[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

说明书

本发明公开了一种三自由度压电驱动微纳操控机械臂及其激励方法，属于压电驱动技术领域。解决了现有微纳操控装置自由度单一、结构复杂、行程受限的技术问题。所述微纳操作机械臂由动子、旋转驱动单元、升降驱动单元以及基座组成，其中旋转驱动单元和升降驱动单元为主要驱动元件，分别驱动动子两个自由度的旋转运动和一个自由度的直线运动。基于本发明中的激励方法，所述微纳操作机械臂可以实现大尺度的精密运动。本发明中的微纳操作机械臂驱动原理简单可靠，激励方法适应性强，便于应用在微纳操作等技术领域。

技术领域

本发明属于压电驱动技术领域，特别是涉及一种三自由度压电驱动微纳操控机械臂及其激励方法。

背景技术

对于显微操作领域，可以实现超高精度的驱动器一直是限制其发展的重要瓶颈。尽管多种精密驱动技术相继被提出，但是低效率、高成本以及操作困难的缺点却使它们没有得到普遍的应用。相比之下，精密压电驱动技术依靠其可靠的原理和简单的结构得到了青睐。但是现有的精密压电驱动装置往往只能实现单个自由度或者两个自由度的运动，这对于操控领域来说是不够的。因此发明一种可以实现调姿运动和进给运动的具有紧凑结构和稳定工作能力的精密压电驱动装置具有十分重要的意义，这也受到了广泛的关注和研究。

本发明提出了一种实现两个旋转自由度和一个直线自由度的压电驱动机械臂，和多数精密压电驱动装置类似，它具有精度高、激励方法简单可靠的特点。除此之外，利用紧凑的结构实现大负载能力的三自由度运动也是其特点之一。与相应的末端执行机构配合，可以在纳米制造、加工、显微操作以及集成光学等技术领域得到广泛的应用前景，也将对多自由度压电驱动相关技术的发展产生有益的影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有微纳操控装置自由度单一、结构复杂、行程受限的技术问题，从而提出了一种三自由度压电驱动微纳操控机械臂及其激励方法。所采取的技术方案如下：

一种三自由度压电驱动微纳操控机械臂，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。

进一步地，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。