第1章緒論/1

1.1壓電驅動技術概述/1

1.1.1壓電驅動的定義和致動原理/1

1.1.2壓電驅動技術的起源/2

1.1.3壓電驅動器的特點/3

1.1.4壓電驅動器的分類/5

1.2壓電驅動技術研究方向概述/5

1.2.1構型設計/6

1.2.2壓電材料/8

1.2.3摩擦材料/9

1.2.4驅動電源/10

1.2.5運動控制/11

1.3壓電驅動器的研究現狀/16

1.3.1行波超聲壓電驅動器/16

1.3.2駐波超聲壓電驅動器/20

1.3.3模態復合型超聲壓電驅動器/23

1.3.4疊堆型壓電驅動器/28

1.3.5疊堆與柔性位移放大機構相融合的壓電驅動器/29

1.3.6尺蠖型壓電驅動器/32

1.3.7慣性致動型壓電驅動器/34

1.3.8行走型壓電驅動器/36

本章參考文獻/37

第2章壓電材料與壓電驅動基礎/50

2.1壓電材料及其基本特性/50

2.1.1壓電效應/50

2.1.2壓電材料基本特性與參數/52

2.2壓電驅動器基本結構形式/61

2.2.1貼片式壓電驅動器/61

2.2.2夾心式壓電驅動器/66

2.3壓電驅動器的基本運動模式及激勵方法/71

2.3.1縱向運動/71

2.3.2彎曲運動/72

2.3.3扭轉運動/82

2.4彈性體基本振動模態及激勵方法/84

2.4.1圓環軸向彎振/84

2.4.2圓筒徑向彎振/89

2.4.3壓電金屬復合梁縱振/93

2.4.4壓電金屬復合梁彎振/95

本章參考文獻/97

壓電驅動技術目錄第3章模態復合型超聲壓電驅動器/99

3.1基本振動模態組合方式/99

3.1.1縱縱模態組合/99

3.1.2縱彎模態組合/102

3.1.3彎彎模態組合/107

3.1.4縱扭模態組合/110

3.2縱縱復合型超聲壓電驅動器/112

3.2.1T形單足直線型超聲壓電驅動器/112

3.2.2I形雙足直線型超聲壓電驅動器/114

3.3縱彎復合型超聲壓電驅動器/119

3.4彎彎復合型超聲壓電驅動器/127

3.4.1同階彎振復合/127

3.4.2異階彎振復合/134

3.5模態復合型超聲壓電驅動器特點簡析/141

本章參考文獻/141

第4章旋轉型直驅壓電驅動器/143

4.1旋轉型壓電驅動技術簡析/143

4.1.1旋轉致動原理分析/143

4.1.2旋轉型壓電驅動器分類/144

4.2基於壓電陶瓷d15模式的旋轉型直驅壓電驅動器/146

4.2.1壓電驅動器結構與致動原理/146

4.2.2實驗研究/149

4.3基於壓電陶瓷d33模式的旋轉型直驅壓電驅動器/152

4.3.1壓電驅動器結構與致動原理/152

4.3.2實驗研究/163

4.4基於壓電陶瓷d31模式的旋轉型直驅壓電驅動器/166

4.4.1壓電驅動器結構與致動原理/166

4.4.2實驗研究/171

4.5關於緊湊旋轉型壓電驅動器的拓展思考/173

4.6本章小結/175

本章參考文獻/175

第5章尺蠖型壓電驅動器/176

5.1尺蠖型精密壓電驅動技術簡析/176

5.2四足尺蠖型壓電驅動器/177

5.2.1壓電驅動器結構與致動原理/178

5.2.2仿真分析/180

5.2.3實驗研究/181

5.3雙足尺蠖型壓電驅動器/184

5.3.1壓電驅動器結構與致動原理/184

5.3.2實驗研究/188

5.4尺蠖型壓電驅動器的運動解耦/192

5.4.1壓電驅動器結構與致動原理/193

5.4.2仿真分析/195

5.4.3實驗研究/198

5.5緊湊尺蠖型壓電驅動器/205

5.5.1壓電驅動器結構與致動原理/205

5.5.2仿真分析/208

5.5.3實驗研究/210

5.6本章小結/213

本章參考文獻/213

第6章慣性致動型壓電驅動器/215

6.1慣性精密壓電驅動技術簡析/215

6.1.1慣性衝擊式致動原理分析/215

6.1.2慣性摩擦式致動原理分析/216

6.2彎曲型慣性摩擦式壓電驅動器/218

6.2.1壓電驅動器結構與致動原理/218

6.2.2仿真分析/219

6.2.3實驗研究/221

6.3彎曲型慣性衝擊式壓電驅動器/225

6.3.1壓電驅動器結構與致動原理/225

6.3.2仿真分析/227

6.3.3實驗研究/230

6.4慣性致動型壓電驅動器的位移回退抑制方法/233

6.4.1壓電驅動器結構與致動原理/234

6.4.2仿真分析/236

6.4.3實驗研究/238

6.5本章小結/242

本章參考文獻/243

第7章行走型壓電驅動器/244

7.1多足協調步進致動原理/244

7.2四足行走直線型壓電驅動器/245

7.2.1矩形波電壓激勵信號下壓電驅動器特性/248

7.2.2梯形波電壓激勵信號下壓電驅動器特性/251

7.3四足行走旋轉型壓電驅動器/255

7.3.1致動原理及構型設計/256

7.3.2四足行走旋轉型壓電驅動器特性實驗研究/260

7.4本章小結/263

本章參考文獻/264

第8章多自由度壓電驅動技術/265

8.1雙驅動器串聯式兩自由度直線型壓電驅動器/265

8.1.1壓電驅動器結構與致動原理/265

8.1.2實驗研究/270

8.2單足致動兩自由度旋轉型壓電驅動器/276

8.2.1基於夾心式結構的兩自由度旋轉型壓電驅動器/276

8.2.2基於貼片式十字梁結構壓電致動器的兩自由度旋轉型

壓電驅動器/286

8.3雙足致動兩自由度直線型壓電驅動器/293

8.3.1壓電驅動器結構與致動原理/293

8.3.2實驗研究/296

8.4本章小結/299

本章參考文獻/299

第9章跨尺度壓電驅動技術/301

9.1跨尺度壓電驅動的基本思想/301

9.2多致動模式的一體化融合設計/303

9.2.1定子振動模態和運動模式/303

9.2.2彎曲復合型壓電驅動器壓電陶瓷片的尺寸和布置/305

9.2.3彎曲復合型壓電驅動器在諧振工作模式下的諧振頻率/306

9.2.4彎曲復合型壓電驅動器在非諧振工作模式下的輸出

位移/309

9.3一維直線跨尺度壓電驅動器/312

9.3.1諧振工作模式/313

9.3.2直驅工作模式/321

9.4平面三維跨尺度壓電驅動器/321

9.4.1壓電驅動器結構與致動模式/322

9.4.2壓電驅動器繫統動力學模型/328

9.4.3壓電驅動器特性仿真分析/338

9.4.4壓電驅動器實驗測試繫統搭建及特性測試/342

9.4.5基於平面三維跨尺度壓電驅動器的大行程納米定位

平臺/351

9.5本章小結/369

本章參考文獻/370

第10章壓電驅動技術典型應用/372

10.1精密定位平臺/372

10.2生物組織及細胞穿刺/374

10.3光學儀器調姿/379

10.4超精密加工/383

10.5微納加工/388

10.6振動抑制/391

10.7空間機構/396

10.8微納操控機器人/400

10.9微小型機器人/404

10.10本章小結/409

本章參考文獻/409 

總序 近年來，“智能制造 共融機器人”特別引人矚目，呈現出“萬物感知、萬物互聯、萬物智能”的時代特征。智能制造與共融機器人產業將成為優先發展的戰略性新興產業，也是“中國制造2049”創新驅動發展的巨大引擎。值得注意的是，智能汽車與無人機、水下機器人等一起所形成的規模宏大的共融機器人產業，將是今後30年各國爭奪的戰略高地，並將對世界經濟發展、社會進步、戰爭形態產生重大影響。與之相關的制造科學和機器人學屬於綜合性學科，是聯繫和涵蓋物質科學、信息科學、生命科學的大科學。與其他工程科學、技術科學一樣，制造科學、機器人學也是將認識世界和改造世界融合為一體的大科學。20世紀中葉，Cybernetics與Engineering Cybernetics等專著的發表開創了工程科學。21世紀以來，制造科學、機器人學和人工智能等領域異常活躍，影響深遠，是“智能制造 共融機器人”原始創新的源泉。 華中科技大學出版社緊跟時代潮流，瞄準智能制造和機器人的科技前沿，組織策劃了本套“智能制造與機器人理論及技術研究叢書”。叢書涉及的內容十分廣泛，熱烈歡迎各位專家從不同的視野、不同的角度、不同的領域著書立說。選題要點包括但不限於：智能制造的各個環節，如研究、開發、設計、加工、成形和裝配等；智能制造的各個學科領域，如智能控制、智能感知、智能裝備、智能繫統、智能物流和智能自動化等；各類機器人，如工業機器人、服務機器人、機器人、海陸空機器人、仿生/類生/擬人機器人、軟體機器人和微納機器人等的發展和應用；與機器人學有關的機構學與力學、機動性與操作性、運動規劃與運動控制、智能駕駛與智能網聯、人機交互與人機共融等；人工智能、認知科學、大數據、雲制造、物聯網和互聯網等。 本套叢書將成為有關領域專家、學者學術交流與合作的平臺，青年科學家茁壯成長的園地，科學家展示研究成果的國際舞臺。華中科技大學出版社將與施普林格(Springer)出版集團等國際學術出版機構一起，針對本套叢書進行全球聯合出版發行，同時該社也與有關國際學術會議、國際學術期刊建立了密切聯繫，為提升本套叢書的學術水平和實用價值，擴大叢書的國際影響營造了良好的學術生態環境。 近年來，高校師生、各領域專家和科技工作者等各界人士對智能制造和機器人的熱情與日俱增。這套叢書將成為有關領域專家、高校師生與工程技術人員之間的紐帶，增強作者與讀者之間的聯繫，加快發現知識、傳授知識、增長知識和更新知識的進程，為經濟建設、社會進步、科技發展做出貢獻。 *後，衷心感謝為本套叢書做出貢獻的作者和讀者，感謝他們為創新驅動發展增添正能量、聚集正能量、發揮正能量。感謝華中科技大學出版社相關人員在組織、策劃過程中的辛勤勞動。華中科技大學教授、中國科學院院士熊有倫前言 精密驅動是高端裝備領域的一項共性支撐技術，精密驅動設備的行程、速度和精度等指標將直接決定裝備的加工精度、機器人的操控精度、儀器的檢測精度、航天器的飛行軌跡精度和武器繫統的打擊精度等。例如，超精加工運動平臺、大規模集成電路加工、MEMS(microelectromechanical system,微機電繫統)器件封裝、細胞精細操控等均對驅動繫統的各項指標提出了極為苛刻的要求，部分指標已超出目前所能達到的極限。因此，在尋求高端裝備技術突破過程中*為基礎和亟待攻克的問題之一就是要發展新型的精密驅動技術。壓電驅動技術具有結構簡單、構型多樣、力密度高、精度高、響應快、斷電自鎖、無電磁干擾、環境適應性好等突出優勢，已成為推動高端裝備向高精尖方向發展的一項核心技術，超精加工、半導體制造、機器人、精密儀器、生命科學、航空航天和武器裝備等領域對其均具有迫切的應用需求。壓電驅動技術可為高端裝備的突破和發展提供堅實的理論和技術基礎，具有重要的科學意義和突出的實用價值。 本書共分十章：第1章敘述了壓電驅動技術的定義、特點及分類，詳細介紹了不同類型壓電驅動器的國內外研究現狀。第2章簡要介紹了壓電材料及其基本特性，分析了兩種常用的壓電驅動器基本結構形式，並進一步對壓電驅動器采用的基本運動模式及激勵方法、彈性體基本振動模態及激勵方法進行了詳細的分析。第3章以采用諧振工作模式的模態復合型超聲壓電驅動器為對像，詳細分析了常用的基本振動模態組合方式，並對著者團隊所提出的縱縱復合型、縱彎復合型、彎彎復合型超聲壓電驅動器進行了詳細分析。第4章以直驅壓電驅動器為研究對像，詳細介紹了著者在旋轉型壓電驅動器領域的研究成果，提出了三種新型旋轉型直驅壓電驅動器。第5章簡單介紹了尺蠖型壓電驅動器的基本工作原理及特點，對著者團隊所提出的尺蠖型壓電驅動器進行了詳細分析，並重點討論了尺蠖型壓電驅動器中存在的運動耦合問題。第6章分析了慣性致動型壓電驅動器的致動原理，並對著者團隊所研制的兩種類型的慣性致動型壓電驅動器進行了詳細分析，並重點討論了慣性壓電驅動中存在的位移回退問題。壓電驅動技術前言第7章分析了壓電驅動器多足協調步進致動原理，並對著者團隊所研制的直線型和旋轉型壓電驅動器進行了詳細分析。第8章提出了單足多維軌跡致動和多足協調致動兩種適用於壓電驅動維度拓展的新思想，並對著者團隊提出的四種多自由度壓電驅動器進行了詳細分析。第9章提出了基於多模式融合來實現跨尺度壓電驅動的新思想，並對著者團隊所研制的兩種具備跨尺度驅動能力的新型壓電驅動器進行了詳細分析。第10章分析了壓電驅動技術的典型應用。 本書第1章和第2章由劉英想、鄧傑和陳維山共同撰寫，第3章至第10章由劉英想和鄧傑共同撰寫，全書由劉英想修改定稿。本書吸收了著者團隊已畢業/在讀博士和碩士研究生楊小輝、徐鼕梅、田鑫琦、王良、於洪鵬、盧飛、杜鵬飛、常慶兵、張仕靜、史東東、闫紀朋、劉宇陽、趙亮亮、谷志征、申志航、瀋強強、王雲、高祥、李京、張彬瑞、李宜卿、荀銘鑫等人的研究成果。這些研究成果是著者團隊集體創造和智慧的結晶。 本書的出版是國家自然科學基金（資助項目包括：優秀青年科學項目51622502，聯合基金項目U1913215，面上項目51475112，青年科學基金項目51105097）、高等學校全國優秀博士學位論文作者專項資金（資助項目編號為201424）、霍英東教育基金會第十五屆高等院校青年教師基金（資助項目編號為151053）、中國博士後科學基金（特別資助項目，編號為2013T60357）等基金，以及機器人技術與繫統國家重點實驗室（自主課題，編號為SKLRS201801B、SKLRS201605B）、數字制造裝備與技術國家重點實驗室（開放課題，編號為DMETKF2015008）、機械結構力學及控制國家重點實驗室（開放課題，編號為MCMS0315K01）資助的結果，在此表示深切的謝意。 特別感謝曾經支持過我們研究工作的專家和學者們，他們是：蔡鶴皋院士、鄧宗全院士、劉宏院士、王子纔院士、趙淳生院士、趙傑教授、孫立寧教授、姚郁教授、謝暉教授、劉軍考教授。 壓電驅動技術涉及多個學科，限於著者的研究水平，加之所列舉的部分壓電驅動器還處於實驗室研究階段，本書中難免存在不妥之處，懇請廣大讀者批評、指正。劉英想2021年10月