[发明专利]一种三自由度压电驱动微纳操控机械臂及其激励方法

权利要求书

1.一种三自由度压电驱动微纳操控机械臂，其特征在于，所述机械臂包括动子(1)、旋转驱动单元(2)、升降驱动单元(3)以及基座(4)；

所述旋转驱动单元(2)包括支撑装置(2-1)、弹性基体(2-2)以及压电陶瓷片(2-3)；

所述升降驱动单元(3)包括丝杠(3-1)、螺母(3-2)以及层叠式扭转型压电驱动器(3-3)；所述压电陶瓷片(2-3)固定连接于弹性基体(2-2)的侧面，所述支撑装置(2-1)固定连接于弹性基体(2-2)的底面，所述旋转驱动单元(2)固定连接于丝杠(3-1)的顶面，所述层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的底面固定连接于基座(4)的顶面；

所述丝杠(3-1)的轴线沿竖直方向布置，所述丝杠(3-1)的轴线与螺母(3-2)的轴线以及层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的轴线重合，所述弹性基体(2-2)的轴线沿竖直方向布置；

所述动子(1)与支撑装置(2-1)滑动连接以引导动子(1)相对于支撑装置(2-1)绕自身中心做旋转运动，所述丝杠(3-1)与基座(4)滑动连接以引导丝杠(3-1)相对于基座(4)沿自身轴线做直线运动，所述丝杠(3-1)与螺母(3-2)配合连接以引导丝杠(3-1)相对于螺母(3-2)沿自身轴线做直线运动并绕自身轴线做旋转运动；

所述弹性基体(2-2)的上端面压紧在动子(1)的表面，所述层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的上表面压紧在螺母(3-2)的底面；

所述基座(4)保持固定，所述螺母(3-2)绕自身轴线做旋转运动，所述丝杠(3-1)沿自身轴线做直线运动，所述旋转驱动单元(2)沿丝杠(3-1)的轴线做直线运动，所述动子(1)做单自由度直线运动与两自由度旋转运动输出。

2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述旋转驱动单元(2)中压电陶瓷片(2-3)固定连接于弹性基体(2-2)的侧面，所述压电陶瓷片(2-3)的内外侧面分别为一个极化分区，所述压电陶瓷片(2-3)分为水平方向弯曲陶瓷组和纵深方向弯曲陶瓷组，在激励电压信号的作用下，所述压电陶瓷片(2-3)带动弹性基体(2-2)产生偏离自身轴线方向的弯曲变形，进而导致弹性基体(2-2)末端质点沿水平方向和纵深方向的摆动运动；

所述层叠式扭转型压电驱动器(3-3)由多片压电陶瓷绕层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的轴线方向环绕固定连接组成，每片压电陶瓷包括一个极化分区，在激励电压信号的作用下，所述层叠式扭转型压电驱动器(3-3)发生绕自身轴线方向的扭转变形，进而导致层叠式扭转型压电驱动器(3-3)顶面质点绕层叠式扭转型压电驱动器(3-3)轴线方向的转动运动。

3.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述动子(1)通过支撑装置(2-1)压紧在弹性基体(2-2)上端面，所述支撑装置(2-1)包括套筒支撑、球轴承支撑、电磁力悬浮、流体静压力悬浮、流体动压力悬浮；

所述螺母(3-2)通过丝杠(3-1)压紧在层叠式扭转型压电驱动器(3-3)的顶面。

4.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述旋转驱动单元(2)的数量至少为一个，增加旋转驱动单元(2)的数量实现动子(1)负载能力的倍增；

所述升降驱动单元(3)的数量至少为一个，增加升降驱动单元(3)的数量实现动子(1)负载能力的倍增。

5.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述动子(1)末端设置有夹紧装置，所述夹紧装置实现连接微纳操作末端执行机构，所述微纳操作末端执行机构包括微纳操作钳、微纳穿刺针、微纳切割刀和微纳注射器。