压电驱动气体柔性驱动器设计理论与关键技术研究

The applicant based on the research of the piezoelectric driven technology and bionics, proposes a flexible pneumatic actuator based on piezoelectric drive. Study use it to construct micro flexible pneumatic actuator mechanism and moving mechanism. It makes use of the piezoelectric vibrator to drive the gas in the cavity to generate resonance, then compressed gas and amplified piezoelectric vibrator displacement to forming driving capability. Proved up the dynamics relations of each components. Those components such as piezoelectric vibrator, flexible material, inertia gas, counterweight mechanism, elastic preset mechanism etc. The mechanism of gas solid coupling and the basic law of energy transfer and conversion are revealed. Solved some key technical problems concerned with design and control the system resonance stability and the resonance characteristics of gas solid coupling system etc. A piezoelectric drive flexible pneumatic actuator prototype with practical value is developed. Proved in the respects of theory and experiment, it is feasible to construct a flexible pneumatic actuator by resonance. The system working in resonant state, the piezoelectric vibrator only provides the vibration excitation, without directly acting on the gas and the output surface. It is completely different from the existing pneumatic actuator mechanism. At present, there is no report to construct flexible pneumatic actuator in the same way at home and abroad, so this project is first proposed. To develop new technologies and new products of flexible pneumatic with our knowledge property right and broad application prospects.

申请人在压电驱动技术与仿生学研究的基础上，提出一种基于压电驱动的气体柔性驱动器，研究用其构造微小型气体柔性驱动机构和移动机构。它利用压电振子振动激励腔内气体发生共振，压缩气体并放大压电振子位移形成驱动能力。探明压电振子、柔性材料、惯性气体、配重机构、弹性预置机构等各构件动力学关系，揭示气-固耦合作用机理及能量传递、转换过程的基本规律，解决系统共振稳定及气-固耦合系统共振特性设计与控制等关键技术问题，开发具有实用价值的压电驱动气体柔性驱动器样机，从理论与试验两方面说明以共振方式构造气体柔性驱动器是可行的。由于系统在共振状态下工作，压电振子仅提供振动激励而不直接作用于气体与输出表面，完全有别于现有气体驱动机构，目前国内外均未见有相同方式构造气体柔性驱动器的相关报道，本项目首次提出。开发具有我国自主知识产权且在微机械、微驱动领域具备广泛应用前景的气体柔性驱动的新技术与新产品。

柔性驱动器是驱动器一个重要种类，主要以流体为传输介质实现机械驱动，具有柔顺性好、动作平滑、节能有效、安全性高等特点，在狭窄空间、医疗康复、仿生机构、微机电等领域具有广阔应用前景。本项目提出利用压电振子振动激励腔内流体发生谐振，压缩流体并放大压电振子位移形成驱动能力，设计系列的新型柔性驱动装置。具体研究内容包括：探明了压电振子、柔性材料、惯性流体、配重机构、弹性预置机构等各构件动力学关系，揭示气-固和液-固耦合作用机理及能量传递、转换过程的基本规律；分析了柔性盲文点显驱动器和压电柔性气泵驱动机理以及触点形成和气体驱动的的规律，解决了柔性驱动器触点驱动频率低、分辨率不高以及精准性等关键技术问题；选择压电振子、柔性材料、配重机构或弹性预置机构的结构及种类形成有效的振动并使其处于谐振状态，发挥系统谐振状态的功能优势，通过合理的结构设计和控制实现压电振子的有效激励以及气体的有效驱动；研究了压电振子的尺寸匹配对驱动器系统性能的输出影响关系，形成了拥有自主知识产权的利用压电振子柔性驱动的方案；进行了系统的小型化、集成化设计，制作多类驱动器样机。同时也研究了其他类型的压电驱动器以及压电陶瓷材料宽频柔性发电技术，形成了可自行供电而不使用传统电池的发电新技术。对柔性驱动器以及压电俘能器结构、信号处理电路与安装方式进行优化设计。通过上述工作，从理论与试验两方面说明利用压电振子构造的柔性驱动器能实现有效驱动，本工作为柔性驱动领域提供了一种新的方法。