【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压电驱动，特别是涉及一种基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动装置及方法。
技术介绍
1、压电精密驱动技术是当前装备制造业的一个重要方面，已经在精密定位、光学系统、生物医学工程和微纳米精密加工等研究领域得到了大量的应用。其核心部件压电元件的结构尺寸微小，不受电磁干扰，在确定的电压作用下能够输出微米级位移和数百牛顿的驱动力。针对不同的工作环境适用条件，科研人员开发出了多种类型的压电驱动器，根据驱动原理的差异大致可分为直动式、超声式、尺蠖型、粘滑型压电驱动器。其中，粘滑型压电驱动器在锯齿波形的驱动信号下，由摩擦驱动和自身惯性作用产生缓慢向前和快速回退的步进运动，具有结构紧凑、控制简单、分辨率高等优点。
2、然而，粘滑型压电驱动装置固有的回退运动降低了运动速度和精度。现有方法大多不能完全抑制回退运动，且抑制回退的性能在运动过程中不能主动调控，难以适应复杂的实际工况。因此，提出一种能够主动调整实现平滑运动、且具有微小型、高速、高精度等优势的压电驱动装置具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够主动调整实现平滑运动、且具有微小型、高速、高精度等优势。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
3、本专利技术提供一种基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动装置，包括底座；转动安装于所述底座上的转轴；仿螳螂前足柔性机构，两个所述仿螳螂前
4、可选的，所述仿螳螂前足柔性机构包括固定端；所述固定端固定设置于所述底座上，所述固定端一端的内侧通过柔性连接部连接有腿节，所述腿节末端通过柔性连接部连接有胫节，所述胫节的末端一体成型有弧形驱动足，所述弧形驱动足与所述转轴侧壁预紧接触；所述固定端远离柔性连接部的一端和腿节之间的空间形成一安装槽，其用于安装所述离合压电元件；所述胫节内侧和腿节之间的空间形成一安装槽，其用于安装所述驱动压电元件。转轴与胫节末端的弧形驱动足预紧并实现自锁。当驱动压电元件慢速伸长时，转轴受到弧形驱动足的摩擦力而产生慢速正向运动，且弧形驱动足在驱动过程中缓慢变形积蓄弹性势能。当驱动压电元件快速缩短时，胫节弧形驱动足快速回退恢复变形，同时弧形驱动足对转轴释放弹性势能当弧形驱动足与转轴之间初始预紧力较大，使弹性势能较小时，不足以抵消回退摩擦力做功，转轴仍然表现出回退运动，但是回退程度得到抑制；当弧形驱动足与转轴之间初始预紧力合适，使弹性势能合适时，正好抵消回退摩擦力做功，转轴能够继续正向旋转实现平滑运动；当弧形驱动足与转轴之间初始预紧力较小，使弹性势能较大时，回退摩擦力做功被抵消，且能够产生正向运动摩擦力，使转轴表现出突进运动。通过调节离合压电元件施加特定的电压，使弧形驱动足与转轴之间达到合适初始预紧力，进而实现平滑运动。通过周期运动将累积正向旋转角度以产生宏观连续旋转运动。
5、可选的，所述固定端远离柔性连接部的一端设有与其对应的安装槽连通的第一螺纹孔，所述第一螺纹孔内的螺钉能够对所述离合压电元件预紧；所述腿节远离所述胫节的一端设有与其对应的安装槽连通的第二螺纹孔，所述第二螺纹孔内的螺钉能够实现对所述驱动压电元件的预紧。
6、可选的，所述柔性连接部包括第一柔性铰链和第二柔性铰链；所述固定端一端的内侧通过所述第一柔性铰链与所述腿节连接，所述腿节末端通过所述第二柔性铰链与所述胫节连接。
7、本专利技术离合压电元件在工作过程中，对离合压电元件施加特定幅值电压，离合压电元件伸长并推动腿节绕第一柔性铰链向外旋转一定角度，带动连接在腿节末端的胫节沿轴径向外产生位移，胫节末端的弧形驱动足恢复部分变形，进而改变弧形驱动足与转轴的接触状态。通过改变对离合压电元件施加电压的幅值，可实现弧形驱动足与转轴之间初始预紧力的主动调整。
8、本专利技术驱动压电元件在工作过程中，对驱动压电元件施加连续锯齿波电信号激励以产生周期的慢速伸长、快速缩短运动，使胫节绕第二柔性铰链产生转动，胫节末端的弧形驱动足驱动转轴产生寄生运动变形，并输出粘滑步进运动。所述驱动足在驱动转轴的过程中，能够在锯齿波电信号缓慢上升阶段缓慢变形积蓄弹性势能，并在锯齿波电信号快速下降阶段恢复变形释放弹性势能。当离合压电元件施加的电压较小时，弧形驱动足与转轴之间初始预紧力较大，弧形驱动足的初始变形较大，难以在驱动过程中继续变形，产生的弹性势能较小；当离合压电元件施加的电压较大时，弧形驱动足与转轴之间初始预紧力较小，弧形驱动足的初始变形较小，易于在驱动过程中继续变形，产生的弹性势能较大。
9、可选的，所述腿节靠近固定端位置处的内侧固定设有第一定位部，所述第一定位部能够与所述离合压电元件远离所述第一螺纹孔的一端抵接。
10、可选的，所述胫节靠近腿节位置处的内侧固定设有第二定位部，所述第二定位部能够与所述驱动压电元件远离所述第二螺纹孔的一端抵接。
11、可选的，所述固定端通过螺钉固定安装于所述底座上；所述固定端的外侧为平滑的弧形结构，且所述固定端外侧的弧形结构所在虚拟圆的圆心与所述底座的圆心重合，所述固定端外侧的弧形结构所在虚拟圆的半径尺寸与所述底座的外径尺寸相同。
12、本专利技术还提供一种基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动方法，包括以下步骤：
13、步骤一、初始状态下，仿螳螂前足柔性机构的弧形驱动足与转轴预紧并实现自锁，弧形驱动足在预紧力n0的作用下产生形变；
14、步骤二、对离合压电元件施加设定幅值电压v1，离合压电元件伸长并推动腿节绕第一柔性铰链向外旋转角度α，带动连接在腿节末端的胫节沿轴径向外产生位移，胫节末端的弧形驱动足恢复变形，进而改变弧形驱动足与转轴之间的接触预紧力n0’，通过改变对离合压电元件施加电压v1的幅值，实现弧形驱动足与转轴接触状态的主动调控；
15、步骤三、对驱动压电元件施加连续锯齿波信号v2，在锯齿波上升沿阶段，驱动压电元件伸长推动胫节绕第二柔性铰链产生旋转角度β，弧形驱动足带动转轴沿正向旋转角度φ，并产生变形积蓄弹性势能；
16、步骤四、在锯齿波下降沿阶段，胫节及弧形驱动足回退恢复变形，同时弧形驱动足对转轴释放弹性势能，从而使转轴在自身惯性和弧形驱动足弹性势能的作用下抑制回退；调控对离合压电元件施加的电压v1改变初始预紧力n0’，进而改变弧形驱动足在驱动过程中积蓄的弹性势能大小，使转轴完全抑制回退并实现平滑运动；通过周期运动将累积正向旋转角度以产生宏观连续旋转运动。通过调节驱动压电元件电压信号的幅值和频率来调节转轴的旋转速度。
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1.基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动装置，其特征在于：包括底座；
2.根据权利要求1所述的基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动装置，其特征在于：所述仿螳螂前足柔性机构包括固定端；所述固定端固定设置于所述底座上，所述固定端一端的内侧通过柔性连接部连接有腿节，所述腿节末端通过柔性连接部连接有胫节，所述胫节的末端一体成型有弧形驱动足，所述弧形驱动足与所述转轴侧壁预紧接触；所述固定端远离柔性连接部的一端和腿节之间的空间形成一安装槽，其用于安装所述离合压电元件；所述胫节内侧和腿节之间的空间形成一安装槽，其用于安装所述驱动压电元件。
3.根据权利要求2所述的基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动装置，其特征在于：所述固定端远离柔性连接部的一端设有与其对应的安装槽连通的第一螺纹孔，所述第一螺纹孔内的螺钉能够对所述离合压电元件预紧；所述腿节远离所述胫节的一端设有与其对应的安装槽连通的第二螺纹孔，所述第二螺纹孔内的螺钉能够实现对所述驱动压电元件的预紧。
4.根据权利要求2所述的基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动装置，其特征在于：所述柔性连接部
5.根据权利要求3所述的基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动装置，其特征在于：所述腿节靠近固定端位置处的内侧固定设有第一定位部，所述第一定位部能够与所述离合压电元件远离所述第一螺纹孔的一端抵接。
6.根据权利要求3所述的基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动装置，其特征在于：所述胫节靠近腿节位置处的内侧固定设有第二定位部，所述第二定位部能够与所述驱动压电元件远离所述第二螺纹孔的一端抵接。
7.根据权利要求2所述的基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动装置，其特征在于：所述固定端通过螺钉固定安装于所述底座上；所述固定端的外侧为平滑的弧形结构，且所述固定端外侧的弧形结构所在虚拟圆的圆心与所述底座的圆心重合，所述固定端外侧的弧形结构所在虚拟圆的半径尺寸与所述底座的外径尺寸相同。
8.基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动方法，其特征在于：包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动装置，其特征在于：包括底座；
2.根据权利要求1所述的基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动装置，其特征在于：所述仿螳螂前足柔性机构包括固定端；所述固定端固定设置于所述底座上，所述固定端一端的内侧通过柔性连接部连接有腿节，所述腿节末端通过柔性连接部连接有胫节，所述胫节的末端一体成型有弧形驱动足，所述弧形驱动足与所述转轴侧壁预紧接触；所述固定端远离柔性连接部的一端和腿节之间的空间形成一安装槽，其用于安装所述离合压电元件；所述胫节内侧和腿节之间的空间形成一安装槽，其用于安装所述驱动压电元件。
3.根据权利要求2所述的基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动装置，其特征在于：所述固定端远离柔性连接部的一端设有与其对应的安装槽连通的第一螺纹孔，所述第一螺纹孔内的螺钉能够对所述离合压电元件预紧；所述腿节远离所述胫节的一端设有与其对应的安装槽连通的第二螺纹孔，所述第二螺纹孔内的螺钉能够实现对所述驱动压电元件的预紧。
4.根据权利要求2所述的基于仿螳螂前足柔性机构的平滑运动压电驱动装置，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，严浪浪，王吉如，童宝山，王闯，毛杜邦，梁天唯，刘晓鹏，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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