驱动压电片D和定子，驱动压电片A、驱动压电片B、驱动压电片C和驱动压电片D均贴设于定子外侧，且驱动压电片A和驱动压电片C相互平行设置，驱动压电片B和驱动压电片D相互平行设置；所述定子整体呈左右、前后对称结构，所述定子包括4个固定端、4个驱动铰链、4个连接铰链和变形端，所述4个固定端分别位于定子的四角，相邻的两个固定端之间分别通过一驱动铰链连接，变形端位于4个固定端和4个驱动铰链所围成的环中间，4个驱动铰链均通过一连接铰链与变形端相连，所述变形端开设有中心孔；

钳位机构，包括金属片、钳位压电片和钳位平台，所述金属片设置于变形端上表面，所述钳位压电片为圆环形状，并设置于所述金属片的上表面，所述钳位平台设置于金属片的中心位置；

输出机构，包括转子、环形架、支撑架A和支撑架B；支撑架A和支撑架B固定于定子上表面，且关于定子中心成对称布置；所述转子为球形，并转动安装于所述环形架的内侧，所述环形架转动安装于所述支撑架A和支撑架B上；所述转子与所述钳位平台之间保留适当间隙。

进一步地，定子的4个固定端分别通过螺栓与基座固定连接。

进一步地，驱动压电片A、驱动压电片B、驱动压电片C和驱动压电片D通过环氧树脂一一对应地粘贴在4个驱动铰链的外侧，且驱动压电片A和驱动压电片C关于定子中心对称设置，驱动压电片B和驱动压电片D关于定子中心对称设置。

进一步地，所述定子由一整块弹性金属材料整体加工而成。

进一步地，所述定子的材料为热处理后的65Mn弹簧钢。

进一步地，所述转子和环形架之间、所述环形架与支撑架A、支撑架B之间均通过钢球实现转动连接。

进一步地，所述输出机构还包括预紧螺栓C、预紧螺栓D、预紧螺栓A和预紧螺栓B，所述预紧螺栓C和预紧螺栓D用于为钢球和转子提供预紧力，所述预紧螺栓A和预紧螺栓B用于为钢球和环形架提供预紧力。