一种摩擦差动式两自由度仿生步进压电执行器

本发明属于精密驱动，特别涉及一种摩擦差动式两自由度仿生步进压电执行器。

背景技术：

1、精密驱动是指在微米甚至纳米级的尺度上进行高度准确和可控的运动，这种技术通常依靠各种传感器和控制系统来实现精确定位和运动控制。而随着精密驱动应用领域的发展，医疗设备及航空航天等多种高端科技领域对精密驱动提出了更高水平的要求。精密驱动技术主要包括传统伺服电机驱动、液压气压驱动以及压电驱动，而压电驱动由于其高分辨率、无电磁干扰和响应速度快等特点成为精密驱动领域的热点研究方向。其中，基于步进原理的压电步进执行器根据结构组成和驱动原理的不同，主要分为尺蠖式压电执行器、海豹式压电执行器和惯性式压电执行器。

2、现有海豹式压电步进执行器主要由一个进给单元、一个持续式钳位单元和一个间歇式钳位单元构成，间歇式钳位单元的设计导致海豹式压电步进执行器寄生位移较大，且自由度单一，不利于高分辨率的多自由度运动。

3、本发明基于差动原理，取消了现有海豹式压电步进执行器的钳位动作，消除了寄生位移，并通过紧凑的结构设计，实现了直线-旋转两自由度的集成式跨尺度步进运动。

技术实现思路

1、本发明是为了解决现有的海豹式压电步进执行器自由度单一、寄生位移大的问题，现提出一种摩擦差动式两自由度仿生步进压电执行器。

2、一种摩擦差动式两自由度仿生步进压电执行器，包括驱动机构a、驱动机构b、固定支撑和输出轴；

3、固定支撑包括支撑架和两个固定足，两个固定足对称连接在支撑架两侧，支撑架中心设有孔iii；

4、驱动机构b包括四对压电晶片、直线驱动机构和旋转驱动机构；

5、直线驱动机构包括两个输出端i、两个驱动铰链i和固定端i，两个驱动铰链i一端分别与一个输出端i固定连接，两个驱动铰链i另一端均与固定端i固定连接，固定端i中心开有孔i；

6、旋转驱动机构包括两个固定端ii、两个驱动铰链ii和输出端ii，两个驱动铰链ii一端分别与一个固定端ii固定连接，两个驱动铰链ii另一端与输出端ii固定连接，输出端ii中心开有孔ii；

7、四对压电晶片分别连接于两个驱动铰链i和两个驱动铰链ii的两侧；

8、驱动机构a与驱动机构b结构配置完全一致，并对称安装于固定支撑两侧；

9、输出轴依次穿过孔ii、孔i和孔iii，并与孔ii和孔iii摩擦接触；

10、驱动机构a和驱动机构b能够时序完成沿x轴位移或绕x轴旋转，固定支撑的介入，使得驱动机构a和驱动机构b能够驱动输出轴产生位移或旋转后，逐个回退到初始状态而不影响输出轴，不断循环重复该过程，输出轴便能实现跨尺度步进直线运动或步进旋转运动。

11、优选的，支撑架四周均布四个紧固螺纹孔i，每个固定足上均设有固定孔，用以将整个执行器固定到工作平面；

12、固定端i四周均布四个与紧固螺纹孔i对应的沉头孔i，四个紧固螺栓分别穿过沉头孔i，安装于紧固螺纹孔i内，从而将直线驱动机构与固定支撑固定连接；两个输出端i均加工有两个紧固螺纹孔ii；

13、两个固定端ii均加工有两个与紧固螺纹孔ii对应的沉头孔ii，四个紧固螺栓ii分别穿过沉头孔ii，安装于紧固螺纹孔ii内，从而将旋转驱动机构与直线驱动机构固定连接。

14、优选的，支撑架顶部和底部中心设有两个波珠螺丝孔i；两个波珠螺丝i分别安装于固定支撑顶部和底部的波珠螺丝孔i内，并与输出轴摩擦接触，波珠螺丝i用于调节固定支撑与输出轴之间的摩擦预紧力。

15、优选的，输出端ii顶部和底部中心设有两个波珠螺丝孔ii，四个波珠螺丝ii分别安装于旋转驱动机构顶部和底部的波珠螺丝孔ii内，并与输出轴摩擦接触，波珠螺丝ii用于调节旋转驱动机构与输出轴之间的摩擦预紧力。

16、优选的，直线驱动机构和旋转驱动机构均由一整块弹性金属材料整体加工而成。

17、本发明的有益效果：

18、通过两个对称布置的驱动机构和一个固定支撑，产生摩擦力/力矩差，从而利用差动式原理实现输出轴的步进直线/旋转运动。这种设计消除了现有海豹式压电步进执行器由于其钳位运动所产生的寄生位移，并且通过紧凑的结构设计，将直线驱动机构与旋转驱动机构巧妙结合，实现了直线-旋转两自由度的集成式跨尺度运动。

技术特征：

1.一种摩擦差动式两自由度仿生步进压电执行器，其特征在于：包括驱动机构a（1）、驱动机构b（4）、固定支撑（2）和输出轴（6）；

2.根据权利要求1所述的一种摩擦差动式两自由度仿生步进压电执行器，其特征在于：支撑架（28）四周均布四个紧固螺纹孔i（25），每个固定足（29）上均设有固定孔（24），用以将整个执行器固定到工作平面；

3.根据权利要求1所述的一种摩擦差动式两自由度仿生步进压电执行器，其特征在于：支撑架（28）顶部和底部中心设有两个波珠螺丝孔i（26）；两个波珠螺丝i（3）分别安装于固定支撑（2）顶部和底部的波珠螺丝孔i（26）内，并与输出轴（6）摩擦接触，波珠螺丝i（3）用于调节固定支撑（2）与输出轴（6）之间的摩擦预紧力。

4.根据权利要求1所述的一种摩擦差动式两自由度仿生步进压电执行器，其特征在于：输出端ii（21）顶部和底部中心设有两个波珠螺丝孔ii（22），四个波珠螺丝ii（9）分别安装于旋转驱动机构（10）顶部和底部的波珠螺丝孔ii（22）内，并与输出轴（6）摩擦接触，波珠螺丝ii（9）用于调节旋转驱动机构（10）与输出轴（6）之间的摩擦预紧力。

5.根据权利要求1所述的一种摩擦差动式两自由度仿生步进压电执行器，其特征在于：直线驱动机构（8）和旋转驱动机构（10）均由一整块弹性金属材料整体加工而成。

技术总结本发明公开了一种摩擦差动式两自由度仿生步进压电执行器，属于精密驱动技术领域，包括驱动机构A、驱动机构B、固定支撑和输出轴；固定支撑包括支撑架和两个固定足，两个固定足对称连接在支撑架两侧，支撑架中心设有孔III；驱动机构B包括四对压电晶片、直线驱动机构和旋转驱动机构；驱动机构A和驱动机构B能够时序完成沿X轴位移或绕X轴旋转，固定支撑的介入，使得驱动机构A和驱动机构B能够驱动输出轴产生位移或旋转后，逐个回退到初始状态而不影响输出轴，不断循环重复该过程，输出轴便能实现跨尺度步进直线运动或步进旋转运动，本发明将直线驱动机构与旋转驱动机构巧妙结合，实现了直线－旋转两自由度的集成式跨尺度运动。技术研发人员：王书鹏,姚圳,王新宝,关冲冲,旷鸣,马鑫,万洪为,潘家良,张志辉,任露泉受保护的技术使用者：吉林大学技术研发日：技术公布日：2025/1/13