一种宏微结合压电驱动旋转作动器及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种宏微结合压电驱动旋转作动器及其工作方法，旋转作动器包括驱动圆环、定子以及八个作动模块；八个作动模块结构相同，均包含一个压电叠堆、一个驱动足、和一个柔性铰链。工作时，通过八个作动模块两两配合，使得驱动圆环发生弹性形变而产生位移，进而带动负载。本发明专利技术利用弹性回复力进行驱动，不会产生噪音、不存在磨损，具有可靠性高、寿命长、输出扭矩大、精度高并且可控，具体可实现高精度空间机构要求在超低转速（0.001度/秒）、宽调速比（超过10000）范围内实现亚角秒级的运行精度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种宏微结合压电驱动旋转作动器及其工作方法


[0001]本专利技术涉及弹性驱动领域，尤其涉及一种宏微结合压电驱动旋转作动器及其工作方法。

技术介绍

[0002]以行波型超声电机为代表的压电作动器是依靠定子和动子之间的滑动摩擦力作为驱动力对外做功输出，定、动子间的高频、间歇接触滑动不可避免地带来发热和磨损问题，降低压电作动器的输出性能和使用寿命。此外，压电作动器作动头表面质点的复合运动轨迹很容易受到正压力的作用发生畸变，压电作动器很难通过无限增大正压力提高输出扭矩，因为正压力的增大会减小作动头的法向变形幅度，当正压力超过一定极限压电作动器会出现卡死状况。高精度空间机构要求在超低转速（0.001 度/秒）、宽调速比（超过 10000）范围内实现亚角秒级的运行精度，超声电机在轨长期连续工作下存在功能元件性能衰减、材料蠕变，摩擦界面预压力变化， 面临高性能经时稳定的挑战。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种宏微结合压电驱动旋转作动器及其工作方法。
[0004]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种宏微结合压电驱动旋转作动器，包括驱动圆环、定子、以及第一至第八作动模块；所述驱动圆环采用弹性介质制成，呈圆环状；所述第一至第八作动模块结构相同，均包含一个柔性铰链机构、一个压电叠堆和一个驱动足，其中，所述柔性铰链机构为中心对称的平行八边形、采用弹性介质制成，包含依次相连的第一至第八柔性臂；所述压电叠堆设置在柔性铰链机构内，一端和第一柔性臂相抵、另一端和第五柔性臂相抵；所述驱动足设置在第三柔性臂的外壁中心；所述定子采用刚性物质制成，呈圆环状，且定子设置在驱动圆环内、和驱动圆环同轴；所述定子外壁周向均匀设有八个和所述第一至第八作动模块一一对应的连接件；所述第一至第八作动模块周向均匀设置在驱动圆环和定子之间，其柔性铰链机构的第七柔性臂和其对应的连接件固连，其驱动足和驱动圆环的内壁相抵。
[0005]2.基于权利要求1所述的宏微结合压电驱动旋转作动器的工作方法，包含如下步骤：令第一至第八作动模块在驱动圆环内顺时针排列，如果需要输出轴正向转动：步骤A.0），第一至第八作动模块的压电叠堆均未通电，在第一至第八作动模块柔性铰链机构预紧力的作用下，驱动圆环被撑大，驱动圆环即转子呈锁死状态；步骤A.1），同时对第二、第三、第四、第六、第七、第八作动模块中的压电叠堆通电，
驱动其伸长，使得这些作动模块中的柔性铰链机构弹性形变后第三柔性臂和第七柔性臂之间的距离缩短，此时，驱动圆环呈椭圆状，第一、第三、第五、第七作动模块的驱动足抵住驱动圆环，第二、第四、第六、第八作动模块的驱动足脱离驱动圆环；步骤A.2），将第二、第六作动模块的压电叠堆断电，使其收缩，此时第二、第六作动模块中的柔性铰链机构恢复原状、驱动足抵住驱动圆环使得驱动圆环撑大继续发生弹性形变，同时第三、第四、第七、第八作动模块的压电叠堆继续保持通电驱动，此时驱动圆环上的部分质点正向转动；步骤A.3），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长，使得第一、第五作动模块中的柔性铰链机构发生弹性形变、驱动足脱离驱动圆环，在弹性回复力的作用下，整个驱动圆环较初始状态正向转动预设的第一角度阈值θ1；步骤A.4），将第三、第七作动模块的压电叠堆断电，使其收缩，此时第三、第七作动模块中的柔性铰链机构恢复原状、驱动足抵住驱动圆环使得驱动圆环撑大继续发生弹性形变，电机转子呈锁死状态；步骤A.5），对第二、第六作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长，使得第二、第六作动模块中的柔性铰链机构发生弹性形变、驱动足脱离驱动圆环，在弹性回复力的作用下，驱动圆环部分质点继续发生正向转动；步骤A.6），将第四、第八作动模块的压电叠堆断电，使其收缩，此时第四、第八作动模块中的柔性铰链机构恢复原状、驱动足抵住驱动圆环使得驱动圆环撑大继续发生弹性形变，同时第三、第七作动模块继续保持断电，电机转子呈锁死状态；步骤A.7），对第三、第七作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长，使得第三、第七作动模块中的柔性铰链机构发生弹性形变、驱动足脱离驱动圆环，在弹性回复力的作用下，驱动圆环质点发生正向转动，整体较初始状态转过预设的第二角度阈值θ2；步骤A.8），将第一、第五作动模块的压电叠堆断电，使其收缩，此时第一、第五作动模块中的柔性铰链机构恢复原状、驱动足抵住驱动圆环使得驱动圆环撑大继续发生弹性形变，电机转子呈锁死状态；步骤A.9），跳转至步骤A.1）；如果需要输出轴反向转动：步骤B.0)，第一至第八作动模块的压电叠堆均未通电，在第一至第八作动模块柔性铰链机构预紧力的作用下，驱动圆环被撑大，呈锁死状态；步骤B.1），同时对第二、第三、第四、第六、第七、第八作动模块中的压电叠堆通电，驱动其伸长，使得这些作动模块中的柔性铰链机构弹性形变后第三柔性臂和第七柔性臂之间的距离缩短，此时，驱动圆环呈椭圆状，第一、第三、第五、第七作动模块的驱动足抵住驱动圆环，第二、第四、第六、第八作动模块的驱动足脱离驱动圆环；步骤B.2），将第四、第八作动模块的压电叠堆断电，使其收缩，此时第四、第八作动模块中的柔性铰链机构恢复原状、驱动足抵住驱动圆环使得驱动圆环撑大继续发生弹性形变，同时第二、第三、第六、第七作动模块的压电叠堆继续保持通电驱动，此时驱动圆环上的部分质点反向转动；步骤B.3），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长，使得第一、第五作动模块中的柔性铰链机构发生弹性形变、驱动足脱离驱动圆环，在弹性回复力的作用下，整
个驱动圆环较初始状态反方向转过θ1；步骤B.4），将第三、第七作动模块的压电叠堆断电，使其收缩，此时第三、第七作动模块中的柔性铰链机构恢复原状、驱动足抵住驱动圆环使得驱动圆环撑大继续发生弹性形变，电机转子呈锁死状态；步骤B.5），对第四、第八作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长，使得第四、第八作动模块中的柔性铰链机构发生弹性形变、驱动足脱离驱动圆环，在弹性回复力的作用下，驱动圆环部分质点继续发生反向转动；步骤B.6），将第二、第六作动模块的压电叠堆断电，使其收缩，此时第二、第六作动模块中的柔性铰链机构恢复原状、驱动足抵住驱动圆环使得驱动圆环撑大继续发生弹性形变，同时第三、第七作动模块的压电叠堆继续保持断电状态，电机转子呈锁死状态；步骤B.7），对第三、第七作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长，使得第三、第七作动模块中的柔性铰链机构发生弹性形变、驱动足脱离驱动圆环，在弹性回复力的作用下，驱动圆环发生反向转动，整体较初始状态转过θ2；步骤B.8），将第一、第五作动模块的压电叠堆断电，使其收缩，此时第一、第五作动模块中的柔性铰链机构恢复原状、驱动足抵住驱动圆环使得驱动圆环撑大继续发生弹性形变，电机转子呈锁死状态；步骤B.9），跳转至步骤B.1）。
[0006]本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1. 利用弹性回复力而非摩擦力驱动，不会产生噪音、不存在磨损，有利于提高旋转作动器的可靠性和使用寿命；2. 利用以压电叠堆为代表的大输出力驱动源，可实现大负载驱动，提升作动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宏微结合压电驱动旋转作动器，其特征在于，包括驱动圆环、定子、以及第一至第八作动模块；所述驱动圆环采用弹性介质制成，呈圆环状；所述第一至第八作动模块结构相同，均包含一个柔性铰链机构、一个压电叠堆和一个驱动足，其中，所述柔性铰链机构为中心对称的平行八边形、采用弹性介质制成，包含依次相连的第一至第八柔性臂；所述压电叠堆设置在柔性铰链机构内，一端和第一柔性臂相抵、另一端和第五柔性臂相抵；所述驱动足设置在第三柔性臂的外壁中心；所述定子采用刚性物质制成，呈圆环状，且定子设置在驱动圆环内、和驱动圆环同轴；所述定子外壁周向均匀设有八个和所述第一至第八作动模块一一对应的连接件；所述第一至第八作动模块周向均匀设置在驱动圆环和定子之间，其柔性铰链机构的第七柔性臂和其对应的连接件固连，其驱动足和驱动圆环的内壁相抵。2.基于权利要求1所述的宏微结合压电驱动旋转作动器的工作方法，其特征在于，包含如下步骤：令第一至第八作动模块在驱动圆环内顺时针排列，如果需要输出轴正向转动：步骤A.0），第一至第八作动模块的压电叠堆均未通电，在第一至第八作动模块柔性铰链机构预紧力的作用下，驱动圆环被撑大，驱动圆环即转子呈锁死状态；步骤A.1），同时对第二、第三、第四、第六、第七、第八作动模块中的压电叠堆通电，驱动其伸长，使得这些作动模块中的柔性铰链机构弹性形变后第三柔性臂和第七柔性臂之间的距离缩短，此时，驱动圆环呈椭圆状，第一、第三、第五、第七作动模块的驱动足抵住驱动圆环，第二、第四、第六、第八作动模块的驱动足脱离驱动圆环；步骤A.2），将第二、第六作动模块的压电叠堆断电，使其收缩，此时第二、第六作动模块中的柔性铰链机构恢复原状、驱动足抵住驱动圆环使得驱动圆环撑大继续发生弹性形变，同时第三、第四、第七、第八作动模块的压电叠堆继续保持通电驱动，此时驱动圆环上的部分质点正向转动；步骤A.3），对第一、第五作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长，使得第一、第五作动模块中的柔性铰链机构发生弹性形变、驱动足脱离驱动圆环，在弹性回复力的作用下，整个驱动圆环较初始状态正向转动预设的第一角度阈值θ1；步骤A.4），将第三、第七作动模块的压电叠堆断电，使其收缩，此时第三、第七作动模块中的柔性铰链机构恢复原状、驱动足抵住驱动圆环使得驱动圆环撑大继续发生弹性形变，电机转子呈锁死状态；步骤A.5），对第二、第六作动模块的压电叠堆通电，驱动其伸长，使得第二、第六作动模块中的柔性铰链机构发生弹性形变、驱动足脱离驱动圆环，在弹性回复力的作用下，驱动圆环部分质点继续发生正向转动；步骤A.6），将第四、第八作动模块的压电叠堆断电，使其收缩，此时第四、第八作动模块中的柔性铰链机构恢复原状、驱动足抵住驱动圆环使得驱动圆环撑大继续发生弹性形变，同时第三、第七作动模块继续保持断电，电机转子呈锁死状态；步骤A.7）...

【专利技术属性】
技术研发人员：董智鹏，金家楣，王亮，原路生，张世宇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：