微小型指状二维精密压电关节设计及其实验研究

发布时间：2021-01-29 03:23

　　随着机器人技术、生命科学工程和精密光学工程等领域的迅速发展,精密操控技术已经成为制约上述领域进一步发展的关键因素。机器人关节作为直接影响精密操控系统整体品质的核心部件,对于精密操控系统起着决定性作用。因此,如何实现机器人关节的微小型化、多自由度运动、高分辨力和大运动范围输出已成为工业界和学术界研究的热点。驱动器作为机器人关节的核心组成部分,对机器人关节的输出特性至关重要。相比于传统的电磁驱动器和新兴的柔性驱动器,压电驱动器具有高分辨力、结构简单、断电自锁、抗电磁辐射和响应迅速等突出优势。因此,基于压电驱动器开展微小型多自由度精密关节设计及其实验研究工作具有十分重要的意义。本文首先分析了压电关节基于惯性驱动的“粘-滑”工作原理,提出了一种贴片式压电驱动器的基本构型,确定了压电驱动器实现二维旋转驱动的激励方式。通过建立静力学模型获得了压电驱动器各结构参数、激励电压与输出位移之间的关系,并分析了压电驱动器主要结构参数对输出位移的影响规律。基于ANSYS的静力学仿真分析,确定了压电驱动器的结构尺寸和材料参数,同时验证了所建理论模型的正确性。制作了压电驱动器样机并开展了输出位移响应测试,进一步对... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

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Fleming等人研制的两自由度压电驱动纳米定位平台2018年，浙江大学学者Zhu[21]等人研制了一种用于XY纳米定位的两自

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-表1-1国内外直线-直线式压电驱动器的对比对比的指标Lee[19]等研制的压电驱动器Fleming[20]等研制的压电驱动器Zhu[21]等研制的压电驱动器Liu[22]等研制的压电驱动器工作原理共振驱动式直接驱动式直接驱动式尺蠖驱动式运动自由度2L2L2L2L运动范围±150mm和±50mm8.6μm和8.6μm31.5μm和31.5μm20.08μm和24.28μm工作电压/700Vp-p150Vp-p400Vp-p工作频率31kHz597Hz570Hz和585Hz5Hz最大负载能力/2.1N/>20N最大运动速度50mm/s//1.01mm/s1.2.2旋转-旋转式压电驱动器的国内外研究现状2015年，南京航空航天大学学者YAN[23]等人设计了一种新型多自由度超声电机，如图1-5所示。电机由四个矩形振动器组成，球形动子由两个正交方向的弯曲振动复合驱动。实验结果表明，动子可以向任意方向转动，且动子在400V电压下的速度可达到0.122r/s。图1-5YAN等人研制的多自由度超声电机

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-2016年，日本学者Shuta[24]等人研制了一种由球形定子和不同形状动子组成的多自由度超声电机，如图1-6所示。研究中利用压电片和压电驱动器激励不同的振动模态的方法实现多自由度驱动，研究提出了圆柱支承方法，并通过有限元分析和实验验证了该方法的有效性。部分部分球形定子压电陶瓷片图1-6Shuta等人研制的多自由度球形定子2017年，哈尔滨工业大学学者Shi[25]等人提出了一种新型多自由度球形压电超声电机，如图1-7所示。研究设计了一种环形结构的复合定子，其中四个驱动足均匀地布置在定子的内圆周中，定子采用一种径向弯曲模态和两种正交轴向弯曲模态，通过同时激励环形定子进而在驱动足顶端产生椭圆轨迹，分别驱动球形动子绕着X、Y和Z轴旋转。实验结果显示，电机的最大输出转速为55r/min，最大输出转矩为0.118N·m。图1-7Shi等人研制的新型多自由度压电超声电机2018年，日本学者Ai[26]等人研制了一种采用新型强激励环形振子的高转矩夹心式多自由度球形超声电机，如图1-8所示。该电机仅用一个定子就可以实现多自由度转动，具有高的保持力矩和低速时高转矩的特性，因此省去减速装置使得电机结构简单紧凑。实验测量了绕X、Y和Z轴的最大旋转


本文编号：3006185