面向机器人的啮合式压电执行器工作机理和实验研究

Focusing on the low energy conversion efficiency of piezoelectric actuator at present, a new meshing linear piezoelectric actuator for electrical drive of smart end-effector of small robots is presented in this project and its mechanism is studied to realize high thrust density and energy conversion efficiency under the constrain of plate type structure. The main contents of research are as follows: 1) realizing the electromechanical energy conversion system of “piezoelectricity-structure-gap resonance” and formulating the nonlinear dynamic models of electromechanical coupling, 2) formulating mathematical models of output movement and thrust mechanism of the meshing piezoelectric actuator, 3) solving and simulating the above models by chaotic dynamic theory and boundary element method, finding approach to improve energy conversion efficiency and thrust density and optimize the design of piezoelectric component and actuator system, 4) making prototype of the actuator and presenting methods to test and assess the primary thrust and energy parameters of the actuator, 5) proceeding the electrical drive research and studying the principle of self-actuation drive of the actuator and its control method. Hybrid energy conversion method which combines strain energy and kinetic energy of piezoelectric component is studied firstly in this project and prospecting for embedded micro piezoelectric actuator for end-effector of robots that fit the fields like agriculture, service, health-care and electronics manufacture.

本项目针对目前压电执行器能量转换效率不高问题，面向轻小型机器人灵巧末端执行器电驱动需求，提出并研究一种新型的啮合式直线型压电执行器原理方案，研究目标是实现卧式结构尺寸限制下，推力密度大，能量转换效率高。. 主要研究以下几方面内容：1）实现“压电-结构-间隙共振”电-机能量转换系统，并建立机电耦合非线性动力学模型，2）实现并公式化刻画啮合式压电执行器输出运动和推力机理，3）基于混沌动力学理论和边界元求解方法对上述模型进行求解和计算机仿真，获得提高能量转换效率和推力密度，优化压电元件和执行器系统设计的途径，4）制作出原理样机并提出重要力能参数测试与评价方法，5）开展电驱动研究，提出执行器自激励驱动原理和运行控制方法。. 本项目是对压电元件变形能动能复合换能方式的率先探索，以期提供一种适合于农业、服务、医疗、电子产品制造等机器人末端执行器使用的嵌入式微小压电执行器。

压电执行器具有结构简单零件少易于嵌入在主动件内部或末端、直驱惯性小响应快、断电自锁、以及非磁性无轴承带来的特殊环境适配等优点，在医疗、机器人与智能化设备、国防等等领域应用向好。以往的压电直线电机和执行器大多面向精密定位，驱动力不大、效率不高。本项目针对微小型敏捷动作嵌入式驱动这一机器人的迫切需求，研究并提出新型啮合原理的压电执行器与直线电机，旨在提高能量导出率，提高功率与推力密度，降低成本，适合于机器人灵巧操作用途并满足嵌入驱动的结构要求。本项目在以下方面开展了研究工作并取得相应创新性成果。1）实现了“压电-结构-间隙共振”电-机能量转换系统，提出碰振子压电执行器，建立了非线性动力学理论分析模型，厘米级的碰振子样机可实现数十微米的跨齿啮合动作。2）提出注重电机实际做功表现和能量转换效率的功率流设计思想，给出在压电执行器与直线电机设计中减少能量损失的进化设计方法。3）将声学特性和应力波考虑在大振幅的驱动足与导轨界面传力行为分析与公式化计算上，获得了压电执行器定子结构中聚能头的设计思路。4）提出二款大振幅、高效率的准啮合压电执行器，音叉型双足和鞭挞型卧板式压电执行器，或称之为压电直线电机。二款电机一个立式，一个卧式，均已达到以往电机近10倍的振幅输出，同时具有很好的推力、速度和效率表现。大振幅可以使其很好地驱动硬木导轨、滚花金属导轨，甚至塑料导轨。这在以往的研究中未见报道。这种特性使其可以更加方便地应用于核磁共振等强磁环境中，也很容易实现无位置传感器的稳定的开环运动控制驱动。本项目的后期研究工作将会把本项目取得的成果更全面更深入地总结出来，同时在实际应用中形成比较成熟的工程技术。