[發明專利]基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅動旋轉平臺

有效

• 申請號: 201610279674.9
• 申請日: 2016-05-03
• 公開（公告）號: CN105720859B
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發明（設計）人: 馬志超;趙宏偉;任露泉;姜哲
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H02N2/10
• 分類號: H02N2/10;B82Y15/00
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司22100
• 代理人: 王怡敏

技術領域

本發明涉及精密驅動領域，特別涉及一種具有納米級驅動精度的基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅動旋轉平臺。通過內包絡式壓電驅動單元結合具有特征形態的仿生楔形觸角，可實現微弧度級的轉動精度。在此基礎上，結合楔形觸角的可控熱膨脹，可實現納弧度級轉角的精密驅動，即實現壓電式旋轉平臺的宏微耦合驅動模式。本發明可為微納操作、精密光學等有微納米級精密驅動需求的諸多領域提供技術支撐，亦可作為微構件微尺度力學性能精密測試的加載單元。

背景技術

傳統精密驅動與傳動技術往往采用伺服電機、直線電機等驅動部件作為驅動動力源，以及滾數絲杠、蝸輪蝸桿、線性導軌、曲柄連桿機構等傳動部件構成復雜傳動系統。由于存在電機回轉機械慣性、電磁擾動、傳動效率損耗、機構爬行、傳動系統間隙、換向沖擊、滑動磨損等影響精密傳動過程的不利因素，傳統驅動與傳動技術難以實現納米級精密驅動與定位的要求。相比于通過電致伸縮、磁致伸縮、記憶合金變形等效應實現的精密驅動技術，壓電驅動技術具有響應頻率高和傳動柔性化等特點。以壓電精密驅動技術為代表的微納精密驅動技術在精密光學、控制工程、微電子技術、航空航天、生物醫學工程等領域應用廣泛，尤其在航天飛行器空間對接、仿生微型機器人驅動、超精密加工與裝配、顯微生物醫學組織操作等前沿領域具有難以替代的作用。而精密驅動器作為對目標對象直接定位與操控的執行器，其驅動性能直接影響其定位精度與操控對象的運動分辨率。

根據驅動原理及運動形式的不同，壓電驅動器可主要分為慣性式和尺蠖型兩種。其中慣性式壓電驅動器具有分辨率高、機械結構簡單、輸出行程大等特點。相比于直線式驅動器，旋轉驅動器具有更復雜的傳動結構，受轉動單元回轉精度等誤差因素的影響，其旋轉定位精度取決于徑向和周向的絕對位移。基于粘滑摩擦驅動原理的旋轉慣性式壓電驅動器結構緊湊、操作與控制過程簡單、定位精度高。其基本結構由壓電器件、柔性傳動機構和粘滑回轉移動塊組成，其中柔性傳動機構的移動端與粘滑回轉移動塊保持面接觸或點接觸，接觸區域表面具有較大的靜摩擦系數和滑動摩擦系數。依據動量守恒定律，當向壓電器件施加線性增加的驅動電壓時，柔性傳動機構產生相應的驅動位移并與粘滑回轉移動塊進行接觸摩擦傳動，因粘滑過程速度較為緩慢，回轉移動快所受慣性沖擊并不顯著，粘滑移回轉移動塊的轉動弧長與柔性傳動機構的輸出位移行程保持一致。當施加在壓電器件上的電壓迅速下降時，柔性傳動機構迅速彈性回復至其初始位置，但粘滑移回轉移動塊由于自身的慣性載荷大于柔性傳動結構彈性回復過程中的摩擦力。據此，在周期性鋸齒形電壓的作用下，粘滑移回轉移動塊產生步進旋轉位移。J.M. Breguet對粘滑式慣性驅動器的驅動原理和控制方法進行了系統的研究，Q.Z. Zou利用慣性質量塊與驅動單元之間的粘滑現象開發了精密旋轉驅動器。采用鋸齒波形信號作為均布式壓電雙晶片的加載電壓波形，在加載過程中周向分布的三個雅典敬佩同時同向緩慢旋轉，進而驅動回轉驅動單元同步轉動；在卸載過程中，壓電晶片迅速彈性回復，而回轉驅動單元的位置基本保持不變。因此，在連續鋸齒波形時序信號的作用下，回轉驅動單元實現了連續的旋轉運動，旋轉速度達到0.18rad/s. Y. Zhang研制了一種基于直線運動和旋轉運動的多自由度粘滑驅動器，其旋轉運動的實現是基于對兩個壓電疊堆精確的時序控制配合實現的。

盡管基于粘滑摩擦驅動原理的旋轉慣性式壓電驅動器因其簡單的結構、較高的運動分辨率、較大的運動行程和較快的驅動速度而在精密驅動領域應用廣泛，但機構磨損、慣性沖擊等因素限制了其極高定位精度的實現。此外，在實際工況下，由于壓電精密驅動器的服役工況往往受到空間尺寸狹小、電磁環境復雜、工作溫度劇變等諸多因素的影響，難以實現納米級精度的穩定運動輸出。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅動旋轉平臺，解決了現有技術存在的上述問題。針對現有粘滑摩擦型慣性式驅動器驅動大都僅采用壓電器件作為驅動單元的驅動模式，本發明將壓電驅動方法實現的宏觀驅動與柔性機構熱膨脹行為實現的微觀驅動相結合，實現豐富的旋轉驅動模式和納米級的旋轉驅動分辨率。本發明由宏觀壓電驅動單元、微觀熱膨脹驅動單元、微回轉單元以及支撐單元組成。本發明的宏觀旋轉運動依靠內包絡式柔性鉸鏈和仿生楔形觸角的彈性變形實現柱形轉動體的粘滑摩擦，本發明的微觀旋轉驅動依靠高溫陶瓷加熱棒在仿生楔形觸角的間歇處產生的熱膨脹實現柱形轉動體的微動摩擦。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：