本發(fā)明涉及壓電驅(qū)動(dòng)，尤其涉及一種五自由度壓電致動(dòng)器及其多軸運(yùn)動(dòng)解耦激勵(lì)方法。

背景技術(shù)：

1、壓電驅(qū)動(dòng)是一種利用功能材料逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能至機(jī)械能轉(zhuǎn)換的先進(jìn)致動(dòng)技術(shù)，具備響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)精度高、無(wú)電磁干擾等突出優(yōu)勢(shì)，逐漸在半導(dǎo)體制造、機(jī)器人、光學(xué)、微納探測(cè)、精細(xì)操作等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

2、壓電致動(dòng)器是實(shí)施壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的核心技術(shù)載體，常見有壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器、壓電雙晶驅(qū)動(dòng)器、壓電管驅(qū)動(dòng)器等典型方案。其中，利用本體彎曲來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作輸出是一種典型方式，例如壓電雙晶驅(qū)動(dòng)器利用壓電元件與彈性體組成復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用壓電元件在外部電信號(hào)激勵(lì)下的伸縮變形引起整體的彎曲運(yùn)動(dòng)；壓電管則通過(guò)分區(qū)極化處理和不同區(qū)域內(nèi)反向激勵(lì)的方式產(chǎn)生彎曲運(yùn)動(dòng)。

3、然而，當(dāng)壓電雙晶、壓電管等驅(qū)動(dòng)器在彎曲時(shí)，其自由輸出端的運(yùn)動(dòng)同時(shí)包含平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不能做到平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的完全解耦。

4、完全解耦的平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)因其具有運(yùn)動(dòng)和操作的獨(dú)立性，可被用于微操作、主動(dòng)光學(xué)調(diào)控等領(lǐng)域中。但目前常用的壓電致動(dòng)器難以同時(shí)產(chǎn)生完全解耦的多軸純平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，無(wú)法滿足這些領(lǐng)域的靈活性要求。

5、綜上所述，如何對(duì)現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器本體及激勵(lì)方法進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，從而產(chǎn)生多軸解耦的平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是目前壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了一種五自由度壓電致動(dòng)器及其多軸運(yùn)動(dòng)解耦激勵(lì)方法，解決了現(xiàn)有壓電驅(qū)動(dòng)器難以同時(shí)產(chǎn)生完全解耦的多軸純平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，無(wú)法滿足微操作、主動(dòng)光學(xué)調(diào)控等領(lǐng)域的靈活性要求的問(wèn)題。

2、本發(fā)明所述的一種五自由度壓電致動(dòng)器，其技術(shù)方案如下：

3、所述壓電致動(dòng)器包括上部壓電致動(dòng)模塊、中間壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊；

4、所述上部壓電致動(dòng)模塊的底端與中間壓電致動(dòng)模塊的頂端固定連接；

5、所述中間壓電致動(dòng)模塊的底端與下部壓電致動(dòng)模塊的頂端固定連接；

6、所述上部壓電致動(dòng)模塊用于在電信號(hào)激勵(lì)下獨(dú)立產(chǎn)生沿x軸方向或y軸方向的彎曲運(yùn)動(dòng)；

7、所示中間壓電致動(dòng)模塊用于在電信號(hào)激勵(lì)下獨(dú)立產(chǎn)生沿z軸方向的伸縮運(yùn)動(dòng)；

8、所示下部壓電致動(dòng)模塊用于在電信號(hào)激勵(lì)下獨(dú)立產(chǎn)生沿x軸方向或y軸方向的彎曲運(yùn)動(dòng)；

9、所述上部壓電致動(dòng)模塊、中間壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊用于通過(guò)運(yùn)動(dòng)耦合補(bǔ)償?shù)姆绞?，在壓電致?dòng)器的頂端面輸出五自由度解耦運(yùn)動(dòng)；

10、所述五自由度解耦運(yùn)動(dòng)包括沿x軸方向的直線解耦運(yùn)動(dòng)、沿y軸方向的直線解耦運(yùn)動(dòng)、沿z軸方向的直線解耦運(yùn)動(dòng)、繞x軸方向的旋轉(zhuǎn)解耦運(yùn)動(dòng)以及繞y軸方向的旋轉(zhuǎn)解耦運(yùn)動(dòng)。

11、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述上部壓電致動(dòng)模塊、中間壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊的水平截面外輪廓的形狀相同，且邊緣對(duì)齊。

12、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述上部壓電致動(dòng)模塊、中間壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊的水平截面外輪廓為圓形或多邊形。

13、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述上部壓電致動(dòng)模塊、中間壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊中的任意一個(gè)為中空結(jié)構(gòu)。

14、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述上部壓電致動(dòng)模塊包括一號(hào)上部壓電致動(dòng)單元、二號(hào)上部壓電致動(dòng)單元、三號(hào)上部壓電致動(dòng)單元和四號(hào)上部壓電致動(dòng)單元，四者沿圓周方向均勻分布，并通過(guò)首尾相連方式固定連接；

15、所述中間壓電致動(dòng)模塊為整體式的壓電致動(dòng)單元；

16、所述下部壓電致動(dòng)模塊包括一號(hào)下部壓電致動(dòng)單元、二號(hào)下部壓電致動(dòng)單元、三號(hào)下部壓電致動(dòng)單元和四號(hào)下部壓電致動(dòng)單元，四者沿圓周方向均勻分布，并通過(guò)首尾相連方式固定連接。

17、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述一號(hào)上部壓電致動(dòng)單元、二號(hào)上部壓電致動(dòng)單元、三號(hào)上部壓電致動(dòng)單元以及四號(hào)上部壓電致動(dòng)單元分別用于在電信號(hào)激勵(lì)下獨(dú)立產(chǎn)生伸縮或彎曲變形，以使上部壓電致動(dòng)模塊產(chǎn)生沿x軸方向或y軸方向的彎曲運(yùn)動(dòng)；

18、所述一號(hào)下部壓電致動(dòng)單元、二號(hào)下部壓電致動(dòng)單元、三號(hào)下部壓電致動(dòng)單元以及四號(hào)下部壓電致動(dòng)單元分別用于在電信號(hào)激勵(lì)下獨(dú)立產(chǎn)生伸縮或彎曲變形，以使下部壓電致動(dòng)模塊產(chǎn)生沿x軸方向或y軸方向的彎曲運(yùn)動(dòng)。

19、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，所述一號(hào)上部壓電致動(dòng)單元、二號(hào)上部壓電致動(dòng)單元、三號(hào)上部壓電致動(dòng)單元、四號(hào)上部壓電致動(dòng)單元、一號(hào)下部壓電致動(dòng)單元、二號(hào)下部壓電致動(dòng)單元、三號(hào)下部壓電致動(dòng)單元、四號(hào)下部壓電致動(dòng)單元以及中間壓電致動(dòng)模塊為包含壓電屬性材質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

20、本發(fā)明還提出了一種五自由度壓電致動(dòng)器的多軸運(yùn)動(dòng)解耦激勵(lì)方法，其技術(shù)方案如下：

21、所述方法用于激勵(lì)上述的一種五自由度壓電致動(dòng)器；所述方法包括：

22、實(shí)現(xiàn)沿x軸方向的直線解耦運(yùn)動(dòng)的步驟：

23、采用多路電信號(hào)同時(shí)激勵(lì)上部壓電致動(dòng)模塊、中間壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊，使上部壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊分別產(chǎn)生沿x軸方向的相反方向的彎曲運(yùn)動(dòng)，使中間壓電致動(dòng)模塊產(chǎn)生沿z軸方向的伸縮運(yùn)動(dòng)；

24、通過(guò)上部壓電致動(dòng)模塊的彎曲運(yùn)動(dòng)和中間壓電致動(dòng)模塊的伸縮運(yùn)動(dòng)，對(duì)部壓電致動(dòng)模塊的彎曲運(yùn)動(dòng)引起的偏轉(zhuǎn)角度和z向位移進(jìn)行耦合補(bǔ)償，在壓電致動(dòng)器的頂

25、端面產(chǎn)生沿x軸方向的直線解耦運(yùn)動(dòng)；

26、實(shí)現(xiàn)沿y軸方向的直線解耦運(yùn)動(dòng)的步驟：

27、采用多路電信號(hào)同時(shí)激勵(lì)上部壓電致動(dòng)模塊、中間壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊，使上部壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊分別產(chǎn)生沿y軸方向的相反方向的彎曲運(yùn)動(dòng)，使中間壓電致動(dòng)模塊產(chǎn)生沿z軸方向的伸縮運(yùn)動(dòng)；

28、通過(guò)上部壓電致動(dòng)模塊的彎曲運(yùn)動(dòng)和中間壓電致動(dòng)模塊的伸縮運(yùn)動(dòng)，對(duì)下部壓電致動(dòng)模塊的彎曲運(yùn)動(dòng)引起的偏轉(zhuǎn)角度和z向位移進(jìn)行耦合補(bǔ)償，在壓電致動(dòng)器的

29、頂端面產(chǎn)生沿y軸方向的直線解耦運(yùn)動(dòng)；

30、實(shí)現(xiàn)沿z軸方向的直線解耦運(yùn)動(dòng)的步驟：

31、采用多路電信號(hào)同時(shí)或分別激勵(lì)上部壓電致動(dòng)模塊、中間壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊，使上部壓電致動(dòng)模塊、中間壓電致動(dòng)模塊以及下部壓電致動(dòng)模塊分別產(chǎn)生沿z軸方向的伸縮運(yùn)動(dòng)，在壓電致動(dòng)器的頂端面產(chǎn)生沿z軸方向的直線解耦

32、運(yùn)動(dòng)；

33、實(shí)現(xiàn)繞y軸方向的旋轉(zhuǎn)解耦運(yùn)動(dòng)的步驟：

34、采用多路電信號(hào)同時(shí)激勵(lì)上部壓電致動(dòng)模塊、中間壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊，使上部壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊分別產(chǎn)生沿x軸方向的相反方向的彎曲運(yùn)動(dòng)且上部壓電致動(dòng)模塊產(chǎn)生的彎曲幅度更大，使中間壓電致動(dòng)模塊產(chǎn)生沿z軸方向的伸縮運(yùn)動(dòng)；

35、通過(guò)上部壓電致動(dòng)模塊的彎曲運(yùn)動(dòng)和中間壓電致動(dòng)模塊的伸縮運(yùn)動(dòng)，對(duì)下部壓電致動(dòng)模塊的彎曲運(yùn)動(dòng)引起的x向位移和z向位移進(jìn)行耦合補(bǔ)償，在壓電致動(dòng)器的

36、頂端面產(chǎn)生繞y軸方向的旋轉(zhuǎn)解耦運(yùn)動(dòng)；

37、實(shí)現(xiàn)繞x軸方向的旋轉(zhuǎn)解耦運(yùn)動(dòng)的步驟：

38、采用多路電信號(hào)同時(shí)激勵(lì)上部壓電致動(dòng)模塊、中間壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊，使上部壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊分別產(chǎn)生沿y軸方向的相反方向的彎曲運(yùn)動(dòng)且上部壓電致動(dòng)模塊產(chǎn)生的彎曲幅度更大，使中間壓電致動(dòng)模塊產(chǎn)生沿z軸方向的伸縮運(yùn)動(dòng)；

39、通過(guò)上部壓電致動(dòng)模塊的彎曲運(yùn)動(dòng)和中間壓電致動(dòng)模塊的伸縮運(yùn)動(dòng)，對(duì)下部壓電致動(dòng)模塊的彎曲運(yùn)動(dòng)引起的y向位移和z向位移進(jìn)行耦合補(bǔ)償，在壓電致動(dòng)器的頂端面產(chǎn)生繞x軸方向的旋轉(zhuǎn)解耦運(yùn)動(dòng)。

40、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，用于激勵(lì)上部壓電致動(dòng)模塊、中間壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊的多路電信號(hào)的時(shí)序保持同步、幅值保持給定的比例關(guān)系。

41、進(jìn)一步的，提供一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，用于激勵(lì)上部壓電致動(dòng)模塊、中間壓電致動(dòng)模塊和下部壓電致動(dòng)模塊的多路電信號(hào)為直流、正弦波、方波、三角波或其它任意波形信號(hào)。

42、本發(fā)明有以下有益效果：

43、1.本發(fā)明所述的一種五自由度壓電致動(dòng)器，采用上部、中間和下部壓電致動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)疊加組合，通過(guò)設(shè)計(jì)施加在三個(gè)壓電致動(dòng)模塊的電信號(hào)時(shí)序、幅值等參數(shù)，協(xié)調(diào)三個(gè)壓電致動(dòng)模塊的變形動(dòng)作，使壓電致動(dòng)器頂端面產(chǎn)生的多軸直線和旋轉(zhuǎn)耦合運(yùn)動(dòng)得以補(bǔ)償，最終產(chǎn)生純直線或純旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了多自由度直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的解耦生成。

44、2.本發(fā)明所述的一種五自由度壓電致動(dòng)器，相比于傳統(tǒng)單自由度動(dòng)作的壓電疊堆、壓電雙晶梁等典型致動(dòng)器方案，本發(fā)明所提出的壓電致動(dòng)器擁有更多運(yùn)動(dòng)自由度，在實(shí)現(xiàn)多維精密驅(qū)動(dòng)、定位、操作等應(yīng)用中具備更高的靈活度。

45、本發(fā)明所述的一種五自由度壓電致動(dòng)器及其多軸運(yùn)動(dòng)解耦激勵(lì)方法，適用于同時(shí)產(chǎn)生完全解耦的五自由度的多軸純平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可應(yīng)用于微操作、主動(dòng)光學(xué)調(diào)控等領(lǐng)域。