專利名稱：壓電式微機器人行走驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及利用壓電效應的二自由度驅(qū)動裝置，具體地說是一種可用于機器人行走的壓電式驅(qū)動器。
直線型超聲波電動機是一種由電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能的驅(qū)動器，它使用超聲頻域的機械振動作為驅(qū)動源，主要由產(chǎn)生超聲振動的超聲振子(相當于旋轉(zhuǎn)電機的定子)和與之相接觸的滑塊(相當于旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子)組成，作為微機器人行走驅(qū)動器，希望具有平面二自由度、大行程、輸出速度較快推力較大、體積小重量輕的驅(qū)動裝置，其中的壓電元件分別施加電激勵來實現(xiàn)多方向、多自由度驅(qū)動，目前已開發(fā)出的直線型超聲波電動機，有的需要一組以上的支持導向機構(gòu)，有的需要二相驅(qū)動電源，有的采用貴的壓電疊堆，有的行程過小，還有幾種二自由度超聲波電動機，它們結(jié)構(gòu)復雜，輸出功率小、體積大，驅(qū)動電路不利于小型化、無線化，不適合于微機器人的行走驅(qū)動，現(xiàn)有技術(shù)中的附圖標記8為壓電疊堆、標記9為超聲振子、標記10為支持導向機構(gòu)、標記11為滑塊、標記12為滾輪、標記13為彈簧。
本發(fā)明目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低，便于實現(xiàn)驅(qū)動器本體和驅(qū)動電路微型化，在二自由度大行程上輸出較大速度和負載力，適用于微機器人行走驅(qū)動的壓電式驅(qū)動裝置。
本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的壓電式微機器人行走驅(qū)動器，其特征在于它由前蓋、后蓋組成的彈性體及裝在前、后蓋間的壓電元件構(gòu)成，壓電元件采用壓電陶瓷片，前蓋為梯形塊狀，后蓋為矩形塊狀，整體的形狀為較扁的方柱狀。
由于本發(fā)明可以獨自行走，無須支持部件，減小了摩擦損耗，也取消驅(qū)動裝置中的支持導向機構(gòu)對振動模態(tài)的限制，效率較高；采用簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多自由度，有利于微機器人小型化，采用單相電源驅(qū)動實現(xiàn)二自由度的雙向行走，使驅(qū)動電源簡化，有利于微機器人無線操縱，成本低，可在大行程上輸出較大的推力和速度，此外本驅(qū)動裝置降低了對摩擦副的表面精度要求，所以可實現(xiàn)大行程。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的基本構(gòu)成及原理2為本發(fā)明一實施例的結(jié)構(gòu)示意3為圖2的俯視4為圖2的側(cè)視5為本發(fā)明的另一實施例的結(jié)構(gòu)示意6為圖5的側(cè)視圖下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。
本發(fā)明為壓電式微機器人行走驅(qū)動器，它區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)在于所述的壓電式微機器人行走驅(qū)動器由前蓋3、后蓋1組成的彈性體及裝在前、后蓋間的壓電元件2構(gòu)成，壓電元件采用壓電陶瓷片，實施中前蓋3為梯形塊狀，后蓋1為矩形塊狀壓電元件2通過緊固件4或粘接劑裝在前、后蓋之間構(gòu)成夾心式結(jié)構(gòu)，在前蓋3中設有小孔5和凹槽6，前蓋的大端與后蓋之間夾持壓電陶瓷片。通過緊固件或粘接劑將三者聯(lián)為一體，以采用緊固件周邊夾持為佳，實施例中在前蓋和后蓋上設有用于緊固的夾持耳7，為減少波的反射，壓電陶瓷片表面和前、后蓋的相應接觸面應光滑平整，使三者之間的界面緊密接觸，為增大輸出功率，作為輔助激振，可以在前蓋或后蓋的外表面粘貼或涂附壓電元件，本發(fā)明所述的微機器人是指1毫米至300毫米尺寸的機器人，附圖中的箭頭方向為驅(qū)動器的行走或旋轉(zhuǎn)方向。
本發(fā)明的驅(qū)動原理是，利用一組壓電元件激振，采用單向高頻驅(qū)動電源，該驅(qū)動電源由一般波形發(fā)生器和功率放大器組成，均屬現(xiàn)有技術(shù)，激發(fā)出驅(qū)動器的縱向、彎曲和扭轉(zhuǎn)振動的耦合模態(tài)，由于這三個振動波在達到彈性體的前蓋驅(qū)動端時，在時間上相差一定的相位，因此這三個振動模態(tài)在彈性體的前蓋驅(qū)動端便合成為一種類似人步行的運動軌跡，從而實現(xiàn)行走驅(qū)動，本發(fā)明的驅(qū)動器總長度約等于縱波波長的一半，彈性體的長、寬、厚的比例約為11∶5∶2，壓電元件應處在一階縱向振動的節(jié)面附近，同時又使所激發(fā)出的沿軸向扭轉(zhuǎn)和沿垂直于前進方向彎曲振動接近90度的相位差，微調(diào)尺寸參數(shù)盡可能使這三個振動模態(tài)的頻率相接近，通過對上述驅(qū)動器中的壓電元件施加高頻激勵電場，使驅(qū)動器的端部產(chǎn)生仿步態(tài)駐波振動，置于光滑的平面上，則可以獨自直立行走，通過激發(fā)不同的振動模態(tài)，驅(qū)動器沿前后及原地正反旋四個方向二自由度地行走，也可以讓驅(qū)動器固定，而驅(qū)動被驅(qū)動體運動，被驅(qū)動體可以具有一定硬度的光滑的玻璃、硅片或金屬板制成。
為使驅(qū)動器的振動能量集中，將前蓋板做成上大下小的梯形，在前端中心鉆一小孔，前蓋采用聲阻抗率較小的材料如硬鋁、硅、石英等制作，后蓋用聲阻抗率較大的材料如鋼、銅制做，為有利于驅(qū)動器旋轉(zhuǎn)，在前蓋板的前端開一凹槽，整體形狀為較扁的方柱狀。對稱結(jié)構(gòu)有利于保持運動的方向性。
本發(fā)明的驅(qū)動裝置可以獨自行走，無須支持部件，減小了摩擦損耗，也取消了裝夾對振動模態(tài)限制，所以效率較高，用簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多自由度行走，有利于微機器人小型化，用單相電源驅(qū)動實現(xiàn)二自由度的雙向行走，使驅(qū)動電源簡化，有利于微機器人的無線操縱。再加上沒有使用特殊壓電元件，所以成本低?？稍诖笮谐躺陷敵鲚^大的推力和速度。由于聚能作用，驅(qū)動裝置的振動幅度大，降低了對摩擦副的表面精度要求，所以可以實現(xiàn)大行程。
實施例1驅(qū)動器的整體尺寸(不包括夾持耳)為15×5×35毫米，前蓋采用硬鋁LY12制作，后蓋采用碳鋼Q235制作，壓電元件采用二片厚度為1毫米的發(fā)射型壓電陶瓷片，型號為PZT-4(鋯鈦酸鉛)，均勻極化，極化方向相對排列，在平板玻璃上行走，驅(qū)動面上未使用摩擦材料，驅(qū)動頻率為45KHz，經(jīng)測試，輸出速度可達30cm/s，可搭負荷20N，運行穩(wěn)定，運動切換靈活。
實施例2驅(qū)動器的整體尺寸(不包括夾持耳)為11.1×5.6×2.1毫米，前蓋和后蓋采用硅材料制作，壓電元件采用二片厚度為0.3毫米的PZT壓電陶瓷薄膜，均勻極化，極化方向相對排列，前蓋的前端開有1.6毫米深3毫米的V型槽，并開有2個直徑0.2毫米的小孔，前蓋和后蓋之間采用斜榫塊夾裝固定，該驅(qū)動器可以在非常光滑潔凈的玻璃平面上行走，驅(qū)動頻率為80KHz。
權(quán)利要求
1.壓電式微機器人行走驅(qū)動器，其特征在于它由前蓋、后蓋組成的彈性體及裝在前、后蓋間的壓電元件構(gòu)成，壓電元件采用壓電陶瓷片，前蓋為梯形塊狀，后蓋為矩形塊狀，整體的形狀為較扁的方柱狀。
2.按權(quán)利要求1所述的壓電式微機器人行走驅(qū)動器，其特征在于在前蓋和后蓋上設有用于緊固的夾持耳。
3.按權(quán)利要求1所述的壓電式微機器人行走驅(qū)動器，其特征在于壓電元件通過緊固件或粘接劑裝在前、后蓋之間構(gòu)成夾心式結(jié)構(gòu)，在前蓋中設有小孔和凹槽。
全文摘要
本發(fā)明公開了壓電式微機器人行走驅(qū)動器，其特征在于它由前蓋、后蓋組成的彈性體及裝在前、后蓋間的壓電元件構(gòu)成，壓電元件采用壓電陶瓷片，前蓋為梯形塊狀，后蓋為矩形塊狀，整體的形狀為較扁的方柱狀。本發(fā)明可以獨自行走，無須支持部件，減小了摩擦損耗，效率較高；采用簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多自由度，有利于微機器人小型化，采用單相電源驅(qū)動實現(xiàn)二自由度的雙向行走，使驅(qū)動電源簡化，有利于微機器人無線操縱，成本低，可在大行程上輸出較大的推力和速度。
文檔編號B25J11/00GK1392030SQ0111345
公開日2003年1月22日 申請日期2001年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月18日
發(fā)明者李朝東, 姚華 申請人:上海大學