CN109713934A - 一种柔顺爬行致动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔顺爬行致动机构，包括前箝位机构、运动伸缩机构、后箝位机构、位移放大机构、断电箝位机构及刚性导轨，前箝位机构、运动伸缩机构和后箝位机构的结构形式相同，前箝位机构和后箝位机构对称分布在运动伸缩机构的上下两侧，前箝位机构、运动伸缩机构和后箝位机构位于刚性导轨内，位移放大机构包括铰链一、前箝位爪及铰链二、后箝位爪，前箝位机构通过铰链一与前箝位爪相连接，后箝位机构通过铰链二与后箝位爪相连接，断电箝位机构包括铰链三和传动杆，运动伸缩机构同侧的两端对称设有传动杆。本发明通过独特的设计构造不仅具有响应速度快、方便使用、不受电磁干扰的优点，还具备了行程大、可以沿着曲线运动的特点。

Description

一种柔顺爬行致动机构

技术领域

本发明涉及微/纳米定位技术领域，具体为一种柔顺爬行致动机构。

背景技术

随着微/纳米技术的发展，众多工程技术领域的研究都迫切需要亚微米级、微/纳米级的精密定位，而大行程、高分辨率的精密定位系统所需的驱动器也必须具有大行程、高分辨率。但由于传统电磁电机需要减速装置，在微型化、高精度的发展方向上很难突破，不能适应现代精密机械的需求。随着材料科学的发展，新型智能材料为这些应用提出了新的解决方案。

智能材料因反应灵敏，易于控制，当外部刺激消除后又能迅速恢复到原始状态等优点，在非电磁原理驱动器制作中得到广泛研究和应用，尤以压电材料和磁致伸缩材料制成的驱动装置发展最为迅速。应用了压电材料的直线电机具有体积小、位移分辨率高、输出力大、响应速度快、不发热等优点，在精密定位中具有很大优势。

压电式直线电机按驱动原理不同又可分为超声谐振式、惯性式、尺蠖式。超声谐振式结构紧凑、体积小、重量轻，易实现小型化及轻量化，但由于用来驱动的摩擦力较小，所以输出力较小，同时因摩擦磨损严重，故效率与运动精度相对较低；惯性式原理及结构简单，可实现多自由度运动，但由于没有箝位机构，定位保持困难，输出力小。尺蠖式则克服了超声谐振式输出力小、效率与运动精度低以及惯性式输出力小、定位不稳定的缺点，具有输出力大、功率密度大、定位稳定等优点。

但是，目前的压电尺蠖直线电机还存在以下不足：1、体积大、结构不紧凑。2、电机稳定性低。3、电机不能断电箝位。4.只能进行直线运动，不能实现曲线运动。为此，需要设计一种新的技术方案给予解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔顺爬行致动机构，通过独特的设计构造不仅具有响应速度快、结构简单、易于加工、方便使用、不受电磁干扰的优点，还具备了行程大、可以沿着曲线运动的特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种柔顺爬行致动机构，包括前箝位机构、运动伸缩机构、后箝位机构、位移放大机构、断电箝位机构及刚性导轨，所述前箝位机构、运动伸缩机构和后箝位机构的结构形式相同，所述前箝位机构和后箝位机构对称分布在运动伸缩机构的上下两侧，所述前箝位机构、运动伸缩机构和后箝位机构位于刚性导轨内，所述位移放大机构包括铰链一、前箝位爪及铰链二、后箝位爪，所述前箝位机构通过铰链一与前箝位爪相连接，所述后箝位机构通过铰链二与后箝位爪相连接，所述断电箝位机构包括铰链三和传动杆，所述运动伸缩机构同侧的两端对称设有传动杆，所述传动杆一端与运动伸缩机构转动连接且另一端通过铰链三转动连接。

作为上述技术方案的改进，所述前箝位机构、运动伸缩机构和后箝位机构均为一种受到外部激励可产生伸缩的智能材料机构。

作为上述技术方案的改进，所述刚性导轨为槽型导轨，所述前箝位机构和后箝位机构的平行方向与刚性导轨的长度方向垂直，所述运动伸缩机构的平行方向与导轨的长度方向平行。

作为上述技术方案的改进，所述前箝位爪、后箝位爪分别与运动伸缩机构转动连接，所述前箝位爪、后箝位爪与运动伸缩机构的连接处设有铰链四。

作为上述技术方案的改进，所述传动杆的表面设有支撑轴承，所述支撑轴承与刚性导轨接触连接。

作为上述技术方案的改进，所述柔顺爬行致动机构向前运动一步的过程为：

1)运动伸缩机构处于自由释放状态，外部激励前箝位机构、后箝位机构伸长，前箝位爪、后箝位爪卡紧在刚性导轨中；

2)外部激励前箝位机构电压降低，前箝位机构收缩，前箝位爪与刚性导轨脱离；

3)外部激励运动伸缩机构，中间的运动伸缩机构伸长，并推动前箝位机构向前移动；

4)爬行机构前进结束，外部激励前箝位机构电压提高，前箝位机构伸长，前箝位爪卡紧在刚性导轨中；

5)外部激励后箝位机构电压降低，后箝位机构收缩，后箝位爪与刚性导轨脱离；

6)外部激励运动伸缩机构电压降低，中间的运动伸缩机构收缩，但比初始状态长，并带动后箝位机构向前移动，移动量为中间伸缩机构收缩量；

7)外部激励后箝位机构提高，后箝位机构伸长，后箝位爪卡紧在刚性导轨中。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明不仅具有响应速度快、结构简单、易于加工、方便使用、不受电磁干扰的优点，相对于一般的尺蠖型压电直线电机和一些其他智能材料制成的直线电机，它还具备了行程大、可以沿着曲线运动的特点，断电箝位机构赋予了本发明安全可靠的性能。

2、本发明独特的设计构造消除了运动产生的间隙问题，克服了重力给精密定位带来的误差，因此这种新型电机在微位移机械系统、微位移定位、光学精密仪器、航空航天控制等领域中具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明所述柔顺爬行致动机构俯视结构示意图；

图2为本发明所述柔顺爬行致动机构前视结构示意图；

图3为本发明所述前箝位机构结构示意图；

图4为本发明所述后箝位机构结构示意图；

图5为本发明所述柔顺爬行致动机构沿曲线运动结构示意图；

图6为本发明所述柔顺爬行致动机构工作原理结构示意图。

图中：前箝位机构-1，运动伸缩机构-2，后箝位机构-3，位移放大机构-4，断电箝位机构-5，刚性导轨-6，铰链一-7，前箝位爪-8，铰链二-9，后箝位爪-10，铰链三-11，传动杆-12，铰链四-13，支撑轴承-14。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1-6本发明提供一种技术方案：一种柔顺爬行致动机构，包括前箝位机构1、运动伸缩机构2、后箝位机构3、位移放大机构4、断电箝位机构5及刚性导轨6，所述前箝位机构1、运动伸缩机构2和后箝位机构3的结构形式相同，所述前箝位机构1和后箝位机构3对称分布在运动伸缩机构2的上下两侧，所述前箝位机构1、运动伸缩机构2和后箝位机构3位于刚性导轨6内，所述位移放大机构4包括铰链一7、前箝位爪8及铰链二9、后箝位爪10，所述前箝位机构1通过铰链一7与前箝位爪8相连接，所述后箝位机构3通过铰链二9与后箝位爪10相连接，所述断电箝位机构5包括铰链三11和传动杆12，所述运动伸缩机构2同侧的两端对称设有传动杆12，所述传动杆12一端与运动伸缩机构2转动连接且另一端通过铰链三11转动连接。

进一步改进地，如图1所示：所述前箝位机构1、运动伸缩机构2和后箝位机构3均为一种受到外部激励可产生伸缩的智能材料机构，便于通过控制电压的高低来控制前箝位机构1、运动伸缩机构2和后箝位机构3的伸缩，控制更加方便，智能材料伸缩机构产生的微位移，通过位移放大机构4放大后，转换为箝位爪的运动。

进一步改进地，如图1所示：所述刚性导轨6为槽型导轨，所述前箝位机构1和后箝位机构3的平行方向与刚性导轨6的长度方向垂直，所述运动伸缩机构2的平行方向与导轨的长度方向平行，通过采用槽型导轨设计的刚性导轨6，方便前箝位机构1和后箝位机构3进行固定。

进一步改进地，如图1所示：所述前箝位爪8、后箝位爪10分别与运动伸缩机构2转动连接，所述前箝位爪8、后箝位爪10与运动伸缩机构2的连接处设有铰链四13，通过在运动伸缩机构2的边缘处设有转动连接的前箝位爪8和后箝位爪10，方便爬行致动机构收缩转动。

进一步改进地，如图2所示：所述传动杆12的表面设有支撑轴承14，所述支撑轴承14与刚性导轨6接触连接，通过在传动杆12的表面设有支撑轴承14，方便对爬行致动机构进行支撑。

进一步改进地，如图3-4所示：所述柔顺爬行致动机构向前运动一步的过程为：

1)运动伸缩机构2处于自由释放状态，外部激励前箝位机构1、后箝位机构3伸长，前箝位爪8、后箝位爪10卡紧在刚性导轨6中；

2)外部激励前箝位机构1电压降低，前箝位机构1收缩，前箝位爪8与刚性导轨6脱离；

3)外部激励运动伸缩机构2，中间的运动伸缩机构2伸长，并推动前箝位机构1向前移动；

4)爬行机构前进结束，外部激励前箝位机构1电压提高，前箝位机构1伸长，前箝位爪8卡紧在刚性导轨6中；

5)外部激励后箝位机构3电压降低，后箝位机构3收缩，后箝位爪10与刚性导轨6脱离；

6)外部激励运动伸缩机构2电压降低，中间的运动伸缩机构2收缩，但比初始状态长，并带动后箝位机构3向前移动，移动量为中间伸缩机构收缩量；

7)外部激励后箝位机构3提高，后箝位机构3伸长，后箝位爪10卡紧在刚性导轨6中。

实施例1

本发明在通电工作时，外部激励前箝位机构1、后箝位机构3伸长，前箝位爪8、后箝位爪10卡紧在刚性导轨6中，使爬行致动机构固定在刚性导轨6内，然后降低外部激励前箝位机构1的电压，前箝位机构1收缩，前箝位爪8与刚性导轨6脱离，同时外部激励运动伸缩机构2，中间的运动伸缩机构2伸长，断电箝位机构5脱离刚性导轨6，并推动前箝位机构1向前移动，运动结束后外部激励前箝位机构1电压提高，前箝位机构1伸长，前箝位爪8卡紧在刚性导轨6中，再降低外部激励后箝位机构3的电压，后箝位机构3收缩，后箝位爪10与刚性导轨6脱离，同时降低外部激励运动伸缩机构2的电压，中间的运动伸缩机构2收缩，带动后箝位机构3向前移动，最后提高外部激励后箝位机构3的电压，后箝位机构3伸长，后箝位爪10卡紧在刚性导轨6中，完成依次爬行动作，输入的激励电压时高时低，但不会低于一个幅值，运动伸缩机构2随着激励电压伸缩，但始终比初始状态时的运动伸缩机构2长，使得断电箝位机构4不会卡紧在刚性导轨6壁，整个柔顺爬行致动机构能顺畅地运行，重复上述步骤即可实现较大的位移，通过计算机设计的程序，调整电压控制器输入给电机的激励电压相位等参数，可以有效地控制前、后箝位机构3微位移方向和大小，通过位移放大机构4，改变前、后箝位爪10转动的角度，从而高效地控制整个电机运行地方向，进行转弯等曲线运动，并且调整电源输入电机激励电压的类型、频率、幅值等参数，能可有效地控制和调整电机的运动速度、方向和步长等特性。

实施例2

本发明在通电工作时，运动伸缩机构2伸长，两根传动杆12张开角度变大，使断电箝位机构5脱离刚性导轨6，在工作时输入的激励电压时高时低，但不会低于一个幅值，运动伸缩机构2随着激励电压伸缩，但始终比初始状态时的运动伸缩机构2长，使得断电箝位机构5不会卡紧在刚性导轨6壁，整个柔顺爬行致动机构能顺畅地运行，在断电时，运动伸缩机构2处于初始状态，断电箝位机构5卡紧在刚性导轨4上。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种柔顺爬行致动机构，包括前箝位机构(1)、运动伸缩机构(2)、后箝位机构(3)、位移放大机构(4)、断电箝位机构(5)及刚性导轨(6)，其特征在于：所述前箝位机构(1)、运动伸缩机构(2)和后箝位机构(3)的结构形式相同，所述前箝位机构(1)和后箝位机构(3)对称分布在运动伸缩机构(2)的上下两侧，所述前箝位机构(1)、运动伸缩机构(2)和后箝位机构(3)位于刚性导轨(6)内，所述位移放大机构(4)包括铰链一(7)、前箝位爪(8)及铰链二(9)、后箝位爪(10)，所述前箝位机构(1)通过铰链一(7)与前箝位爪(8)相连接，所述后箝位机构(3)通过铰链二(9)与后箝位爪(10)相连接，所述断电箝位机构(5)包括铰链三(11)和传动杆(12)，所述运动伸缩机构(2)同侧的两端对称设有传动杆(12)，所述传动杆(12)一端与运动伸缩机构(2)转动连接且另一端通过铰链三(11)转动连接。

2.根据权利要求1所述的一种柔顺爬行致动机构，其特征在于：所述前箝位机构(1)、运动伸缩机构(2)、后箝位机构(3)均为一种受到外部激励可产生伸缩的智能材料机构。

3.根据权利要求1所述的一种柔顺爬行致动机构，其特征在于：所述刚性导轨(6)为槽型导轨，所述前箝位机构(1)和后箝位机构(3)的平行方向与刚性导轨(6)的长度方向垂直，所述运动伸缩机构(2)的平行方向与导轨的长度方向平行。

4.根据权利要求1所述的一种柔顺爬行致动机构，其特征在于：所述前箝位爪(8)、后箝位爪(10)分别与运动伸缩机构(2)转动连接，所述前箝位爪(8)、后箝位爪(10)与运动伸缩机构(2)的连接处设有铰链四(13)。

5.根据权利要求1所述的一种柔顺爬行致动机构，其特征在于：所述传动杆(12)的表面设有支撑轴承(14)，所述支撑轴承(14)与刚性导轨(6)接触连接。

6.根据权利要求1所述的一种柔顺爬行致动机构，其特征在于：所述柔顺爬行致动机构向前运动一步的过程为：

1)运动伸缩机构(2)处于自由释放状态，外部激励前箝位机构(1)、后箝位机构(3)伸长，前箝位爪(8)、后箝位爪(10)卡紧在刚性导轨(6)中；

2)外部激励前箝位机构(1)电压降低，前箝位机构(1)收缩，前箝位爪(8)与刚性导轨(6)脱离；

3)外部激励运动伸缩机构(2)，中间的运动伸缩机构(2)伸长，并推动前箝位机构(1)向前移动；

4)爬行机构前进结束，外部激励前箝位机构(1)电压提高，前箝位机构(1)伸长，前箝位爪(8)卡紧在刚性导轨(6)中；

5)外部激励后箝位机构(3)电压降低，后箝位机构(3)收缩，后箝位爪(10)与刚性导轨(6)脱离；

6)外部激励运动伸缩机构(2)电压降低，中间的运动伸缩机构(2)收缩，但比初始状态长，并带动后箝位机构(3)向前移动，移动量为中间伸缩机构收缩量；

7)外部激励后箝位机构(3)提高，后箝位机构(3)伸长，后箝位爪(10)卡紧在刚性导轨(6)中。