[发明专利]含零泊松比八边形结构步进式旋转压电作动器及作动方法

摘要

一种含零泊松比八边形结构步进式旋转压电作动器及作动方法，该作动器包括零泊松比八边形结构，对称连接着一对半圆弧力导向偏转钳位结构，当驱动偏转压电堆通电纵向伸长，导致零泊松比八边形结构的一对输出面输出等大小方向的横向放大位移，通过将同方向横向力在半圆弧力导向偏转钳位结构的端部的柔性铰链处分别转换为纵向反向差动力，实现半圆弧力导向偏转钳位结构偏转，从而推动转子顶盖旋转；驱动偏转压电堆断电后弹性回复力推动转子顶盖继续同向旋转，期间调节两个钳位机构相互配合，共同实现步进式旋转作动；本发明具有零泊松比八边形结构使作动器更加简单可靠；步进差动式旋转方法使得单步位移角度更大，且断电自锁；由于通电顺序不同可完成双向旋转。

主权项

1.一种含零泊松比八边形结构步进式旋转压电作动器，其特征在于：包括固定圆盘底座(1)，置于固定圆盘底座(1)内并关于XOY面镜像对称且位于Z轴上两端的结构相同的第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)和第二半圆弧力导向偏转钳位机构(3)，位于第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)和第二半圆弧力导向偏转钳位机构(3)之间的零泊松比八边形结构(4)，位于零泊松比八边形结构(4)内部并与Z轴平行布置的驱动偏转压电堆(5)，分别位于第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)和第二半圆弧力导向偏转钳位机构(3)中且与Z轴垂直布置的第一钳位压电堆(6)和第二钳位压电堆(7)，扣合在固定圆盘底座(1)上的转子顶盖(8)；X轴和Z轴垂直并位于同一水平面内，Y轴在垂直于水平面的铅锤面上；零泊松比八边形结构(4)固定于圆盘底座1上的凸台(1-3)上，驱动偏转压电堆(5)安装在零泊松比八边形结构(4)中预紧，第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)和第二半圆弧力导向偏转钳位机构(3)通过零泊松比八边形结构(4)上的卡槽与零泊松比八边形结构(4)相互连接，第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)中的圆弧段与钳位菱形环通过第一柔性铰链(2-1)和第二柔性铰链(2-2)相连接，第二半圆弧力导向偏转钳位机构(3)中圆弧段与钳位菱形环通过第三柔性铰链(3-1)和第四柔性铰链(3-2)相连接，在第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)中的钳位菱形环中预紧安装有第一钳位压电堆(6)，在第二半圆弧力导向偏转钳位机构(3)中的钳位菱形环中预紧安装有第二钳位压电堆(7)，第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)在临近零泊松比八边形结构(4)的一侧与圆盘底座(1)接触于第一Z轴向导槽(1-1)，并通过第五柔性铰链(2-3)与第一Z轴向导槽(1-1)滑动连接，第二半圆弧力导向偏转钳位机构(3)在临近零泊松比八边形结构(4)的一侧与圆盘底座(1)接触于第二Z轴向导槽(1-2)，并通过第六柔性铰链(3-3)与第二Z轴向导槽(1-2)滑动连接，第五柔性铰链(2-3)与第六柔性铰链(3-3)分别是第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)和第二半圆弧力导向偏转钳位机构(3)的偏转中心；非作动状态下，第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)和第二半圆弧力导向偏转钳位机构(3)中的钳位菱形环分别与转子顶盖(8)相接触，靠摩擦进行钳位；/n所述零泊松比八边形机构(4)包括关于XOY平面镜像对称并垂直于Z轴的两个压电堆预紧面，同时这两个面也是零泊松比八边形机构(4)的输入面；零泊松比八边形机构(4)的输出面关于YOZ面镜像对称，并平行于YOZ面放置，输出面外侧为了与第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)和第二半圆弧力导向偏转钳位机构(3)连接而刻有卡槽；两个输出面与两个输入面通过两组分别平行的平面相连接，两个位于Z轴的正方向的平面为第一组连接面，两个位于Z轴的负方向的平面为第二组连接面，每组里的两个连接面互相平行，且第一组平面与第二组平面关于X轴对称分布；机构作动时，当预装在该零泊松比八边形机构(4)中的驱动偏转压电堆(5)通电伸长，零泊松比八边形机构(4)的输出面会沿Z轴两侧运动，带动第一组连接面向Z轴正方向运动，第二组连接面向Z轴负方向运动，导致两组连接面与输出面的夹角会增大，从而带动两个输出面同时产生沿X轴负向的平移运动；由于该零泊松比八边形机构(4)沿Z轴长度远大于沿X轴长度，故机构沿X轴伸长量会大于沿Z轴的伸长量，从而实现该零泊松比八边形机构(4)的输出力换向和放大功能；/n所述第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)包括两部分，第一部分是实现力的导向，包括与零泊松比八边形机构(4)中的卡槽相配合的卡台，和一对与卡台相连接并关于Z轴镜面对称、水平放置的左四分之一圆弧和右四分之一圆弧，左四分之一圆弧顶部存在第一柔性铰链(2-1)，右四分之一圆弧顶部存在第二柔性铰链(2-2)；第二部分为位于第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)顶部的钳位菱形环，其关于Z轴轴对称，钳位部分在靠近下部处通过第五柔性铰链(2-3)与第一Z轴向导槽(1-1)滑动连接；第一部分的左四分之一圆弧和右四分之一圆弧分别通过第一柔性铰链(2-1)和第二柔性铰链(2-2)分别与第二部分的钳位菱形环进行连接；当外部输出等大小位移且方向沿X轴负方向时，由于圆弧结构具有传导力时大小不变，方向沿圆弧切向的功能，故第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)通过左四分之一圆弧将X轴负向的力在第一柔性铰链(2-1)处转换成沿Z轴正向力，大小不变；通过右四分之一圆弧，将X轴负向的力在第二柔性铰链(2-2)处转换成沿Z轴负向力，大小不变，这两个力在第五柔性铰链(2-3)处共同形成了一个顺时针扭矩；由于第五柔性铰链(2-3)只存在转动自由度和Z向自由度，因此第五柔性铰链(2-3)就是偏转中心；第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)相对于第五柔性铰链(2-3)会发生转动；非作动状态下，第一半圆弧力导向偏转钳位机构(2)中的钳位菱形环与转子顶盖(8)相接触，靠摩擦进行钳位，作动状态下，第一钳位压电堆(6)通电，钳位菱形环部分沿压电堆方向伸长，垂直于压电堆方向缩短，钳位菱形环与转子顶盖(8)脱离接触，钳位取消。/n