压电驱动流体动耦合软体驱动器设计理论与关键技术研究

The project aims to develop a flexible displacement actuator by using piezoelectric vibrator, inertial fluid, flexible structure and elastic adjustment mechanism. Under the excitation of piezoelectric vibrator, system resonance causes the significant volume change of actuator chamber. Through the conversion of special structure of the flexible diaphragm, the directed displacement output of the actuator is realized. The project intends to study its basic theory and constitution methods, proven the relationship between the dielectric properties of each components and the dynamic system, and reveal the law of rigid-flexible-fluid coupling effect and the transducer process. After solving the key technology problem of resonance stability and sustained maintain of the system, the prototype of hydrodynamic coupling flexible actuator with use value is finally developed. Based on the theoretical and experimental research, the hydrodynamic coupling flexible actuator constructed by the resonance methods will be confirmed to be feasible. As a result of the resonance condition, the piezoelectric vibrator of hydrodynamic coupling actuator provides only the vibration and not with the direct displacement output, the displacement amplification of flexible structure is implemented by the fluid vibration, which combines the both advantages of traditional piezoelectric actuators and fluid-driven flexible actuators. The flexible actuator based on the above methods is first proposed by this project, and the preliminary basic studies have been carried out. Up to now, the same researches have not been reported both at home and abroad.

本项目开发一种利用压电振子、惯性流体、软体结构及弹性调整机构构成的软体位移驱动器，在压电振子的激励下系统谐振引起驱动器腔体容积发生大幅变化，通过软体隔膜的特殊结构的转换，实现位移的定向输出。研究其基本理论与构成方法，探明各组成部分的介质特性与所构成系统的动力学关系，揭示刚-柔-液耦合作用机理及换能过程的基本规律，解决系统共振稳定与持久维持等关键技术问题，开发出具有使用价值的流体动耦合软体驱动器样机，从理论与试验两方面说明以共振方式构造流体动耦合软体驱动器是可行的。由于在共振状态下工作，流体动耦合驱动器中压电振子仅提供振动激励而不直接输出位移，通过带动流体振动实现柔性结构的位移放大，因而兼具传统压电驱动器与流体驱动式柔性驱动器的优点。这种软体驱动器构成方式由本项目首先提出，已开始基础研究，目前国内外均未见有相同方式软体驱动器的研究报道。

提出一种新型的压电驱动式软体驱动装置，以压电柔顺结构作为提供核心驱动的动力源，通过惯性流体传递并转换振动，形成流-固耦合谐振系统，将压电振子的小幅度振动转化为流体的大幅度振动，再结合软体隔膜柔性变形所形将位移二次放大，这种利用刚-柔-液耦合调控位移输出能力的新型压电换能装置为软体驱动装置提供了崭新的方法。项目从压电驱动软体换能装置的原理与方法出发，着重研究了其中涉及的各耦合单元对输出性能的影响规律，以及系统的动力过程。制作原理样机，实验结果表明所提出的耦合驱动装置具有明显的位移放大能力，放大比超过20倍，且输出模式由软体结构的运动模态决定，从理论与试验两方面说明以共振方式构造流体动耦合软体驱动器是可行的。根据需求，研究了圆环形压电振子、压电粗纤维振子及非线性预应力压电振子等多种振子结构，对驱动性能进行了深入的分析。在此基础上，结合仿生学原理构造了一系列新型的压电步进驱动装置，包括行走装置、直线驱动器和旋转驱动器等，制作样机并用试验验证了各驱动器的位移输出能力，新型驱动器具有结构简单、控制灵活和便于规模集成制造等方面的优点。项目研究对柔顺系统与软体机器人的的发展具有十分重要的理论意义和应用价值。