相控阵屈曲致动器的制作方法

专利名称：相控阵屈曲致动器的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及一种机电式致动器，特别是涉及压电位移放大机构。
背景技术：
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压电致动器具备所有先进的机械致动器的一些最有希望的属性。压电致动器能够以MHz的频率范围以它们很大的致动应力工作，并且压电致动器具有可与液压致动器相比的最大功率密度(W/m_3)。它们的效率范围为从O. 90至O. 99，远高于各种其它的致动器材料。然而，压电致动器的最大缺陷在于，它们会产生位移/应变。在常见的约O. 1%的致动应变，例如堆栈到20mm长度的锆钛酸铅(PZT)的大应变压电致动器会只具有20 μ m的不受力(unforced)位移。这种位移对于广泛的大规模应用，例如机器人系统在很大程度上是不切实际的。 已对放大压电致动器能够产生的应变进行了很多研究。用于放大由压电致动器产生的应变的装置包括双向变形和单向变形弯曲梁致动器、频率杠杆“尺蠖”致动器和弯张应变放大机构。传统的弯张致动器利用菱形或椭圆形的机构，其中压电致动器主动地驱动长轴的两个角部从而产生沿短轴的位移。除了尺蠖式或重复运动机构，这些应变放大技术可以产生相当受限的位移。除非使用多级放大，输出的位移通常小于1_，这对于大多数机器人应用来说太短了。非线性的结构力学、屈曲和奇异现象可以在单一的级中产生更大数量级的有效应变放大。在机构和结构力学中出现的非线性特性通常被认作为寄生属性。应变放大机构已经被设计成保持输出为输入的致动器力和位移的近似线性函数。在传统的机构中，致动器是简单地通过使负载运动而产生机械功的部件。传统的机构仅为单向能量变换器。传统的机构不使用例如功率再生和能量收集，这些是将机械能转换回电能的相反过程。常规的齿轮减速器虽然对于负载来说被优化调整，但对于功率再生和能量收集未必有效。阻抗匹配必须在向前和向后的功率传输之间限定为不同。在传动装置和传输机构中的摩擦通常消耗可用功率的大部分。致动器不可反向驱动。可反向驱动性特别对于与人物理交互的一类机械是重要的要求。这些机械包括康复训练机、行动辅助机械和动力套装。由于在现代工业化国家中的人口变化，这些机械中的大部分形成了一个正在成长的行业。致动器不仅必须使人运动，而且必须安全且高效地遵从人和引导人。致动器必须是双向和交互的以满足这些需要。

发明内容
根据本发明的一方面，位移放大装置包括多个屈曲致动器单元，其中异步激活多个屈曲致动器单元来控制位移方向。每个屈曲致动器单元包括第一输入线性致动器和第二输入线性致动器；第一旋转接头，其将第一输入线性致动器的一端刚性联接至共同的基础；第二旋转接头，其将第二输入线性致动器的一端刚性联接至共同的基础；以及第三旋转接头，其将第一输入线性致动器的另一端与第二输入线性致动器的另一端彼此联接。第三旋转接头联接和设置成使得第三旋转接头沿任一方向位移越过由第一旋转接头和第二旋转接头限定的线，零位移由位于第一旋转接头和第二旋转接头限定的线上的第三旋转接头限定。多个屈曲致动器单元的第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元的第三旋转接头在相同平面中自由运动并且机械地联接至彼此。在一个实施例中，激活多个屈曲致动器单元的第一屈曲致动器单元将多个屈曲致动器单元的第二屈曲致动器单元从第二屈曲致动器单元的零位移点的一侧迫动到另一侧。在一个实施例中，第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元在空间上异相。在一个实施例中，第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元的第一输入线性致动器和第二输入线性致动器在不活动状态中分别相对于由第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元的第一旋转接头和第二旋转接头限定的线成非零角。在一个实施例中，第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元的第三旋转接头都在由第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元的第一旋转接头和第二旋转接头限定的线的内侧或外侧。在一个实施例中，由第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元的第一旋转接头和第二旋转接头限定的线是平行的。在一个实施例中，第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元各自的输出位移轴线是共线的。在一个实施例中，第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元本质上相同。在一个实施例中，第三旋转接头与由第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元中各自的第一旋转接头和第二旋转接头限定的线之间的不活动、不受力的最小距离是相等的。在一个实施例中，第一输入线性致动器和第二输入线性致动器是压电致动器。根据本发明的另一方面，位移放大装置包括多个屈曲致动器单元，其中异步激活多个屈曲致动器单元来控制位移方向。屈曲致动器单元分别包括第一输入线性致动器和第二输入线性致动器；第一旋转接头，其将第一输入线性致动器的一端刚性联接至共同的基础；第二旋转接头，其将第二输入线性致动器的一端刚性联接至共同的基础；以及第三旋转接头，其将第一输入线性致动器的另一端与第二输入线性致动器的另一端彼此联接。 第三旋转接头联接和设置成使得第三旋转接头沿任一方向屈曲越过由第一旋转接头和第二旋转接头限定的线。多个屈曲致动器单元接合至轨道并且谐波地激活以在轨道上产生净力。在一个实施例中，轨道是齿轮形的，使得由屈曲致动器单元产生的力生成扭矩输出。在另一个实施例中，齿轮形的轨道联接至齿轮减速器的慢速轴。在一个实施例中，齿轮减速器的齿轮箱刚性联接至由各个屈曲致动器单元共享的共同的基础。在另一个实施例中，齿轮减速器被所述齿轮形的轨道包围。在一个实施例中，所述多个屈曲单元沿所述轨道均匀间隔开。
在一个实施例中，第一输入线性致动器和第二输入线性致动器是压电致动器。根据本发明的又一方面，控制位移放大装置的位移方向的方法包括提供多个屈曲致动器单元；激活多个屈曲致动器单元的第一屈曲致动器单元，使得多个屈曲致动器单元的第二屈曲致动器单元被从第二屈曲致动器单元的零位移点的一侧迫动到另一侧；以及激活第二屈曲致动器单元，使得第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元的位移幅度增大。在一个实施例中，多个屈曲致动器单元分别包括第一输入线性致动器和第二输入线性致动器；第一旋转接头，其将第一输入线性致动器的一端刚性联接至共同的基础； 第二旋转接头，其将第二输入线性致动器的一端刚性联接至共同的基础；以及第三旋转接头，其将第一输入线性致动器的另一端与第二输入线性致动器的另一端彼此联接。在另一个实施例中，第一屈曲致动器和第二屈曲致动器的第三旋转接头在相同平面中自由运动并且机械地联接至彼此。在另一个实施例中，当第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元不活动时，第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元的第一输入线性致动器和第二输入线性致动器分别相对于由第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元的第一旋转接头和第二旋转接头限定的线成角度。根据本发明的又一方面，位移放大装置包括第一屈曲致动器单元，其趋向于在激活时使得第一屈曲致动器单元沿第一方向位移；以及第二屈曲致动器单元，其趋向于在激活时使得第二屈曲致动器单元沿第二方向位移。第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器 单元的异步激活控制屈曲方向，以及其中第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元之一被第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元中的另一个迫动超过零位移点。在一个实施例中，第一屈曲致动器单元和第二屈曲致动器单元分别包括第一输入线性致动器和第二输入线性致动器；第一旋转接头，其将第一输入线性致动器的一端刚性联接至共同的基础；第二旋转接头，其将第二输入线性致动器的一端刚性联接至共同的基础；以及第三旋转接头，其将第一输入线性致动器的另一端与第二输入线性致动器的另一端彼此联接。在另一个实施例中，第一输入线性致动器和第二输入线性致动器是压电致动器。


通过对在附图中示出的示例性实施例的更详细的说明，本发明构思的实施例的前述及其它目的、特征和优点将更加明显，在附图中在不同的视图中相同的附图标记表示相同的元件。附图不必是按照比例的，代替地，其重点在于图解示例性实施例的原理。图IA为致动器堆栈布置的示意图。图IB为根据本发明构思的一个示例性实施例的屈曲压电致动器单元的示意图。图IC为示出了图IA和IB的放大比的图表。图2A和2B为根据本发明构思的一个示例性实施例的非线性、大应变屈曲压电致动器单元的示意图。
图3A为根据本发明构思的一个示例性实施例的一对屈曲致动器的示意图。图3B 为根据本发明构思的一个示例性实施例的双屈曲致动器的示意图。图3C为根据本发明构思的一个示例性实施例的双屈曲致动器原型。图4A为根据本发明构思的一个示例性实施例的谐波屈曲致动器的屈曲致动器单元的示意图和谐波屈曲致动器的剖视图。图4B为根据本发明构思的一个示例性实施例的谐波屈曲致动器的立体图。图5A为PZT屈曲机构在奇异点处(y = O)的静态模型，图5B为PZT屈曲机构在有限位移处(y幸O)的静态模型。图6为根据本发明构思的一个示例性实施例，在全激活水平和半激活水平的刚度和力的图表。图7A为PZT屈曲机构在奇异点处(y = O)的静态模型，图7B为PZT屈曲机构在有限位移处(y幸O)的静态模型。图8为根据本发明构思的一个示例性实施例在全激活水平和半激活水平处的刚度和力的图表。图9A示出了根据本发明构思的一个示例性实施例，在空间上同相的双屈曲致动器的示意图。图9B示出了根据本发明构思的一个示例性实施例，在空间上异相的双屈曲致动器的示意图。图IOA示出了表现出向上自由位移的双单元相移屈曲致动器的异步激活时间顺序，图IOB示出了表现出向下自由位移的双单元相移屈曲致动器的异步激活时间顺序。
图IlA为根据本发明构思的一个示例性实施例，当两个屈曲致动器单元都不活动时双单元异相致动器的势能相比于其位移的图表。图IlB为根据本发明构思的一个示例性实施例，当左屈曲致动器活动时双单元异相致动器的势能相比于其位移的图表。图IlC为根据本发明构思的一个示例性实施例，当两个屈曲致动器单元都活动时双单元异相致动器的势能相比于其位移的图表。图12A为用于产生连续的平移运动的多线性致动器的示意图。图12B示出了用于随着能够上下运动的输出节点产生连续平移运动的多屈曲致动器的单个屈曲致动器单元的示意图。图12C示出了根据本发明构思的一个示例性实施例，在限制为水平运动的轨道内上下运动的图12B的多屈曲致动器的各屈曲单元的输出的图表。图13为根据本发明构思的一个示例性实施例，多单元平移屈曲致动器的力位移关系的一个周期的图表。图14为根据本发明构思的一个示例性实施例，与齿轮接合的PZT屈曲致动器单元的阵列的示意图。图15A为根据本发明构思的一个示例性实施例，用于连续运动多单元屈曲致动器的平移轨道的示意图。图15B为根据本发明构思的一个示例性实施例，用于连续运动多单元屈曲致动器的转动轨道的示意图。图16为多单元相移转动屈曲致动器的立体图。图17为根据本发明构思的一个示例性实施例，经过完整的转动循环的转动屈曲致动器单元的输出性能的图表。图18示出了根据本发明构思的一个示例性实施例的谐波致动器的剖视图。图19A和19B为根据本发明构思的一个示例性实施例的大功率密度PZT谐波致动器的剖视图、立体图。图19C为图19A和19B的大功率密度PZT谐波致动器的内部中空齿轮轴的剖视立体图。图19D为嵌入有图19A和19B的大功率密度PZT谐波致动器的PZT屈曲致动器单元的外壳的剖视立体图。
具体实施例方式以下参照示出了一些示例性实施例的附图更全面地说明多个示例性实施例。然而，本发明能够以多种不同的形式实施并且不应理解为限于在此描述的这些示例性实施例。应该理解的是，当一个元件描述为“在另一元件上”、“连接至另一个元件”或“联接至另一个元件”时，其可以直接在另一元件上、连接至另一个元件或联接至另一个元件， 或者也可以存在中间元件。相反地，当一个元件描述为“直接在另一元件上”、“直接连接至另一个元件”或“直接联接至另一个元件”时，则不存在中间元件。如在此处所使用的，术语 “和/或”包括一个或多个相关列出的项的任意及所有组合。应该理解的是，尽管在此处可以使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、组件、区域、层和/或部分，但这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一个元件、组件、区域、层或部分相区另|J。因此，以下提及的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层和/或部分而不偏离本发明的教示。在此处使用的术语仅用于描述具体的示例性实施例，而非用于限制本发明的构思。如在此处所使用的，单数形式“一”、“一种”和“该”也用于包括复数形式，除非上下文明确地有相反的说明。还应该理解的是，术语“包括”、“包含”和/或“具有”在用在此说明书中时，表示存在所描述的特征、单体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除一个或多个其它的特征、单体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组群的存在或额外加入。以下通过参照附图对本发明构思的示例性实施例进行说明来对本发明构思进行详细描述。附图中相同的附图标记表示相同的元件。例如PZT堆栈的压电致动器具有高应力、高带宽及大功率密度(瓦/m3)，同时具有紧凑、可靠和稳定的材料特性。在多种非电磁致动器材料中，压电材料满足对于实际上有用的致动器的所有关键要求，除了它们极小的应变。包括形状记忆合金、导电聚合物和介电弹性体的其它致动器具有严重的缺陷，极大地限制了有效性和适用性。例如，介电弹性体不能长时间持续、需要很高的电压(超过6000伏)，但能量密度很小。此外，导电聚合物衰退得很快并且需要储槽来将聚合物浸在电解质中。压电致动器的主要缺陷，即仅O. 1%的应变可以由弯曲装置来解决。这些弯曲装置可以在100的量级有效地改变应变-应力比。这意味着，有效应变变得大于10%，与骨骼肌相当。相反地，有效应力保持很大，超过lOOMPa。这种良好平衡的性能使得压电致动器可以用于许多实际的应用。此外，它独特的属性开辟了新的可能性并创造了新的功能性。为了克服压电致动器的缺陷，即极小的应变，本发明构思的一个示例性实施例包括有效的弯曲装置，特别是屈曲类型的弯曲装置，该弯曲装置在100倍的量级上将位移放大。 屈曲类型的弯曲装置可以在单级、紧凑的整体部件中将PZT堆栈位移放大超过 100倍。在本发明构思的一个实施例中，屈曲类型的弯曲装置具有独特的力-位移非线性特性和小的外形因子，使得多个压电屈曲致动器可以嵌入在紧凑的壳体中，形成具有多个独特特征的大扭矩的、紧凑的旋转致动器。特别地，屈曲类型的弯曲装置可以如下所述地用在谐波屈曲致动器中。谐波屈曲致动器是可反向驱动的，反冲为零并且具有最大扭矩超过 160Nm的大扭矩和输出功率为5. 6kff的高功率。谐波屈曲致动器具有中空的轴或者是紧凑的环型。通过使用谐波屈曲致动器的低摩擦、可反向驱动特性以及变换器的电容特征，谐波屈曲致动器可以用于高效的电荷恢复及能量收集技术。谐波屈曲致动器具有多个有前途的应用领域。例如，动力套装和可穿戴的康复装备可以使用谐波屈曲致动器。特别是当能量效率十分重要时，小型的建筑机械、铲车和其它活动机器人也可以使用这种致动器技术。双向、交互致动传统的机电致动器包括庞大的齿轮减速器以匹配负载阻抗。这些具有传动装置的传统机电致动器可以用于使负载运动。然而，这些传统的机电致动器没有多样化的功能性。 对于具有电动马达的建筑机械来说，功率再生对于功率效率是关键的需求。然而，齿轮减速器在功率再生和能量收集方面因为由于反向驱动它们时摩擦带来的大量损失而产生不利的影响。传统的致动器和传输设计遵循从致动器到负载的单向功率传输的传统范例。功率再生和能量收集是反向的功率传输，如果致动器-减速器系统仅仅已经对于前向功率传输进行了优化，则反向的功率传输无法被优化。在本发明构思的一个示例性实施例中考虑了双向、交互的致动器-负载匹配。软致动器及它们对于康复训练的应用 所有机电一体化的、机器人的和车辆系统与用作负载的环境相互作用。例如，用于中风病人的康复训练机通过以适当的刚度拘束手臂并同时沿给定的方向促动或推动患者手臂来引导患者的手臂。训练机不只是简单地推动患者手臂，而是必须在一定程度上遵从患者的动作。这要求致动器系统可反向驱动并且在刚度方面可调节。具有高齿轮减速的传统机电致动器由于摩擦不能满足这些要求。康复研究已经表明，必须为每个患者调节刚度以使训练效率最大化。对于康复机来说，需要具有可变刚度能力的双向、交互的致动器。功率效率及电荷恢复压电变换器通常是电容性的。它们与电感性的电磁变换器是本质不同的。通过电磁变换器来生成扭矩需要通过线圈的电流，这不可避免地消耗了功率，P = Ri2O相反，在压电变换器中保持恒定的力则不消耗功率。只要恒定的电荷被保持在压电电容中，就不需要电流，因此不消耗功率。压电致动器的功率效率一般，但它们对于长时间支承不变的负载特别高效。由于原理上的本质不同，难以在电磁变换器与压电变换器之间进行简单的效率对比。虽然如此，如果使用变换器的电容特性，则压电变换器有潜力甚至在功率方面更加高效。存储在PZT堆栈中的电荷可以通过特殊的电路来恢复。代替将其放电至地，存储在压电变换器中的电荷可以运动到其它电容存储部件中，或者可以被送回电池。如果指令基准是循环的，则所需要的只是使电荷在PZT堆栈与存储电容之间来回运动。电池功率仅为了补偿由于有关电线和开关电路中的一些寄生电阻产生的损耗而被消耗。共振使用动力学具有内建弯曲装置的PZT堆栈致动器形成振动的质量-弹簧系统。当以共振频率振动时，致动器的输出位移变得明显大于其静态幅度。已知的是，动物的步态利用共振，从生物学获得灵感的机器人将这种类型的共振动力学用于功率高效的运动。本发明构思的实施例的PZT堆栈致动器的这些固有动力学不仅对于有腿的机器人有用，而且对于种类广泛的机械有用，其中致动器必须以某个频率产生循环的、重复的运动。单元压电致动器的另一明显特征在于，共振频率可以在很大的范围内变化。这使得致动器能够以对于任务和环境调整过的匹配的动力学被驱动。根据循环动作的频率，致动器系统可以适应其共振频率并相应调整其动力学特征模型，从而能够以最小的功率消耗或最大的功率传输产生期望的动作。可变的共振和可调整的动力学的这种独特的特性可以进一步扩展至更强大和一般的方法，并应用于实际任务。能量收集对于更先进的应用，能量收集是一个重要的问题。例如，在用于长期任务的自然资源勘探的深水机器人中，由于所载电池功率是有限的，所以需要频繁对电池再充电，如果机器人必须返回充电站则这样干扰了勘探任务。代替地，如果机器人可以从海底的流动收集能量，则其可以无需返回充电站而执行长期的任务。 通过能量收集，本发明构思的实施例的压电致动器是长期任务能力的有效解决方案。相同的压电变换器对于前向运动生成和后向能量收集可以用作致动器和发电机。与具有大型齿轮减速器的惯用的电磁致动器不一样，压电致动器是完全可后向驱动的，只由于低摩擦而具有最小损耗。双向的实施例使得系统在致动和发电方面都有效。此外，可调整的共振频率大幅增大了能量收集效率。在压电变换器与以共振频率振荡的负载一起共振时， 压电变换器的能量收集能力是最优的。通过可调整的动力学能力，压电致动器可以通过自适应地适应它们的共振频率在对于能量收集最优的条件下工作。PZT堆栈致动器的基本原理理论限制在具有多层PZT薄膜和电极的PZT堆栈中，A是堆栈的横截面积，I是长度。没有负载情况下的最大应力表示为σ，而没有应力情况下的应变由ε表示。假定应变与应力之间为线性关系，在使其从非激活状态到激活状态的运动中，致动器对具有匹配刚度的负载所做的功如下给出
功順如果功以频率ωΗζ重复，输出至负载的功率为Pmm =-AlammSmaxW标准PZT堆栈具有ε _ = O. 1%和σ _ = IOOMPa0尽管带宽的理论限制在IOkHz 的量级，PZT堆栈致动器对于中型至轻型任务应用的可用范围是IkHz(G) =lkHz)。因此，
每单位体积的功率密度为
P密度=^IOOxIO6 X0.1 XIO-2 xlxlO3 =25xl06J/^m3如果使用A = 50mmX50mm = 2. 5 X 10 2 且 I = IOcm = KT1Iii 的 PZT 堆栈，则最
大功率Pmax = 6. 25kW。这优于所有致动器材料,包括电磁致动器、导电聚合物、介电弹性体和形状记忆合金以及骨骼肌。
I = IOcm = KT1Iii的PZT堆栈的最大自由位移仅为O. 1mm。尽管可以产生很大的力，即250kN，致动器的有效性被这种小位移所限制。力-位移比必须变为在100或更大的量级上以获得可用的输出位移。因此，应变放大是重要的问题。然而，如果设计不合适，会明显减小有效应力和带宽。图IA示出了在堆栈布置内的应变放大动力学，图IB示出了在堆栈布置外的应变放大动力学，图IC示出了在堆栈布置内外的应变放大动力学的放大比。应变放大机构图IA示出了用于多种商品的机构。图IA仅示出了这种机构的上半部分；通过加入下半部分，整个结构为菱形形状。图IA的堆栈布置包括PZT堆栈10和旋转接头12。PZT 堆栈10布置在三角形的水平边上，而与自由接头连接的上部的两条边是刚性连杆。如果 PZT堆栈10与一条边之间的角度Θ很小，贝1J在竖直方向的位移远大于由PZT堆栈10沿水平方向产生的位移。图IC示出了从输入X至输出y的放大比dy/dx =-C0t( Θ )。随着角度Θ变小，放大增益增加。考虑到许多实际条件和设计的折衷，可以通过图IA的实施例得到约为5 10的放大增益。如以上讨论的，需要100的增益以将机构用作能够用于广泛应用的致动器。为了实现此目的，使用屈曲弯曲方法。图IB示出了屈曲压电致动器单元的示意图。图IB的屈曲压电致动器单元包括一对压电堆栈14、一个梯形输 出节点18和旋转接头16。图2A和2B是非线性、大应变屈曲压电致动器单元的示意图，该屈曲压电致动器单元包括一对压电堆栈14和整体结构22。整体结构22将压电堆栈14机械地置于梯形输出节点18与放置在两侧的末端支撑部20之间。末端支撑部20和梯形输出节点18通过旋转接头16连接至压电堆栈14。用于获得量级100的大放大增益的另一方法是利用动力学非线性特性。如图IC 所示，随着角度Θ接近零，即奇异点，放大增益变成无穷大。图IB是使用在Θ =0处的动力学奇异点的应变放大弯曲装置的示意图。在PZT堆栈14激活时，它们趋向于伸长，沿纵向产生很大的应力。当两个PZT堆栈14完全对齐时，纵向力抵消，形成不稳定的平衡。在任意干扰下，两个PZT堆栈14趋向如图IB和2B所示地屈曲。如图IB和2B所示，L是各个PZT堆栈14的静止长度，Λ I是PZT堆栈14的活动静止长度或各PZT堆栈14的伸长量， y是梯形输出节点18的竖直位移。图IC示出了从输出y到输出Al的放大比dy/dl =
CSC(0)。随着y接近O,位移放大比G = I趋向无穷大。对动力学关系y2= (L+Δ D2-L2,
Al
按照Λ I求微分并忽略高阶小量，得到以下放大比G G 兰上 4 00，在 y — O 时。 (I)
_y这是一种动力学奇异点。即使对于有限的压电位移，放大增益G也是明显很大的。 尽管屈曲机构可以提供极大的位移放大，屈曲通常是不可预知的、不确定的现象，难以控制。输出节点18将要运动的方向，即向上或向下是无法得知的。准静态地使输出梯形从一侧横跨中间点到另一侧也是不可行的。一旦其向上运动，其趋向于暂停在那里，反之亦然。 这是单极激活，其中输出梯形18的行程是整个可能位移的一半。因此，期望既控制屈曲方向又能够在屈曲已经发生时具有通过奇异点到达另一侧的能力。为了实现这种双极激活， 前述方法使用额外的机械刚度元件。在可选的方法中，多个屈曲致动器单元平行布置，单元之间具有空间相位差。这使用屈曲的非线性动力学和静态特性。图3A示出了根据本发明构思的示例性实施例的一对屈曲致动器的示意图。图3B 示出了根据本发明构思的示例性实施例的双屈曲致动器的示意图。图3C示出了根据本发明构思的示例性实施例的双屈曲致动器原型。图3A示出了当PZT堆栈14激活时屈曲致动器的位移。如图3B和3C所示地并排放置两对PZT屈曲致动器单元13和15，通过选择性地激活顶部或底部的一对来控制屈曲方向。第一屈曲致动器单元13包括压电堆栈对14、 梯形输出节点18、旋转接头16、整体结构22和末端支撑部20。第二屈曲致动器单元15包括压电堆栈对14a、梯形输出节点18a、旋转接头16a、整体结构22a和末端支撑部20a。第一和第二屈曲致动器单元13和15各自的输出节点18和18a由联接件24机械地联接。代替地，屈曲方向可以通过选择性地激活屈曲致动器单元13和15中的第一和第二 PZT堆栈 14、14a来控制。利用这种方法，代替同时激活屈曲致动器单元13和15中的两个PZT堆栈 14、14a，在激活一个PZT堆栈14、14a后激活另一个PZT堆栈14、14a。图3C中示出的原型还包括联接至PZT堆栈14、14a的线缆26。图4A为根据本发明构思的一个示例性实施例的谐波屈曲致动器的屈曲致动器单元的示意图和谐波屈曲致动器的剖视图。图4B为根据本发明构思的一个示例性实施例的谐波屈曲致动器的立体图。如图4A和4B所示地，谐波屈曲致动器31包括与旋转轨道/齿轮33接合的多个屈曲致动器单元32。屈曲致动器单元32分别包括两个输入平移致动器 34。各输入平移致动器34的一端被限制成围绕旋转接头35旋转，该旋转接头通过末端支撑部30刚性附接至共同的基础36。各输入平移致动器34的另一端被限制成通过另一旋转接头38与同一屈曲致动器单元32的另一致动器一起沿一个输出轴线37运动，该另一旋转接头是屈曲致动器单元32的输出。各屈曲致动器单元32的不活动、不受力结构使得输入致动器34与线段39近似共线，该线区段连接单元的接至基础的旋转接头35。线段39平行于轨道/齿轮33的输出轴线40。在激活的状态中，输入致动器34具有沿其纵轴线的位移，使得屈曲致动器单元32沿与线段39横向的方向位移。屈曲致动器单元32围绕轨道/ 齿轮33形成阵列，使得它们的旋转接头或输出38在轨道/齿轮33的槽内空间定相。屈曲单元32的谐波激活在轨道/齿轮33上围绕它的输出轴线10产生扭矩。轨道/齿轮33的中空部分包围齿轮减速器41，例如行星齿轮箱、环驱动器或谐波传动器。轨道/齿轮33联接至齿轮减速器41的慢速轴42。用于屈曲致动器单元32的支撑部44刚性地彼此联接并且刚性地联接至齿轮减速器41的齿轮箱43。高速轴45是整个谐波屈曲致动器31的输出轴。单个单元的动力学模型为了分析单个屈曲单元的准静态性能，致动器模型化为如图5A和5B所示的两个弹簧50的系统。图5A为PZT屈曲机构在奇异点处(y = O)的静态模型，图5B为PZT屈曲机构在有限位移处(y幸O)的静态模型。具有弹簧常数kp的弹簧50的刚性由压电致动器的串联刚度和接头的压缩刚度决定。弹簧50的不活动静止长度是L，各弹簧50的活动静止长度是L+Al，其中Λ I是在给定激活水平上的自由位移。通过这种模型，在各弹簧50中的势能等于l/2kpS2，其中δ是作为位移y几何函数的弹簧50的静止长度和激活自由位移Al的偏差。在不同激活水平作为输出位移函数的两个弹簧50的系统的势能U如图6所示的进行计算。图6为根据本、发明构思的示例性实施例，在全激活水平和半激活水平下的刚度和力的图表。沿输出方向的力F可以通过计算-dU/dy来得到，刚度可以通过计算d2U/dy2来得到。对于具有商业可得PZT堆栈的原型致动器，刚度和力绘制在图6中。图6示出了对于两个激活水平(即半激活和全激活)，作为输出节点位置的函数的沿输出轴线的致动器输出节点的刚度和力。在代替实施例中，为了分析单个屈曲单元的准静态特性，致动器模型化为分别具有弹簧常数kp和ka的四个弹簧70和72的系统，如图7A和7B所示。图7A为PZT屈曲机构在奇异点处(y = O)的静态模型，图7B为PZT屈曲机构在有限位移处(y Φ O)的静态模型。具有弹簧常数kp的两个线性弹簧70表现出PZT堆栈的总刚度和沿PZT堆栈纵向的弯曲。具有弹簧常数ka的另两个弹簧72表现出与两个PZT堆栈处的角位移相关的弯曲的总旋转刚度。存储在四个弹簧70和72中的总应变能如下给出U = hp{ALL2 + ALr2) + ^ka(A0L2 + Αθ/)其中，左PZT堆栈和右PZT堆栈的线性位移ALp ALk以及两侧的旋转位移Λ Θ L> Δ 91；是？21'堆栈的激活水平^和叫及输出位移y的函数。因此，应变能，即势能U是I、 uE> y 的函数U (uL, uE, y)。沿输出方向的输出力F可以通过相对于输出y对势能求微分来得到F =-dU/dy, 并且刚度可以通过计算二阶导数 来得到d2U/dy2。图8是根据本发明构思的示例性实施例， 在全激活水平和半激活水平的刚度和力的图表。对于小型的具有商业可得PZT堆栈的原型致动器的刚度和力绘制在图8中。图8示出了对于两个激活水平(即半激活和全激活)，作为输出节点位置函数的沿输出轴线的致动器输出节点的刚度和力。关于在图6和8中示出的单个屈曲致动器单元有几个重要的特征需指出。I)致动器的显著位移放大。在完全激活、即150V，单个方向上的位移大于I. 5mm。 相比于PZT堆栈的最大自由位移(15 μ m)，此屈曲致动器产生了 100倍大的位移。2)非线性的力-位移特性。最大的力并非在零位移(y = O)处产生，而是在中间行程处。同样，在y = O处的奇异点上不产生力。3)变化的刚度。在奇异点附近，刚度为零或负，但随着位移在两个方向上变大而急剧增加。上述第二点非线性的力-位移特性的特征与固有的PZT堆栈特性和具有传统应变放大机构的那些显著不同，在后者中当没有位移发生时形成峰值力、即阻滞力。随着位移增大，传统应变放大机构的输出力单调地减小。相反地，本发明构思的示例性实施例的屈曲致动器在中间行程产生其峰值力。非线性的力-位移关系是有用的。此外，屈曲致动器具有独特的刚度特性；在奇异点附近，在非零的激活水平时刚度变为零或者甚至为负。此特征对于将多个单元设置为阵列有用。当一个单元在奇异点附近运动时，其有效地与其它单元脱离接合，使得其对于产生力的其它单元来说不是负载。利用屈曲致动器的这些特性，得到具有用于实现很大双极位移和改进力-位移特性的最小机械冲突的多单元致动器。双单元平移屈曲致动器相控阵致动两个屈曲致动器单元可以平行设置，如图3B和3C所示。各屈曲单元13和15包括两个输入平移致动器14和14a，如图3B和3C所示。图9A示出了根据本发明构思的一个示例性实施例，在空间上同相的双屈曲致动器的示意图。图9B示出了根据本发明构思的一个示例性实施例，在空间异相的双屈曲致动器的示意图。单单元屈曲致动器可以在奇异点附近时与其所在的系统本质上脱离，由此同样可以利用联接件24将两个单元的输出节点机械地联接并且使它们在分别位于其奇异点附近时它们彼此的干扰很小。如果两个屈曲致动器单元13和15如图9A所示地是同相的，则每个屈曲致动器单元13、15只有在另一个也脱离时才脱离。通过屈曲致动器单元13和15的同相的定向，致动器无法利用单单元与另一个脱离接合的能力。然而，如果两个屈曲致动器单元13和15不同相，如图9B所示，则当一个单元在其奇异点附近时，另一个单元能够产生大得多的力。由此，当一个单元可以有效地脱离接合时，另一单元仍然可以影响输出负载。如果不活动的平衡角Θ C1如图9B所示地足够小,贝U屈曲致动器单元13和15对的屈曲方向可以被控制。根据本发明构思的一种示例性实施方式，图IOA示出了表现出向上自由位移的双单元相移屈曲致动器的异步激活时间顺序，图IOB示出了表现出向下自由位移的双单元相移屈曲致动器的异步激活时间顺序。在h时，在图IOA和IOB中两个单元都是不活动的。如果通过激活一个屈曲致动器单元而不激活另一个将迫使不活动屈曲致动器单元的输出节点通过其奇异点，则控制是可行的。在图IOB中，顶部屈曲致动器单元趋向于当被激活时沿向下的方向使顶部屈曲单元位移，而底部屈曲致动器单元趋向于当被激活时沿向上的方向使底部屈曲单元位移。在图IOA和IOB中，在时间t2时，一个屈曲致动器单元被激活；在图IOA中底部单元被激活而在图IOB中顶部屈曲致动器单元被激活。在这两种情况中，活动单元已经迫使不活动单元通过其奇异点位置。一旦两个单元的输出节点在它们相应奇异点的同一侧上时，激活都导致进一步的位移，如图IOA和IOB中的时间t3时所示的。这需要顶部和底部屈曲致动器单元异步地或暂时异相地被激活。图IOA和IOB表明了定相的激活可以使得输出节点向上或向下运动。因此，相控阵致动器利用空间上异相和暂时异相地被激活 双单元致动器模拟如同单单元屈曲致动器的模拟，压电致动器的串联刚度和接头的压缩刚度模型化为弹簧，而压电致动器的激活水平模型化为有效地改变这些弹簧的静止长度。图IlA-C示出了三种活动情况的势能值。图IlA为根据本发明构思的一个示例性实施例，当两个屈曲致动器单元都不活动时双单元异相致动器的势能相比于其位移的图表。图IlB为根据本发明构思的一个示例性实施例，当左屈曲致动器单元活动时双单元异相致动器的势能相比于其位移的图表。图IlC为根据本发明构思的一个示例性实施例，当两个屈曲致动器单元都活动时双单元异相致动器的势能相比于其位移的图表。图表示出了对于休止角θο的两个不同的值(即O. 3度和I. O度)的势能。当如图IlA示出地两个屈曲致动器单元都不活动时，在零位移处存在单个势能阱。与输出位置无关，始终存在至零位移位置的复位力。也就是说，即使其中一个单元的输出节点延伸超出其奇异点，致动器仍提供复位力。这确实与休止角Qtl无关。当如图IlB所示地一个屈曲致动器单元活动时，在位移值为零时势能函数中有非零斜率。也就是说，在静止位置，输出节点会沿一个方向受力。在图IlB中，对于θ^=1.0 度，仅存在一个能阱，意味着只存在一个不受力的稳定位置，因为此实施例使得始终存在朝向静止位置的优选一侧的力。然而，在一个实施例中，如果如图IlB示出的休止角Qtl较小， 即对于Θ。= 0.3度，产生了两个能阱，在静止位置的两侧各有一个。尽管即使具有两个平衡位置，在静止位置的能量曲线的斜率仍然非零，并且如果输出位于静止位置则沿一个优选的方向受力。通过使用仅具有一个能阱的实施例，实现了对于输出的更多控制，但是是以效率为代价的，因为当如图IlC所示地两个屈曲致动器单元都活动时输入致动器的更大量的能量被转换为致动器内的应变能量。当两个屈曲致动器单元都活动时，存在两个对称的不受力平衡点。来自激活两个屈曲致动器单元的平衡位移在量级上大于来自仅激活一个屈曲致动器单元的量级最大(I 或2)的平衡点。同样，两个屈曲致动器单元都活动时的最大力大于仅激活一个屈曲致动器单元的情况。这通过图Iic中的最大负中间行程斜率大于图IlC的最大负中间行程斜率说明。因此，模拟示出了激活一个屈曲致动器单元，随后在输出超过零位移点之后激活另一个屈曲致动器单元，这是一种控制屈曲致动器单元的屈曲方向的方法。多单元平移屈曲致动器在空间分布的多个屈曲单元可以在多个单元按坐标设置时产生平移运动。图12A 示出了用于产生连续平移运动的多个线性致动器的示意图。图12B示出了用于随着能够上下运动的输出节点产生连续平移运动的多屈曲致动器的单个屈曲致动器单元的示意图。图 12C示出了根据本发明构思的一个示例性实施例，在限制为水平运动的轨道内上下运动的图12B的多屈曲致动器的各屈曲单元的输出的图表。图12A示出了机构121，其中一组线性致动器120与波状轨道122接合以按照坐标化的方式推动表面。随着致动器120与波纹位置相同步，可以沿水平方向产生推力。这种原理可以应 用于屈曲致动器，如图12B和12C所
/Jn ο一个屈曲单元124简单地示出为在图12B中能够上下运动的输出节点126。在图 12C中，各屈曲致动器单元124的输出在限制为水平运动的轨道127内上下运动。因为输出节点126与轨道127接合，但能够在其内滑动，所以轨道由于屈曲单元124的向上或向下运动而受力向右或向左。屈曲致动器单元124产生的位移足够大以通过轨道127的波纹。对于示出的轨道127的半周期部分，屈曲致动器单元124的向上的力会沿轨道方向128迫使轨道127向右。通过使用多个单元，这些单元可以在轨道运动的任何距离上在轨道上提供净推力，并且辅助彼此通过各自的奇异点。沿图12C示出的轨道127具有重复循环的四种区域。与图12C的轨道127相邻的是各屈曲单元可以施加在轨道127上的力的图表，该力作为其在活动ON和不活动OFF状态中的位置y的函数。如在力图表和轨道图中所示的，沿轨道存在屈曲单元不能产生推力的两种区域，它们被标记为零力。当屈曲致动器单元124位于其在轨道127中部的奇异点附近时产生一个零力区域。屈曲致动器单元124在奇异点位置不能产生力。在屈曲致动器单元124的最大位移处产生另一个零力区域，在此处轨道的斜率为零并且不能因屈曲致动器单元而受力向左或向右。另两个区域是大力区域。在图12C中标记为压缩的区域是屈曲致动器单元124活动地处于压缩中、受力远离其奇异点的位置。标记为伸张的另一区域是不活动的屈曲致动器单元124处于伸张中、受力朝向其奇异点的位置。不活动的屈曲致动器单元124可以通过其奇异点位置，因为它与推动不活动单元经过奇异点位置的轨道127接合。这些受力区域在压缩区域和伸张区域之间交替并且当轨道上的受力方向反向时相反。期望能够在所有可能的轨道位置沿任一方向使轨道127受力。这通过沿轨道127 对屈曲致动器单元124的位置以间距Λ定相来实现，如图12C所示。对于轨道127的每个周期，压缩区域沿轨 道127重复两次。由此对于四个单元的情况，相移是轨道的周期长度的 l/S+n/2倍，其中η是任意整数。此相移确保了对于轨道的所有位置，上述四个区域之一中都有一个屈曲致动器单元。因此，屈曲致动器单元能够对于所有的轨道位置沿任一方向使轨道受力。轨道根据屈曲致动器单元的暂时定相激活而向左或向右行进。图13为根据本发明构思的一个示例性实施例，多单元平移屈曲致动器的力位移关系的一个周期的图表。在图13中示出了相控阵多单元轨道致动器的性能。基于势能的模拟用于产生图13中的力位移关系。对于此模拟，假定从屈曲致动器单元到轨道的力传递是理想的。亦即，假定轨道相比于屈曲致动器单元刚度很大，不存储应变能并且摩擦可被忽略。还假定，来自屈曲致动器单元的零张力有助于在轨道上的净力。还假定轨道具有为I 的恒定斜率，但改变轨道的形状可以用来成形用于特定应用的输出力-位移关系。随着轨道行进，四个屈曲致动器单元过渡到它们各自的下一个区域中。由于在所有的轨道位置处在每个区域中都有一个单元，所以力-位移曲线对于每次过渡是重复的。 每轨道的周期长度的1/8发生一次过渡。仅压缩区域中的单元对于轨道施加力。随着一个屈曲致动器单元离开压缩区域， 另一屈曲致动器单元进入压缩区域。因此，在任意给定时间，轨道上的净力是两个屈曲致动器单元的组合，如图13所示。图13示出了多单元平移屈曲致动器的力位移关系的一个周期的模拟。逐渐上升的曲线是进入大力压缩区域的屈曲致动器单元的力贡献，而下降至零力的曲线是离开大力压缩区域的屈曲致动器单元的力贡献。图13示出了随着轨道行进存在力波动。这种波动在轨道的每个周期重复八次，一旦屈曲致动器单元进入轨道上的不同区域就为一次。这种波动能够以两种方式成形。首先， 轨道的形状可以是不同于恒定斜率的其它形式。瞬时轨道斜率是从屈曲致动器单元到轨道的力传递比的值。其次，可以使用更多的屈曲致动器单元来减小波动的相对幅度，并且增加波动频率。在一个示例性实施例中，PZT致动器的阵列逐个地推动齿轮齿，使得齿轮可以连续地旋转。没有高效的应变放大机构，PZT堆栈的行程过小而无法翻过每个齿。例如，使用压电陶瓷阵列的超声波马达不使用齿轮，而使用摩擦驱动机构。这种致动器局限制于小负载应用并且不能用于大负载或可变负载。摩擦难以通过施加至压电装置的预负载或压力来调节。不期望的滑动和损伤无法通过摩擦驱动装置来避免。此外，具有摩擦驱动装置的超声波马达根本不能向后驱动。另外，具有摩擦驱动装置的超声波马达没有刚度控制或能量收集能力。摩擦驱动装置不能承载大于摩擦的负载；当向后驱动力超过摩擦时它们就会滑动。 因此，推动各个齿轮齿是对于大负载应用特别有利的更可靠的方式。在齿轮齿的高度为I 毫米量级的示例性实施例中，需要在100倍量级的PZT放大增益。本发明构思的示例性实施例的屈曲致动器在单级放大弯曲装置中满足了这种需求。图14示出了与齿轮142接合的PZT屈曲致动器单元140的阵列的示意图。图14示出了与齿轮142的齿轮齿接合的相控阵致动器140。在一个实施例中，齿高度h约为2-10_。 假定应变放大增益为100，可以实现对于PZT致动器所需的行程；堆栈长度为20 IOOmm的PZT堆栈可以产生20 100 μ m的输出位移。PZT堆栈位移乘以100得到2 IOmm的行程。齿轮142具有齿距p。如图14所示，多个PZT屈曲致动器单元140沿具有不同相角的水平轴线分布。例如，图14示出了以90度间隔放置的四个PZT单元。通过以适当的相移激活这些单元，可以沿轨道方向141在致动器组与齿轮齿之间产生水平位移。由齿轮齿表面的斜率和运动部件的摩擦来确定沿水平方向的牵引力。多单元转动屈曲致动器用在前述平移致动器实施例中的、具有周期性波纹的直轨道可以由用在图15B所示的转动致动器实施例中的、具有周期性波纹的循环轨道代替。图15A示出了根据本发明构思的一个示例性实施例，用于连续运动多单元屈曲致动器的平移轨道的示意图。图15B 示出了根据本发明构思的一个示例性实施例，用于连续运动多单元屈曲致 动器的转动轨道的示意图。图15A的平移轨道151包括与平移轨道151接合的屈曲致动器单元150。利用多个屈曲致动器单元152施加力至图15B的转动轨道的方法与用于施加力至如图14和15A示出的平移轨道的方法相似。在图15B中，多个屈曲致动器单元152以一相移围绕轨道153定位，该相移等于被所用的屈曲致动器单元的数目分成的波纹周期的一半。转动轨道可以是刚性齿轮。图15B的转动致动器与图4B的谐波驱动传动机构相似。谐波驱动装置包括在刚性圆形花键内驱动柔性花键的波发生器。相似地，转动屈曲致动器具有刚性的内部花键/ 轨道，其中屈曲致动器单元提供与内部花键的类似柔性花键的相互作用。代替如在谐波驱动装置中被波发生器驱动，屈曲致动器单元152以特定的临时相移被激活以产生沿刚性内部齿轮153的波状运动。图16为多单元相移转动屈曲致动器的立体图。图16示出的致动器是包括八个屈曲单元161的多单元转动屈曲致动器，该屈曲单元驱动限制为自由旋转的刚性内部轨道 163。屈曲致动器单元的输出节点限制为跟随轨道163。轨道163具有1/4 Ji弧度的振荡周期。屈曲致动器单元161以轨道周期的1/16相移。轨道周期的1/16在这种情况下为 1/64 31 弧度。在图16中，相控阵屈曲致动器单元161围绕转动轨道/齿轮163。各屈曲致动器单元在齿轮轴160的中部附近实现与齿轮163的接触。如果屈曲致动器单元支撑板162是接至基础的并且齿轮轴160自由旋转，则齿轮轴160会通过屈曲致动器单元161的临时定相激活旋转，如由箭头164示出的。图16中的齿轮轴160是中空的。致动器中的该中空空间由于多种应用特定原因是有用的。图17为根据本发明构思的一个示例性实施例，经过完整的转动循环的转动屈曲致动器单元的输出性能的图表。如在图17中所见的，发生的扭矩波动与平移致动器的力波动相似。扭矩波动可以通过对齿轮修整和/或合并更多屈曲致动器单元来类似地成形和减轻。图17中的扭矩波动与平均扭矩的比远小于图13中的力波动与平均力的比。这是因为在图17中存在异相作用的八个单元，而不是像图13中仅有四个。当在转动屈曲致动器单元中使用多个屈曲致动器单元时，存在有利的位移频率的折衷。因为PZT输入致动器以远大于输出转动频率的频率激活，所以转动屈曲致动器单元是频率杠杆装置。通过八周期/齿的齿轮，屈曲致动器单元必须在输出轴的一此旋转中循环八次。在转动屈曲致动器单元中模拟的类型的单个屈曲致动器单元的固有频率大于50Hz。这意味着输出旋转频率为6. 25Hz。通过在转动屈曲致动器单元的中空部分内包括齿轮减速器，可以产生大量的扭矩来用在工业规模应用中。图18示出了具有20个PZT屈曲致动器单元171和16个齿172的谐波致动器170 的剖视图。在图18中，η是以循环方式设置的PZT屈曲致动器单元171的数目，m是围绕齿距半径R的齿轮的齿数。出于简洁的目的，齿轮齿172的斜率是以如图18所示的角Φ恒定的。如果各PZT屈曲致动器单元171生成有效力feff，则沿周向的力由以下给出 frot = fefftan Φ ,假定没有摩擦。因此，由η个PZT屈曲致动器单元产生的合成扭矩由以下给出T = R ζ nfefftan Φ ,其中ζ是使用比，即用于生成扭矩的PZT屈曲致动器单元的数目除以PZT屈曲致动器单元的总数η。由于PZT堆栈不能产生伸缩力，最多50%的屈曲致动器单元可以用于产生扭矩。假定在此示例中 =0.4。最大PZT堆栈之一可以产生170Ν的峰值力。平均起来，可以设想有·效力为feff = 100N的量级。设定R = 200mm且Φ = 45°，具有20个PZT 屈曲致动器单元的谐波屈曲致动器的扭矩如下给出T = O. 2m X O. 4x 20x 100N x I = 160Nm,PZT堆栈如前所述具有大带宽。通过应变放大弯曲装置，这种带宽减小，但可实现IOOHz的带宽。也就是说，如果齿数为m= 18，则谐波屈曲致动器的输出轴能够以ω = 100/18 = 5. 56Hz = 34. 9rad/s的角速度旋转，产生的输出功率为P = Tco=5.58kW。图19A-D示出了大功率密度的PZT谐波致动器。图19A和19B为大功率密度PZT 谐波致动器的剖视图、立体图。图19C为内部中空齿轮轴180的剖视立体图。图19D为嵌入有PZT屈曲致动器单元的外壳182的剖视、立体图。如图19A-D所示的，PZT谐波致动器可以是具有独特中空齿轮轴180结构的紧凑的、大能量密度的致动器。谐波致动器内的中空空间可以由于许多目的而是有用的。例如，谐波致动器可以围绕一个物体环绕或者中空空间可以用于穿引线缆通过。如图19C示出的，内部中空齿轮轴180具有轨道/齿轮183。 外壳182的嵌入的PZT屈曲致动器单元185围绕转动的轨道/齿轮183。各屈曲致动器单元在中空齿轮轴180的中部附近实现与轨道/齿轮183的接触。如果屈曲致动器单元支撑板是接至基础的并且齿轮轴自由旋转，则齿轮轴会通过屈曲致动器单元的临时定相激活而旋转。代替被波发生器驱动，屈曲致动器单元通过特定的临时相移激活以产生沿刚性内部齿轮的波状运动。屈曲致动器单元具有明显的非线性，这必须被考虑。利用压电装置的基础能量收集原理功率效率和能量问题对于当前的致动器是重要的。本发明构思的一种示例性实施例的压电装置在能量效率和功率再生/收集方面都具有独特的优点。具有谐波屈曲致动器的单元PZT致动器是高度可反向驱动的。能量可从负载传输回致动器/发电机，只有一小部分功率由于摩擦而损耗。谐波屈曲致动器可以使用能量收集。本发明构思的示例性实施例的屈曲致动器单元使用压电陶瓷的特性，即大功率密度、高应力、大带宽、紧凑、可靠和稳定。此外，本发明构思的示例性实施例的屈曲致动器单元使用双向交互的致动器，其提供可调整阻抗、功率恢复、能量收集、高效率、低摩擦和可反向驱动性。本发明构思的示例性实施例的屈曲致动器单元可以用在谐波屈曲致动器和肌肉致动器及其它应用中。谐波屈曲致动器可以具有大扭矩、嵌入的齿轮减速器、零反冲、电荷恢复、中空轴并且可以是可反向驱动的。肌肉致动器可以具有低摩擦、可变刚度和软致动并且可以是可反向驱动的。此外，屈曲致动器单元具有多个应用领域。例如，屈曲致动器单元可以用在康复训练、共振致动和能量收集、深水机器人、末端执行器、动力套装和可穿戴的康复装备及机器人车辆中。虽然本发明已经参照其优选实施例被详细示出和描述了，但对于本领域技术人员应该理解的是，可以在不脱离限定在所附权利要求书中的本发明的精神和范围的情况下， 在形式和细节上进行多种变化。·
权利要求
1.一种位移放大装置，包括 第一屈曲致动器单元，其趋向于在激活时使得所述第一屈曲致动器单元沿第一方向位移；以及 第二屈曲致动器单元，其趋向于在激活时使得所述第二屈曲致动器单元沿第二方向位移； 其中所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元的异步激活控制屈曲方向，并且所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元之一被所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元中的另一个迫动超过零位移点。
2.按照权利要求I所述的位移放大装置，其中所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元分别包括 第一输入线性致动器和第二输入线性致动器； 第一旋转接头，其将所述第一输入线性致动器的一端刚性联接至共同的基础； 第二旋转接头，其将所述第二输入线性致动器的一端刚性联接至所述共同的基础；以及 第三旋转接头，其将所述第一输入线性致动器的另一端与所述第二输入线性致动器的另一端彼此联接。
3.按照权利要求2所述的位移放大装置，其中所述第一输入线性致动器和所述第二输入线性致动器是压电致动器。
4.一种位移放大装置，包括 多个屈曲致动器单元，其中异步激活所述多个屈曲致动器单元来控制位移方向， 其中所述屈曲致动器单元分别包括 第一输入线性致动器和第二输入线性致动器； 第一旋转接头，其将所述第一输入线性致动器的一端刚性联接至共同的基础； 第二旋转接头，其将所述第二输入线性致动器的一端刚性联接至所述共同的基础；以及 第三旋转接头，其将所述第一输入线性致动器的另一端与所述第二输入线性致动器的另一端彼此联接， 其中所述第三旋转接头联接和设置的方式使得所述第三旋转接头沿任一方向位移越过由所述第一旋转接头和所述第二旋转接头限定的线，零位移由位于所述第一旋转接头和所述第二旋转接头限定的线上的所述第三旋转接头限定， 其中所述多个屈曲致动器单元的所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元的第三旋转接头在相同平面中自由运动并且机械地联接至彼此。
5.按照权利要求4所述的位移放大装置，其中激活所述多个屈曲致动器单元的所述第一屈曲致动器单元将所述多个屈曲致动器单元的所述第二屈曲致动器单元从所述第二屈曲致动器单元的零位移点的一侧迫动到另一侧。
6.按照权利要求4所述的位移放大装置，其中所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元在空间上异相。
7.按照权利要求4所述的位移放大装置，其中所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元的所述第一输入线性致动器和所述第二输入线性致动器在不活动状态中分别相对于由所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元的所述第一旋转接头和所述第二旋转接头限定的线成非零角。
8.按照权利要求4所述的位移放大装置，其中所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元的第三旋转接头都在由所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元的所述第一旋转接头和所述第二旋转接头限定的线的内侧或外侧。
9.按照权利要求4所述的位移放大装置，其中由所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元的所述第一旋转接头和所述第二旋转接头限定的线是平行的。
10.按照权利要求4所述的位移放大装置，其中所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元各自的输出位移轴线是共线的。
11.按照权利要求4所述的位移放大装置，其中所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元本质上相同。
12.按照权利要求4所述的位移放大装置，其中所述第三旋转接头与由在所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元中各自的所述第一旋转接头和所述第二旋转接头限定的线之间的不活动、不受力的最小距离是相等的。
13.按照权利要求4所述的位移放大装置，其中所述第一输入线性致动器和所述第二输入线性致动器是压电致动器。
14.一种位移放大装置，包括 多个屈曲致动器单元，其中异步激活所述多个屈曲致动器单元来控制位移方向， 其中所述屈曲致动器单元分别包括 第一输入线性致动器和第二输入线性致动器； 第一旋转接头，其将所述第一输入线性致动器的一端刚性联接至共同的基础； 第二旋转接头，其将所述第二输入线性致动器的一端刚性联接至所述共同的基础；以及 第三旋转接头，其将所述第一输入线性致动器的另一端与所述第二输入线性致动器的另一端彼此联接， 其中所述第三旋转接头联接和设置的方式使得所述第三旋转接头沿任一方向屈曲越过由所述第一旋转接头和所述第二旋转接头限定的线，并且 其中所述多个屈曲致动器单元接合至轨道并且被谐波地激活以在所述轨道上产生净力。
15.按照权利要求14所述的位移放大装置，其中所述轨道是齿轮形的，使得由所述屈曲致动器单元产生的力生成扭矩输出。
16.按照权利要求15所述的位移放大装置，其中所述齿轮形的轨道联接至齿轮减速器的慢速轴。
17.按照权利要求16所述的位移放大装置，其中所述齿轮减速器的齿轮箱刚性联接至由各个所述屈曲致动器单元共享的所述共同的基础。
18.按照权利要求16所述的位移放大装置，其中所述齿轮减速器被所述齿轮形的轨道包围。
19.按照权利要求14所述的位移放大装置，其中所述多个屈曲致动器单元沿所述轨道均匀间隔开。
20.按照权利要求14所述的位移放大装置，其中所述第一输入线性致动器和所述第二输入线性致动器是压电致动器。
21.一种控制位移放大装置的位移方向的方法，包括 提供多个屈曲致动器单元； 激活所述多个屈曲致动器单元的第一屈曲致动器单元，使得所述多个屈曲致动器单元的第二屈曲致动器单元被从所述第二屈曲致动器单元的零位移点的一侧迫动到另一侧；以及 激活所述第二屈曲致动器单元，使得所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元的位移的幅度增大。
22.按照权利要求21所述的方法，其中所述多个屈曲致动器单元分别包括 第一输入线性致动器和第二输入线性致动器； 第一旋转接头，其将所述第一输入线性致动器的一端刚性联接至共同的基础； 第二旋转接头，其将所述第二输入线性致动器的一端刚性联接至所述共同的基础；以及 第三旋转接头，其将所述第一输入线性致动器的另一端与所述第二输入线性致动器的另一端彼此联接。
23.按照权利要求22所述的方法，其中所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元的第三旋转接头在相同平面中自由运动并且机械地联接至彼此。
24.按照权利要求22所述的方法，其中当所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元不活动时，所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元的所述第一输入线性致动器和所述第二输入线性致动器分别相对于由所述第一屈曲致动器单元和所述第二屈曲致动器单元的所述第一旋转接头和所述第二旋转接头限定的线成角度。
全文摘要
一种谐波屈曲致动器包括接合至转动轨道/齿轮的多个屈曲单元。各屈曲单元包括两个输入平移致动器。各输入致动器的一端限制为围绕刚性附接至共同的基础的旋转接头旋转。各输入致动器的另一端限制为通过作为屈曲单元输出的另一旋转接头沿单个输出轴线与同一屈曲单元的另一致动器一起运动。各屈曲单元的不活动的、不受力构造使得输入致动器几乎与连接单元的接至基础的旋转接头的线段共线。所述线段平行于轨道/齿轮的输出轴线。屈曲单元围绕轨道/齿轮排列，使得它们的输出在轨道/齿轮的槽内在空间上定相。屈曲单元的谐波激活在轨道/齿轮上围绕其输出轴线产生扭矩。轨道/齿轮的中空部分包围齿轮减速器，例如行星齿轮箱、摆线驱动器或谐波传动器。轨道/齿轮联接至减速器的慢速轴。屈曲单元支撑部彼此刚性联接并且刚性联接至减速器的齿轮箱。高速轴是整个谐波屈曲致动器的输出轴。
文档编号H02N2/00GK102714474SQ201080060820
公开日2012年10月3日 申请日期2010年11月9日 优先权日2009年11月10日
发明者D·M·尼尔, H·H·阿萨达 申请人:麻省理工学院