基于压电驱动的线性位移以及旋转位移驱动器的研究

摘要

微型机器人因其外形尺寸很小，便于进入微小空间实施操作，故能广泛应用于生物医学、化工、军事、航天等领域，对微小空腔、微小管道的检测及维修，对人体肠道、血管等的检查及医治具有十分重要的意义，已成为当前机电领域研究的重点之一。 微驱动器是微型机器人的核心器件，是微型机器人技术研究的重点之一。传统驱动方式如气动、液压、电磁等，由于尺寸及环境所限，很难满足微型机器人工作要求。压电器件驱动器以其独有的特性，比如高分辨率（可达纳米级）、高刚度和高控制精度等优点，正逐步受到人们的关注。目前压电陶瓷作为驱动器主要用于实现线性运动，比如微位移工作台等，而压电陶瓷用作旋转驱动器的研究重点主要集中步进式方面，利用压电材料的外形特征实现旋转驱动，此原理的缺点在于改变驱动器的旋转步距、频率等，需要直接改变压电陶瓷的外形，对运动的针对性太强，而缺少普遍性。 本课题研究的主要内容是采用惯性—摩擦原理，用压电器件开发出新型的驱动机构，给出利用惯性—摩擦原理的压电旋转驱动器的控制系统以及本体结构，把压电器件的直线运动转换成旋转运动。在此基础上，给出了部分压电线性驱动以及压电旋转驱动的实验数据，并采用有限元分析的方法分析运动结构，从而在分析的基础上给出机构的改进方向。 本文首先概述了驱动器的现状以及压电器件的应用现状，然后介绍了压电陶瓷以及惯性—摩擦原理，在此基础上提出了压电旋转驱动器的设计，给除了压电驱动器的试验结果，包括压电线性驱动器以及压电旋转驱动器。然后对结构进行了详细的分析，并利用有限元工具对系统的运动作了简单仿真。得到的实验结果以及仿真结果表明惯性—摩擦原理有一定的可行性，但距离具体的应用的结构驱动中还有一定的距离。最后提出了此系统的缺点以及改进方向。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1 概述

1.2 微型机器人的驱动方式

1.3 压电驱动器的研究近况

1.4压电驱动机构现状

1.5 微机械压电驱动存在的问题

1.6 论文的主要研究内容

第二章压电陶瓷以及压电驱动

2.1 压电陶瓷以及压电效应概述

2.2 爪电驱动器的应用原理

2.2.1 线性位移压电驱动原理和机构

2.2.2 线性位移压电驱动系统

2.2.3 旋转位移压电驱动原理和机构

2.3 本章小结

第三章驱动器的实验研究

3.1 电磁式位移驱动器

3.2压电式驱动器试验系统的组成

3.3压电线性位移驱动器

3.3.1体内压电蠕动机器人驱动器

3.3.2 小型压电线性驱动器

3.4压电旋转位移驱动器

3.5本章小结

第四章 有限元仿真

4.1有限元分析简介

4.2 ANSYS简介

4.3系统分析

4.3.1 耦合场分析

4.3.2 摩擦磨损计算原理

4.4系统的建立

4.5压电材料的有限元分析

4.5.1 基本方程

4.5.2 平面应变问题

4.5.3 ANSYS分析

4.5.4 仿真结果与试验数据的比较

4.6本章小结

第五章结论

参考文献

致谢

作者在硕士期间发表的学术论文