尺蠖式压电陶瓷电机的双模式驱动器开发与研究

尺蠖式压电陶瓷电机具有小尺寸,长行程,纳米级定位和大推力的特性,被广泛应用于集成电路装备和精密运动平台中。然而目前受其驱动器约束,难以实现长行程运动时高精度定位、位移可控和速度可控,因而无法应用到具有高推力、高速度和长行程纳米级精度定位的集成电路7 nm工艺IC芯片检测装备中。提出并开发了一种双模式驱动器,基于电荷效应和应力效应原理分别建立了位移-电压和速度-频率的控制模型。采用滑模控制的方法解决了在双模式驱动器大电压输出时的纹波问题,提高了尺蠖式压电陶瓷电机输出的位移分辨率。通过实验对双模式驱动器进行了硬件性能和控制模式验证,同时验证了尺蠖式压电陶瓷电机的运动特性。

尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究

针对空间环境下小型抓取操作机构对新型作动器的使用需求,考虑压电作动器具有耐温范围宽、无电磁干扰及断电自锁等特点,仿照昆虫尺蠖的行走方式设计一种新型压电线性作动器。首先,利用柔性铰链式位移放大机构放大压电陶瓷(Pb-Zr-Ti,简称PZT)叠堆的输出位移,以增大线性作动器的移动步长及对导轨的夹紧变形量,将多个压电陶瓷叠堆器件分为3组,分别作为尺蠖式压电线性作动器的2个夹持单元和1个推进单元的激励源,以获得较大的驱动力并进一步增大作动器的移动步长;其次,借助有限元仿真分析软件,研究压电陶瓷叠堆力电耦合行为的预测方法,并实验验证该方法的可行性;然后,简化柔性铰链式位移放大机构,提出放大倍数的数值分析方法,对位移放大机构在压电陶瓷叠堆作动方向上的刚度进行仿真分析,并验证放大倍数的数值分析方法的准确性;最后,基于设计的线性作动器开展实验研究。结果表明:位移放大机构对压电陶瓷叠堆输出位移的放大倍数为7.3,处于理论值与仿真值之间;在激励电压频率为5 Hz时,作动器的最大空载移动速度为413μm/s;作动器的最大推动力为16 N,对应的驱动速度为19μm/s。以上研究结果能为小型抓取操作机构的智能驱动提供技术支持。

仿尺蠖式气压驱动管道清洁机器人的设计

设计了一种用于管道清洁的气压驱动机器人,机器人由清洁作业单元、纵向驱动单元、横向支撑单元和气压系统四部分组成。清洁作业单元利用气压马达驱动合金刀头旋转,清洁管道内壁;纵向驱动单元由两套相同的驱动模块构成,两套相同的驱动模块通过万向虎克铰连接,带动整个机器人沿管道内壁运动;横向支撑单元通过滑轮与管道内壁接触,为清洁作业单元和纵向驱动单元提供支撑力;气压系统为整个机器人的工作提供动力源和控制信号。提出了机器人的仿尺蠖式运动方式,整套机器人机构简单、设计可靠,可以实现远距离、复杂工况的管道内壁的清洁工作。

基于槽钹形压电复合驱动的仿尺蠖式微型管道机器人

设计了一种基于槽钹形压电复合驱动的仿尺蠖爬行式微型管道机器人.该机器人包括两个Φ8mm槽钹形压电复合驱动器和一个爬行定位系统,能够在Φ10mm的曲线形管道中自主定位爬行.槽钹形压电复合驱动器驱动能力为自重的4倍,最大爬行速度为41mm/s,爬行定位系统提供了机器人爬行步距的测量,通过实验验证整个爬行系统的定位误差仅为4‰.

竖式高精度压电尺蠖式位移致动器

介绍了一种结构简单,易装配的竖式高精度压电尺蠖式位移致动器,阐述了致动器的工作原理和结构形式。致动器采用叠堆式压电陶瓷作为驱动,利用柔性铰链作为箝位,能可靠地实现光轴的双向运动。位移分辨率可达到纳米级别,步距可在纳米级至微米级间任意选择。

一种结构简单的高精度压电尺蠖式位移致动器

介绍了一种结构简单、易装配的高精度压电尺蠖式位移致动器,阐述了致动器的工作原理和结构。致动器采用叠堆式压电陶瓷作为驱动,利用柔性铰链作为位移放大机构,能够可靠地实现光轴的双向运动。位移分辨率可以达到纳米级别,步距可以在几纳米至几毫米之间任意选择。

桥梁高墩尺蠖式液压自升降模架施工技术

尺蠖属于无脊椎动物,昆虫纲,鳞翅目,是尺蛾科昆虫幼虫的统称。其运动时以触手和基盘接触物体表面成为两个附着点,然后触手或基盘向另一附着点移动,固定后再次移动另一固着点,如此反复运动。近年来,随着我国高速公路基础设施建设的快速发展,跨越沟谷、河流的桥梁墩柱采用高墩的结构形式越来越多,高度不断增高。为了加快施工进度、提高施工质量、节约施工成本和保障施工安全,施工方法的探讨一直方兴未艾。目前,桥梁高墩柱施工技术主要有液压滑模、翻模、爬架翻模及液压爬架翻模等,但均不同程度存在工程质量不易保证、施工进度缓慢、安全风险较大及施工成本较高等缺点。根据尺蠖的运动特点,介绍了桥梁高墩尺蠖式液压自升降模架施工技术,为相关施工企业提供借鉴。

多足箝位式压电直线电机的研究

提出一种基于尺蠖式原理的多足箝位式压电直线电机。对电机的工作原理和机械结构进行介绍和分析,给出了该电机输出力的计算公式,并对电机进行了试验研究。该电机有效降低了该类驱动器的加工和装配的要求,增强了电机运行的稳定性。

微型仿生肠道内窥镜机器人的设计与实验

根据当前胃肠道内窥镜自主运动机器人的研究方向,设计了一种微型的肠道内窥镜机器人系统。机器人采用仿尺蠖式的运动步态,通过直流无刷电机驱动驻留-伸缩-驻留式的结构实现主动运动。整体采用模块化设计,主要包括驻留机构、伸缩机构、电路控制系统以及无线供能模块。对机器人结构模型进行了理论探讨,介绍了电路控制系统的设计,以及无线供能模块的构成。最终的机器人样机直径约为14 mm,整体长度约为61 mm。机器人在PVC柔性管道和猪小肠离体爬行实验中运行稳定可靠,能够实现前进、退后和停留等步态。实验结果表明该微型仿生肠道内窥镜机器人在肠道内可以实现主动运动。

螺旋箝位双向大推力压电直线作动器研究

设计了一种基于螺旋箝位原理的尺蠖式压电直线作动器,它可实现大推力、大行程双向作动。阐述了螺旋箝位运动原理,进行作动器的结构设计。通过ANSYS有限元仿真分析了箝位力对端面的影响,并对力矩电机主轴进行强度校核,分析了计算力矩电机转速与压电叠堆驱动频率的匹配关系。最后,搭建实验测试系统。结果表明,该作动器在叠堆驱动电压为150 V、频率100 Hz、电机转速150 r/min时,获得最大推力为190 N,行程可达60 mm。