[发明专利]一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器及其控制方法

说明书

本发明涉及一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器及其控制方法，属于精密机械领域。该驱动器由负载平台、柔顺驱动机构、导轨滑块、摩擦力调节装置和基座组成。其中，负载平台、柔顺驱动机构与导轨滑块通过螺钉相连接。摩擦力调节装置和导轨滑块分别固定在基座上，可通过旋转预紧螺钉调节摩擦足与导轨滑块间的初始间隙，进而实现导轨滑块所受摩擦力的调节。本发明是通过借鉴青蛙后腿趾间蹼的结构以及游动时后腿的运动方式提出的一种仿生冲击压电驱动器，解决了传统惯性冲击型压电驱动器因工作带宽较窄导致的综合输出性能较低的问题。

技术领域

本发明涉及一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器，属于精密机械领域，在生物医学、微纳操作领域具有极高的应用价值。

背景技术

近年来，随着各科技领域的快速发展，精密驱动技术也在不断更新换代，其中压电驱动以其体积小、响应快以及不受电磁干扰等优点而成为学者们的研究热点之一。

随着压电精密驱动技术的发展，基于不同原理、不同结构的压电驱动器被研制出来。它们被广泛应用于精密机械与仪器、生物工程、微纳操作、超精密加工等领域。根据驱动原理，压电驱动器可大体分为尺蠖型、超声型、粘滑型和惯性冲击型等。其中，尺蠖型压电驱动器的结构和控制系统复杂，超声型驱动器的磨损发热严重且使用寿命较短，粘滑型驱动器存在回退现象。上述缺点一定程度上制约着它们的发展和应用。

惯性冲击型压电驱动器由于其结构简单、控制方便、无回退等优点受到了广泛关注。近年来，为了满足各种不同的需求，各国研究人员对冲击惯性压电驱动器进行了各种改进。但是普遍存在的一个问题是，它们的稳定工作带宽较窄，通常在100Hz以内，因此综合输出性能较低。

为了扩大稳定工作带宽，提高综合输出性能，本发明通过借鉴青蛙后腿趾间蹼的结构以及游动时后腿的运动方式，提出了一种仿生冲击压电驱动器。设计了一种平行六边形柔性铰链，惯性质量块对称分布于前进方向两侧。采用锯齿型电信号作为激励信号，压电叠堆周期性变形，产生惯性冲击力，驱动导轨滑块前进。可通过改变激励信号及惯性质量块质量，来改变驱动器的输出性能。

发明内容

为了扩大稳定工作带宽，实现驱动器高运动精度和高运动速度的统一。本发明公开了一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器。

本发明为实现上述目的采用的技术方案如下：

一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器包括负载平台、柔顺驱动机构、导轨滑块、摩擦力调节装置和基座；所述的负载平台、柔顺驱动机构、导轨滑块和基座自上而下排布；所述的导轨滑块和摩擦力调节装置通过螺钉固定在基座同一平面内；所述的柔顺驱动机构受到锯齿波电信号的激励作用，根据冲击惯性原理，导轨滑块可沿y向运动。

所述的柔顺驱动机构包括平行六边形柔性铰链、压电叠堆和预紧楔块；所述的惯性质量块Ⅰ、柔性直梁Ⅰ、固定梁Ⅰ、柔性直梁Ⅱ、惯性质量块Ⅱ、柔性直梁Ⅲ、固定梁Ⅱ和柔性直梁Ⅳ按顺时针首尾相连排布，组成平行六边形柔性铰链；所述的惯性质量块Ⅰ、柔性直梁Ⅰ、柔性直梁Ⅳ与惯性质量块Ⅱ、柔性直梁Ⅱ、柔性直梁Ⅲ关于固定梁Ⅰ、固定梁Ⅱ轴对称分布；所述的用于固定柔顺驱动机构的安装孔设置于固定梁Ⅰ和固定梁Ⅱ上；压电叠堆通过预紧楔块以过盈配合的形式内嵌于惯性质量块Ⅰ和惯性质量块Ⅱ间；通电伸长的压电叠堆可使柔性直梁Ⅰ、柔性直梁Ⅱ、柔性直梁Ⅲ和柔性直梁Ⅳ产生弯曲变形并带动惯性质量块Ⅰ和惯性质量块Ⅱ沿正y向移动。

所述摩擦力调节装置包括L型柔性铰链和预紧螺钉；所述的L型柔性铰链包括固定端、摩擦足和柔性调节梁；通过固定端可将L型柔性铰链固定在基座上；所述的预紧螺钉通过设置于基座上的螺纹孔与柔性调节梁弹性接触；所述的摩擦足与导轨滑块表面接触；通过调整预紧螺钉，可改变摩擦足与导轨滑块间的摩擦力。

本发明的另一目的在于提供一种具有高输出性能的仿生冲击压电驱动器的控制方法，包括以下步骤：

①工作前，调整摩擦力调节装置中的预紧螺钉，使导轨滑块受到合适的摩擦力；