一種基於柔性鉸鏈的慣性跳躍壓電驅動裝置的製作方法

2023-06-19 12:43:26 1

本發明屬於精密機械驅動領域。應用於微型機器人驅動、微小型機械等方面。

背景技術：

近年來，隨著微納米技術的迅猛發展，在生物醫學工程、精密機械、機器人、計算機、自動控制、精密測量、精密器件微製造、超精密加工等技術領域對微小型機械的驅動技術的需求日益增多。作為微驅動技術的核心，微驅動技術在這種需求下成為人們關注的焦點。傳統精密驅動主要採用機械式，如精密絲槓副及滾動滑動導軌、精密螺旋楔塊機構等，但由於存在間隙、摩擦、爬行等問題，其精度很難滿足要求，在這種條件下發展出許多新型的驅動方式，例如靜電吸引式、電磁式、磁致伸縮式、形狀記憶合金式以及壓電式等。

壓電驅動的工作原理主要是應用壓電材料的逆壓電效應，即當壓電體受電場作用時會產生形變，與其他方式相比具有機電轉化係數高、無電磁幹擾、響應速度快等優點，而柔性壓電纖維可使用在曲面結構上，在新型智能材料方面具有廣闊的應用前景。

另一方面慣性式壓電驅動裝置因其在工作行程、解析度、工作頻率、運動速度、頻率響應、製造成本、受壓電元件滯環蠕變影響程度等方面具有獨特的優勢，已經發展成為壓電精密驅動的一個重要部分。現有的壓電慣性驅動裝置多採用非對稱電信號作為激勵信號，但這種驅動裝置有信號不易於產生、機構不容易控制、有較大回退運動等缺點。鑑於目前壓電慣性驅動裝置所存在的問題，本發明提出一種基於柔性鉸鏈的慣性跳躍壓電驅動裝置，通過控制裝置與接觸面間的摩擦力，使壓電驅動裝置產生定向運動。具有結構簡單、易於實現、器件可靠性高、無電磁幹擾、激勵信號易於產生和控制、裝置可控性好等優點。

技術實現要素：

本發明所需要解決的技術問題是：在電信號激勵下，壓電纖維1(3)、壓電纖維2(6)同時伸長變形，驅動金屬板1(2)帶動質量塊(1)擺動，利用質量塊(1)產生的慣性衝擊力實現裝置整體的運動。

為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：

所述的壓電纖維與金屬板採用導電膠並聯相粘接。

所述的金屬板需要加工出一定弧度，從而使其具有更好的力學性能，端部加工成螺紋柱以便連接質量塊和柔性鉸鏈機構。同時質量塊(1)具有對應的螺紋孔。

所述的金屬板1(2)中部連接壓電纖維，上端連接質量塊(1)，下端連接柔性鉸鏈機構。

壓電纖維1(3)、壓電纖維2(6)在激勵信號的作用下伸長產生形變，驅動金屬板1(2)帶動質量塊(1)向右擺動，其後輸入反向電信號，壓電纖維1(3)、壓電纖維2(6)收縮變形，金屬板2(7)與地面之間產生間隙，質量塊(1)獲得向左速度，在慣性作用下裝置整體向左跳動一步。

本發明所述的基於柔性鉸鏈的慣性跳躍壓電驅動裝置通過金屬板和壓電纖維相粘接的設計，採用對稱波形電信號激勵，有效降低了結構的複雜程度，克服了裝置不容易控制的缺點，達到了裝置定向運動的目的；柔性鉸鏈機構作為裝置的底部，在增大質量塊(1)行程的同時，起到了調節裝置重心的作用，提高了裝置運動的可控性。

附圖說明

圖1為基於柔性鉸鏈的慣性跳躍壓電驅動裝置的整體結構示意圖；

圖2為基於柔性鉸鏈的慣性跳躍壓電驅動裝置的非運動狀態時的示意圖；

圖3為基於柔性鉸鏈的慣性跳躍壓電驅動裝置的受力彎曲示意圖；

圖4為基於柔性鉸鏈的慣性跳躍壓電驅動裝置的向左運動時運動示意圖。

具體實施方式

本發明涉及一種基於柔性鉸鏈的慣性跳躍壓電驅動裝置，是一種利用壓電纖維的逆壓電效應和慣性驅動原理驅動機構實現運動的新型裝置。如圖1所示，預彎曲呈一定弧度的金屬板與壓電纖維粘接，並在一端連接質量塊，整體構成致動器；柔性鉸鏈與粘有壓電纖維的金屬板構成跳躍調節機構。壓電纖維與金屬板之間採用導電膠並聯粘接。金屬板1(2)加工出一定弧度，端部加工成螺紋柱以便連接質量塊(1)和柔性鉸鏈機構，質量塊(1)具有對應的螺紋孔。應用線切割加工柔性鉸鏈機構，柔性鉸鏈機構與金屬板1(2)粘接。

金屬板在粘接壓電纖維時應有適當的預變形，達到增大質量塊行程，從而利於儲存動能的目的。柔性鉸鏈2(5)加工出一定弧度並在內側粘接壓電纖維2(6)，運動過程中柔性鉸鏈機構可以調節裝置的重心位置，增加了裝置運動的可控性。

在運動的過程中，通過對壓電纖維1(3)和壓電纖維2(6)同時輸入激勵信號，壓電纖維1(3)、壓電纖維2(6)同時伸長變形，金屬板1(2)帶動質量塊(1)緩慢向右擺動，如圖3所示。然後在反向激勵信號作用下，壓電纖維1(3)、壓電纖維2(6)快速收縮，金屬板2(7)與地面之間產生間隙，質量塊(1)獲得向左的速度，在慣性作用下裝置整體向左跳動一步，如圖4所示，完成一個運動周期後質量塊(1)右側移動，裝置恢復到原來的狀態。重複上述過程可以實現裝置整體向左連續運動。