专利摘要

本发明公开了一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手及其激励方法，属于仿生机器人技术领域。四指压电机械手包括一个平板基座、四个弯曲压电手指和多个联接螺钉，可操纵包括球型、平板型和圆柱型等结构类型的动子。当激励电压信号被施加至弯曲压电手指，弯曲压电手指可产生弯曲运动，通过调整四个弯曲压电手指激励电压信号的时序和幅值控制它们的弯曲运动方向。根据动子的结构类型选择四个弯曲压电手指的弯曲运动，进一步利用摩擦力操纵动子产生多个自由度的运动。本发明的四指压电机械手具有动子结构类型自适应、操纵动子运动范围广、多自由度、大尺度和结构简单的优点，在多自由度微纳操控领域有着广泛的应用前景。

权利要求

1.一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手，其特征在于：包括一个平板基座(1)、四个弯曲压电手指(2)和若干联接螺钉(4)，所述弯曲压电手指(2)分为第一弯曲压电手指(2-1)、第二弯曲压电手指(2-2)、第三弯曲压电手指(2-3)、第四弯曲压电手指(2-4)；并且四个弯曲压电手指(2)的结构相同，所述第一弯曲压电手指(2-1)包括上端部(2-1-1)、压电单元(2-1-2)和致动器基座(2-1-3)，且上端部(2-1-1)的顶端为不完整的球型结构；所述四个弯曲压电手指(2)与平板基座(1)通过联接螺钉(4)固定连接；所述四个弯曲压电手指(2)在平板基座(1)上的固定位置的中心连线为正方形或圆形；且第一弯曲压电手指(2-1)的上端部(2-1-1)、第二弯曲压电手指(2-2)的上端部(2-2-1)、第三弯曲压电手指(2-3)的上端部(2-3-1)和第四弯曲压电手指(2-4)的上端部(2-4-1)均与动子(3)保持接触，利用四个弯曲压电手指(2)的上端部与动子(3)的接触实现动子(3)的支承和操纵；被操纵的所述动子(3)为球型动子(3-1)、平板型动子(3-2)或圆柱型动子(3-3)，其中平板型动子(3-2)的外沿形状为矩形、圆形或边数大于四条的多边形结构，圆柱型动子(3-3)为实心结构或空心结构。

2.根据权利要求1所述的一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手，其特征在于：四个所述弯曲压电手指(2)的尺寸完全相同。

3.根据权利要求1或2所述的一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手的激励方法，其特征在于：

以四个弯曲压电手指(2)在平板基座(1)上的分布位置的对称中心为原点建立笛卡尔直角坐标系XYZ，该坐标系的X轴与第一弯曲压电手指(2-1)和第二弯曲压电手指(2-2)在平板基座(1)上的固定中心的连线相平行，Y轴与第一弯曲压电手指(2-1)和第四弯曲压电手指(2-4)在平板基座(1)上的固定中心的连线相平行，Z轴与弯曲压电手指(2)的轴线方向相平行；所述四个弯曲压电手指(2)在A、B两路电压信号激励下实现多个方向的弯曲运动，具体包括：

一是实现四个弯曲压电手指(2)同时向X轴正向弯曲运动：将A路正值激励电压信号同时施加至四个弯曲压电手指(2)；

二是实现四个弯曲压电手指(2)同时向X轴负向弯曲运动：将A路负值激励电压信号同时施加至四个弯曲压电手指(2)；

三是实现四个弯曲压电手指(2)同时向Y轴正向弯曲运动：将B路正值激励电压信号同时施加至四个弯曲压电手指(2)；

四是实现四个弯曲压电手指(2)同时向Y轴负向弯曲运动：将B路负值激励电压信号同时施加至四个弯曲压电手指(2)；

五是实现四个弯曲压电手指(2)同时沿着其在平板基座(1)上的固定中心外接圆切线逆时针方向弯曲运动：将A路负值激励电压信号和B路正值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指(2-1)，将A路负值激励电压信号和B路负值激励电压信号同时施加至第二弯曲压电手指(2-2)，将A路正值激励电压信号和B路负值激励电压信号同时施加至第三弯曲压电手指(2-3)，将A路正值激励电压信号和B路正值激励电压信号同时施加至第四弯曲压电手指(2-4)，以上激励电压信号施加动作同步进行；

六是实现四个弯曲压电手指(2)同时沿着其在平板基座(1)上的固定中心外接圆切线顺时针方向弯曲运动：将A路正值激励电压信号和B路负值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指(2-1)，将A路正值激励电压信号和B路正值激励电压信号同时施加至第二弯曲压电手指(2-2)，将A路负值激励电压信号和B路正值激励电压信号同时施加至第三弯曲压电手指(2-3)，将A路负值激励电压和B路负值激励电压同时施加至第四弯曲压电手指(2-4)，以上激励电压信号施加动作同步进行。

4.根据权利要求3所述的一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手的激励方法，其特征在于：

通过设置A路和B路激励电压信号的幅值和时序，激励出四个弯曲压电手指(2)的多个方向的弯曲运动，利用摩擦力操纵球型动子(3-1)、平板型动子(3-2)和圆柱型动子(3-3)实现多个自由度的直线或旋转运动，具体包括：

操纵球型动子(3-1)实现三个自由度旋转运动的具体过程为：球型动子(3-1)的三自由度旋转运动是指相对于建立在球型动子(3-1)球心的笛卡尔直角坐标系X1Y1Z1，根据右手定则，以绕坐标轴旋转运动的正向为逆时针方向，则操纵球型动子(3-1)分别实现绕X1、Y1、Z1轴逆时针方向和顺时针方向的连续旋转运动；

其中，操纵球型动子(3-1)绕X1轴逆时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子(3-1)绕X1轴逆时针方向产生微小位移；

步骤二、将B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴负向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子(3-1)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵球型动子(3-1)绕X1轴逆时针方向连续旋转运动；

操纵球型动子(3-1)绕X1轴顺时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子绕X1轴顺时针方向产生微小位移；

步骤二、将B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴正向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子(3-1)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵球型动子(3-1)绕X1轴顺时针方向连续旋转运动；

操纵球型动子(3-1)绕Y1轴逆时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子(3-1)绕Y1轴逆时针方向产生微小位移；

步骤二、将A路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴正向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子(3-1)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵球型动子(3-1)绕Y1轴逆时针方向连续旋转运动；

操纵球型动子(3-1)绕Y1轴顺时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子(3-1)绕Y1轴顺时针方向产生微小位移；

步骤二、将A路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴负向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子(3-1)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵球型动子(3-1)绕Y1轴顺时针方向连续旋转运动；

操纵球型动子(3-1)绕Z1轴逆时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指(2-1)，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指(2-2)，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指(2-3)，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指(2-4)，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座(1)上的固定中心外接圆切线逆时针方向的缓慢弯曲变形至极限位置，动子通过静摩擦力操纵球型动子(3-1)绕Z1轴逆时针方向产生微小位移；

步骤二、同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指(2-1)，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指(2-2)，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指(2-3)，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指(2-4)，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座(1)上的固定中心外接圆切线顺时针方向的快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子(3-1)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵球型动子(3-1)绕Z1轴逆时针方向连续旋转运动；

操纵球型动子(3-1)绕Z1轴顺时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指(2-1)，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指(2-2)，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指(2-3)，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指(2-4)，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座(1)上的固定中心外接圆切线顺时针方向的缓慢弯曲变形至极限位置，动子通过静摩擦力操纵球型动子(3-1)绕Z1轴顺时针方向产生微小位移；

步骤二、同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指(2-1)，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指(2-2)，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指(2-3)，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指(2-4)，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座(1)上的固定中心外接圆切线逆时针方向的快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子(3-1)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵球型动子(3-1)绕Z1轴顺时针方向连续旋转运动；

操纵平板型动子(3-2)实现两个自由度直线运动和一个自由度旋转运动的具体过程为：平板型动子(3-2)的两个自由度直线运动和一个自由度旋转运动是指相对于笛卡尔直角坐标系XYZ，分别实现沿X轴、Y轴的正向和负向连续直线运动，以及绕Z轴逆时针方向和顺时针方向的连续旋转运动；

其中，操纵平板型动子(3-2)沿X轴正向连续直线运动的具体过程如下：

步骤一、将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵平板型动子(3-2)沿X轴正向产生微小位移；

步骤二、将A路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴负向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，平板型动子(3-2)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵平板型动子(3-2)沿X轴正向连续直线运动；

操纵平板型动子(3-2)沿X轴负向连续直线运动的具体过程如下：

步骤一、将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵平板型动子(3-2)沿X轴负向产生微小位移；

步骤二、将A路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴正向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，平板型动子(3-2)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵平板型动子(3-2)沿X轴负向连续直线运动；

操纵平板型动子(3-2)沿Y轴正向连续直线运动的具体过程如下：

步骤一、将B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵平板型动子(3-2)沿Y轴正向产生微小位移；

步骤二、将B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴负向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，平板型动子(3-2)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵平板型动子(3-2)沿Y轴正向连续直线运动；

操纵平板型动子(3-2)沿Y轴负向连续直线运动的具体过程如下：

步骤一、将B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵平板型动子(3-2)沿Y轴负向产生微小位移；

步骤二、将B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴正向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，平板型动子(3-2)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵平板型动子(3-2)沿Y轴负向连续直线运动；

操纵平板型动子(3-2)绕Z轴逆时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指(2-1)，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指(2-2)，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指(2-3)，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指(2-4)，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座(1)上的固定中心外接圆切线逆时针方向的缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵平板型动子(3-2)绕Z轴逆时针方向产生微小位移；

步骤二、同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指(2-1)，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指(2-2)，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指(2-3)，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指(2-4)，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座(1)上的固定中心外接圆切线顺时针方向的快速弯曲变形至零弯曲位置，平板型动子(3-2)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵平板型动子(3-2)绕Z轴逆时针方向连续旋转运动；

操纵平板型动子(3-2)绕Z轴顺时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指(2-1)，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指(2-2)，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指(2-3)，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指(2-4)，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座(1)上的固定中心外接圆切线顺时针方向的缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵平板型动子(3-2)绕Z轴顺时针方向产生微小位移；

步骤二、同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指(2-1)，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指(2-2)，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指(2-3)，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指(2-4)，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座(1)上的固定中心外接圆切线逆时针方向的快速弯曲变形至零弯曲位置，平板型动子(3-2)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵平板型动子(3-2)绕Z轴顺时针方向连续旋转运动；

操纵圆柱型动子(3-3)实现一个自由度直线运动和一个自由度旋转运动的具体过程为：圆柱型动子(3-3)的一个自由度直线运动和一个自由度旋转运动是指相对于建立在圆柱型动子(3-3)端面中心的笛卡尔直角坐标系X2Y2Z2，根据右手定则，以绕坐标轴旋转运动的正向为逆时针方向，操纵圆柱型动子(3-3)沿Y2轴正向和负向的连续直线运动，以及绕Y2轴逆时针方向和顺时针方向的连续旋转运动；

其中，操纵圆柱型动子(3-3)沿Y2轴正向连续直线运动的具体过程如下：

步骤一、将B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵圆柱型动子(3-3)沿Y2轴正向产生微小位移；

步骤二、将B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴负向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，圆柱型动子(3-3)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵圆柱型动子(3-3)沿Y2轴正向连续直线运动；

操纵圆柱型动子(3-3)沿Y2轴负向连续直线运动的具体过程如下：

步骤一、将B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵圆柱型动子(3-3)沿Y2轴负向产生微小位移；

步骤二、将B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴正向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，圆柱型动子(3-3)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵圆柱型动子(3-3)沿Y2轴负向连续直线运动；

操纵圆柱型动子(3-3)绕Y2轴逆时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵圆柱型动子(3-3)绕Y2轴逆时针方向产生微小位移；

步骤二、将A路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴正向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，圆柱型动子(3-3)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵圆柱型动子(3-3)绕Y2轴逆时针方向连续旋转运动；

操纵实心圆柱型动子(3-3)绕Y2轴顺时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵圆柱型动子(3-3)绕Y2轴顺时针方向产生微小位移；

步骤二、将A路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴负向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，圆柱型动子(3-3)由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵圆柱型动子(3-3)绕Y2轴顺时针方向连续旋转运动。

5.根据权利要求3所述的一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手的激励方法，其特征在于：所述A、B两路激励电压信号相互独立，且均为非对称的锯齿波或非对称的梯形波，其波形上升和下降过程是线性的或非线性的。

说明书

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，尤其是涉及一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手及其激励方法。

背景技术

随着精密加工、精密医疗、微纳制造等先进技术的快速发展，它们对具备微纳对象操控能力的设备提出了迫切的需求，尤其是具备多自由度运动操纵能力的微纳操控机械手。然而，当前具备高灵活性和多自由度操纵能力的机械手大多采用电磁电机驱动，其结构中往往采用了复杂的减速机构以提高机械手操纵物体运动的低速平稳性；这导致其结构简化困难，在实现多自由度操纵时往往导致整个系统极为复杂；最关键的是传统电磁电机加减速机构的方式限制了其运动精度，难以满足微纳操控领域中操纵物体实现微纳米运动精度的实际需求。

近年来，随着压电功能材料在精密运动方面的成功实现，国内外研究学者对采用压电致动原理的压电微纳操纵机械手开展了广泛研究；其利用压电材料的逆压电效应实现电能和机械能的转换，通常具有响应速度快、断电自锁、结构简单、无电磁干扰，运动分辨力高等特点。当前压电微纳操纵机械手主要采用压电叠堆作为致动元件，为了扩大其运动行程，其在结构上通常与柔性位移放大机构结合；这类压电微纳操纵机械手实现了较高的运动精度，虽然其采用了柔性位移放大机构扩展操纵行程，但是其操纵行程依然有限，操纵自由度通常较为单一。由于这类压电微纳操纵机械手采用压电叠堆和柔性放大机构结合的方案，这导致其在实现多自由度运动或操纵方面存在结构复杂、难以在简化结构的基础上获得多自由度运动或操纵能力；此外，采用压电叠堆作为微纳操纵机械手的致动元件，使其在应用中产生难以避免的严重迟滞现象。总而言之，如何扩展微纳操纵机械手的自由度和操纵范围，以及如何提高微纳操纵机械手对操纵对象的适应性已经成为微纳操控领域的关键问题。

由上述可知，虽然当前研究中采用压电原理的微纳操纵机械手具备了高精度操纵能力，但是其存在明显的自由度少、操纵范围小的不足，且其可操纵对象的结构类型单一、运动类型固化。因此，兼具微纳米操纵精度、多自由度、大行程运动的操纵能力已成为目前微纳操纵机械手的研究目标。鉴于生物界动物肢体运动的多样性和灵活性，基于仿生学的基本原理，探索可实现纳米运动精度、多自由度、大行程、适应不同结构类型物体的微纳操纵机械手已成为当前的研究热点。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手及其激励方法，以解决当前微纳操纵机械手自由度少、操纵范围小、本体结构复杂、操纵对象结构类型单一和尺寸固定化的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手，包括一个平板基座、四个弯曲压电手指和若干联接螺钉，所述弯曲压电手指分为第一弯曲压电手指、第二弯曲压电手指、第三弯曲压电手指、第四弯曲压电手指；并且四个弯曲压电手指的结构相同，所述第一弯曲压电手指包括上端部、压电单元和致动器基座，且上端部的顶端为不完整的球型结构；所述四个弯曲压电手指与平板基座通过联接螺钉固定连接；所述四个弯曲压电手指在平板基座上的固定位置的中心连线为正方形或圆形；且第一弯曲压电手指的上端部、第二弯曲压电手指的上端部、第三弯曲压电手指的上端部和第四弯曲压电手指的上端部均与动子保持接触，利用四个弯曲压电手指的上端部与动子的接触实现动子的支承和操纵；被操纵的所述动子为球型动子、平板型动子或圆柱型动子，其中平板型动子的外沿形状为矩形、圆形或边数大于四条的多边形结构，圆柱型动子为实心结构或空心结构。

进一步的，四个所述弯曲压电手指的尺寸完全相同。

一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手的激励方法，

以四个弯曲压电手指在平板基座上的分布位置的对称中心为原点建立笛卡尔直角坐标系XYZ，该坐标系的X轴与第一弯曲压电手指和第二弯曲压电手指在平板基座上的固定中心的连线相平行，Y轴与第一弯曲压电手指和第四弯曲压电手指在平板基座上的固定中心的连线相平行，Z轴与弯曲压电手指的轴线方向相平行；所述四个弯曲压电手指在A、B两路电压信号激励下实现多个方向的弯曲运动，具体包括：

一是实现四个弯曲压电手指同时向X轴正向弯曲运动：将A路正值激励电压信号同时施加至四个弯曲压电手指；

二是实现四个弯曲压电手指同时向X轴负向弯曲运动：将A路负值激励电压信号同时施加至四个弯曲压电手指；

三是实现四个弯曲压电手指同时向Y轴正向弯曲运动：将B路正值激励电压信号同时施加至四个弯曲压电手指；

四是实现四个弯曲压电手指同时向Y轴负向弯曲运动：将B路负值激励电压信号同时施加至四个弯曲压电手指；

五是实现四个弯曲压电手指同时沿着其在平板基座上的固定中心外接圆切线逆时针方向弯曲运动：将A路负值激励电压信号和B路正值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指，将A路负值激励电压信号和B路负值激励电压信号同时施加至第二弯曲压电手指，将A路正值激励电压信号和B路负值激励电压信号同时施加至第三弯曲压电手指，将A路正值激励电压信号和B路正值激励电压信号同时施加至第四弯曲压电手指，以上激励电压信号施加动作同步进行；

六是实现四个弯曲压电手指同时沿着其在平板基座上的固定中心外接圆切线顺时针方向弯曲运动：将A路正值激励电压信号和B路负值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指，将A路正值激励电压信号和B路正值激励电压信号同时施加至第二弯曲压电手指，将A路负值激励电压信号和B路正值激励电压信号同时施加至第三弯曲压电手指，将A路负值激励电压信号和B路负值激励电压信号同时施加至第四弯曲压电手指，以上激励电压信号施加动作同步进行。

进一步的，通过设置A路和B路激励电压信号的幅值和时序，激励出四个弯曲压电手指的多个方向的弯曲运动，利用摩擦力操纵球型动子、平板型动子和圆柱型动子实现多个自由度的直线或旋转运动，具体包括：

操纵球型动子实现三个自由度旋转运动的具体过程为：球型动子的三自由度旋转运动是指相对于建立在球型动子球心的笛卡尔直角坐标系X1Y1Z1，根据右手定则，以绕坐标轴旋转运动的正向为逆时针方向，则操纵球型动子分别实现绕X1、Y1、Z1轴逆时针方向和顺时针方向的连续旋转运动；

其中，操纵球型动子绕X1轴逆时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子绕X1轴逆时针方向产生微小位移；

步骤二、将B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴负向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵球型动子绕X1轴逆时针方向连续旋转运动；

操纵球型动子绕X1轴顺时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子绕X1轴顺时针方向产生微小位移；

步骤二、将B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴正向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵球型动子绕X1轴顺时针方向连续旋转运动；

操纵球型动子绕Y1轴逆时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子绕Y1轴逆时针方向产生微小位移；

步骤二、将A路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴正向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵球型动子绕Y1轴逆时针方向连续旋转运动；

操纵球型动子绕Y1轴顺时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子绕Y1轴顺时针方向产生微小位移；

步骤二、将A路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴负向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵球型动子绕Y1轴顺时针方向连续旋转运动；

操纵球型动子绕Z1轴逆时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座上的固定中心外接圆切线逆时针方向的缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子绕Z1轴逆时针方向产生微小位移；

步骤二、同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座上的固定中心外接圆切线顺时针方向的快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵球型动子绕Z1轴逆时针方向连续旋转运动；

操纵球型动子绕Z1轴顺时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座上的固定中心外接圆切线顺时针方向的缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子绕Z1轴顺时针方向产生微小位移；

步骤二、同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座上的固定中心外接圆切线逆时针方向的快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵球型动子绕Z1轴顺时针方向连续旋转运动；

操纵平板型动子实现两个自由度直线运动和一个自由度旋转运动的具体过程为：平板型动子的两个自由度直线运动和一个自由度旋转运动是指相对于笛卡尔直角坐标系XYZ，分别实现沿X轴、Y轴的正向和负向连续直线运动，以及绕Z轴逆时针方向和顺时针方向的连续旋转运动；

其中，操纵平板型动子沿X轴正向连续直线运动的具体过程如下：

步骤一、将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵平板型动子沿X轴正向产生微小位移；

步骤二、将A路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴负向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，平板型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵平板型动子沿X轴正向连续直线运动；

操纵平板型动子沿X轴负向连续直线运动的具体过程如下：

步骤一、将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵平板型动子沿X轴负向产生微小位移；

步骤二、将A路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴正向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，平板型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵平板型动子沿X轴负向连续直线运动；

操纵平板型动子沿Y轴正向连续直线运动的具体过程如下：

步骤一、将B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵平板型动子沿Y轴正向产生微小位移；

步骤二、将B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴负向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，平板型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵平板型动子沿Y轴正向连续直线运动；

操纵平板型动子沿Y轴负向连续直线运动的具体过程如下：

步骤一、将B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵平板型动子沿Y轴负向产生微小位移；

步骤二、将B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴正向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，平板型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵平板型动子沿Y轴负向连续直线运动；

操纵平板型动子绕Z轴逆时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座上的固定中心外接圆切线逆时针方向的缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵平板型动子绕Z轴逆时针方向产生微小位移；

步骤二、同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座上的固定中心外接圆切线顺时针方向的快速弯曲变形至零弯曲位置，平板型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵平板型动子绕Z轴逆时针方向连续旋转运动；

操纵平板型动子绕Z轴顺时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座上的固定中心外接圆切线顺时针方向的缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵平板型动子绕Z轴顺时针方向产生微小位移；

步骤二、同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指，以上激励电压信号施加动作同步进行，四个弯曲压电手指同时产生沿着其在平板基座上的固定中心外接圆切线逆时针方向的快速弯曲变形至零弯曲位置，平板型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵平板型动子绕Z轴顺时针方向连续旋转运动；

操纵圆柱型动子实现一个自由度直线运动和一个自由度旋转运动的具体过程为：圆柱型动子的一个自由度直线运动和一个自由度旋转运动是指相对于建立在圆柱型动子端面中心的笛卡尔直角坐标系X2Y2Z2，根据右手定则，以绕坐标轴旋转运动的正向为逆时针方向，操纵圆柱型动子沿Y2轴正向和负向的连续直线运动，以及绕Y2轴逆时针方向和顺时针方向的连续旋转运动；

其中，操纵圆柱型动子沿Y2轴正向连续直线运动的具体过程如下：

步骤一、将B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵圆柱型动子沿Y2轴正向产生微小位移；

步骤二、将B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴负向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，圆柱型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵圆柱型动子沿Y2轴正向连续直线运动；

操纵圆柱型动子沿Y2轴负向连续直线运动的具体过程如下：

步骤一、将B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵圆柱型动子沿Y2轴负向产生微小位移；

步骤二、将B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿Y轴正向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，圆柱型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵圆柱型动子沿Y2轴负向连续直线运动；

操纵圆柱型动子绕Y2轴逆时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵圆柱型动子绕Y2轴逆时针方向产生微小位移；

步骤二、将A路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴正向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，圆柱型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵圆柱型动子绕Y2轴逆时针方向连续旋转运动；

操纵实心圆柱型动子绕Y2轴顺时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵圆柱型动子绕Y2轴顺时针方向产生微小位移；

步骤二、将A路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至四个弯曲压电手指，使其同时沿X轴负向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，圆柱型动子由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，操纵圆柱型动子绕Y2轴顺时针方向连续旋转运动。

进一步的，所述A、B两相激励电压信号相互独立，且均为非对称的锯齿波或非对称的梯形波，其波形上升和下降过程是线性的或非线性的。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：采用四个弯曲压电手指作为四个操纵足，通过控制四个弯曲压电手指的弯曲运动，利用摩擦力实现了对球型动子、平板型动子、圆柱型动子的自适应操纵，实现了动子的多种多自由度直线和旋转运动。四个弯曲压电手指既作为操纵单元，也是动子的支承单元，因此所提出的一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手实现了操纵单元和支承单元的一体化设计，进而简化了结构；此外，由于可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵的动子布置在四足弯曲压电手指的上方，显著地提高了动子的大尺度运动输出能力。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手的结构示意图；

图2是第一弯曲压电手指的详细结构示意图；

图3是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手可操纵的三种不同结构类型的动子示意图；

图4是四个弯曲压电手指同时沿X轴正向弯曲运动的示意图；

图5是四个弯曲压电手指同时沿X轴负向弯曲运动的示意图；

图6是四个弯曲压电手指同时沿Y轴正向弯曲运动的示意图；

图7是四个弯曲压电手指同时沿Y轴负向弯曲运动的示意图；

图8是四个弯曲压电手指同时沿着其在平板基座上的固定中心外接圆切线逆时针方向弯曲运动的示意图；

图9是四个弯曲压电手指同时沿着其在平板基座上的固定中心外接圆切线顺时针方向弯曲运动的示意图；

图10是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵球型动子绕X1轴逆时针方向旋转运动的示意图；

图11是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵球型动子绕X1轴顺时针方向旋转运动的示意图；

图12是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵球型动子绕Y1轴逆时针方向旋转运动的示意图；

图13是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵球型动子绕Y1轴顺时针方向旋转运动的示意图；

图14是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵球型动子绕Z1轴逆时针方向旋转运动的示意图；

图15是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵球型动子绕Z1轴顺时针方向旋转运动的示意图；

图16是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵平板型动子沿X轴正向直线运动的示意图；

图17是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵平板型动子沿X轴负向直线运动的示意图；

图18是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵平板型动子沿Y轴正向直线运动的示意图；

图19是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵平板型动子沿Y轴负向直线运动的示意图；

图20是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵平板型动子绕Z轴逆时针方向旋转运动的示意图；

图21是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵平板型动子绕Z轴顺时针方向旋转运动的示意图；

图22是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵圆柱型动子沿Y2轴正向直线运动的示意图；

图23是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵圆柱型动子沿Y2轴负向直线运动的示意图；

图24是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵圆柱型动子绕Y2轴逆时针方向旋转运动的示意图；

图25是一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵圆柱型动子绕Y2轴顺时针方向旋转运动的示意图；

图26是用于激励弯曲压电手指产生弯曲运动的A路或B路激励电压信号示意图；其中，分图(a)表示电压幅值均为正值的A路或B路激励电压信号，分图(b)表示电压幅值均为负值的A路或B路激励电压信号；

以上所述附图4至图25中，虚轮廓线表示弯曲压电手指或动子运动之前的位置或姿态、实轮廓线则表示弯曲压电手指或动子运动之后的位置或姿态。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

具体实施方式一：结合说明书附图1和图3对本实施方式作进一步详细的说明。本实施方式提供了一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手的具体实施方案，如图1所示的一个平板基座1、四个弯曲压电手指2、联接螺钉4；所述弯曲压电手指2分为第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4；所述第一弯曲压电手指2-1包括上端部2-1-1、压电单元2-1-2和致动器基座2-1-3，且上端部2-1-1的顶端为不完整的球型结构；其余三个弯曲压电手指与第一弯曲压电手指2-1相同，所述四个弯曲压电手指2与平板基座1通过联接螺钉4固定连接；所述四个弯曲压电手指2在平板基座1上的固定位置中心连线为正方形或圆形；且第一弯曲压电手指2-1的上端部2-1-1、第二弯曲压电手指2-2的上端部2-2-1、第三弯曲压电手指2-3的上端部2-3-1、第四弯曲压电手指2-4的上端部2-4-1均与动子3保持接触，利用四个弯曲压电手指2的上端部与动子3的接触实现动子3的支承和操纵；所述可被操纵的动子3包括球型动子3-1、平板型动子3-2、圆柱型动子3-3三种不同的结构类型，如图3所示，其中平板型动子3-2的外沿为矩形、圆形或其它边数大于四条的多边形结构、圆柱型动子3-3为实心结构或空心结构。

具体实施方式二：结合说明书附图2对本实施方式作进一步详细的说明。本实施方式提供了上述可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手所包含的弯曲压电手指的具体实施方案。四个弯曲压电手指2的结构类型、尺寸、激励方法、运动形式完全相同。在此以第一弯曲压电手指2-1为例开展如下说明：

第一弯曲压电手指2-1的结构如图2所示，其包括上端部2-1-1、压电单元2-1-2和致动器基座2-1-3三个部分。其中，上端部2-1-1的顶端为不完整的球型结构；压电单元2-1-2整体为空心圆柱结构，其在圆周方向上被均分为四个扇形体区域，即一号扇形体2-1-2-1、二号扇形体2-1-2-2、三号扇形体2-1-2-3和四号扇形体2-1-2-4；且在四个扇形体的内外环表面上均设置有导电金属层。四个扇形体内环表面的导电金属层相互连接作为电极G，一号扇形体2-1-2-1和三号扇形体2-1-2-3外环表面的导电金属层相互连接作为电极EA，二号扇形体2-1-2-2和四号扇形体2-1-2-4外环表面的导电金属层相互连接作为电极EB，且电极EA、EB和G之间互不相连。压电单元2-1-2的四个扇形体材质为极化后具备正、逆压电效应的材料；一号扇形体2-1-2-1和三号扇形体2-1-2-3电场极化方向相反，二号扇形体2-1-2-2和四号扇形体2-1-2-4的电场极化方向相反。当一路幅值为正值或负值的激励电压信号施加在电极EA和G之间，压电单元2-1-2产生沿X轴正向或负向的弯曲；当另一路幅值为正值或负值的激励电压信号施加在电极EB和G之间，压电单元2-1-2产生沿Y轴正向或负向的弯曲。实际上，本发明实施例中所提及的A路激励电压信号施加在EA和G之间；B路激励电压信号施加在EB和G电极之间；通过控制A路和B路激励电压信号的幅值和时序，可控制弯曲压电手指2的弯曲运动幅度和方向。

第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4与上述第一弯曲压电手指2-1相同，在此不再赘述。

具体实施方式三：结合说明书附图4至图9，以及图26对本实施方式作进一步详细的说明。本实施方式提供了上述可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手的激励方法的具体实施方案，该方法可以激励可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手的四个弯曲压电手指即第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4产生多种弯曲运动，用于操纵动子3实现直线或旋转运动；如下所提及的坐标系XYZ为：以弯曲压电手指2在平板基座1上的分布位置的对称中心为原点建立的笛卡尔直角坐标系，X轴与第一弯曲压电手指2-1和第二弯曲压电手指2-2在平板基座1上的固定中心的连线相平行，Y轴与第一弯曲压电手指2-1和第四弯曲压电手指2-4在平板基座1上的固定中心的连线相平行，Z轴与弯曲压电手指2的轴线方向相平行。

实现四个弯曲压电手指弯曲运动的激励方法如下：

如图4所示，实现第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3和第四弯曲压电手指2-4同时向X轴正向弯曲运动的激励方法：将A路正值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3和第四弯曲压电手指2-4；

如图5所示，实现第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3和第四弯曲压电手指2-4同时向X轴负向弯曲运动的激励方法：将A路负值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4；

如图6所示，实现第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4同时向Y轴正向弯曲运动的激励方法：将B路正值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4；

如图7所示，实现第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4同时向Y轴负向弯曲运动的激励方法：将B路负值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4；

如图8所示，实现第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4同时沿着其在平板基座1上的固定中心外接圆切线逆时针方向弯曲运动的激励方法：将A路负值激励电压信号和B路正值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指2-1，将A路负值激励电压信号和B路负值激励电压信号同时施加至第二弯曲压电手指2-2，将A路正值激励电压信号和B路负值激励电压信号同时施加至第三弯曲压电手指2-3，将A路正值电压和B路正值电压同时施加至第四弯曲压电手指2-4；以上激励电压信号施加动作同步进行；

如图9所示，实现第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4同时沿着其在平板基座1上的固定中心外接圆切线顺时针方向弯曲运动的激励方法：将A路正值激励电压信号和B路负值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指2-1，将A路正值激励电压信号和B路正值激励电压信号同时施加至第二弯曲压电手指2-2，将A路负值激励电压信号和B路正值激励电压信号同时施加至第三弯曲压电手指2-3，将A路负值电压和B路负值电压同时施加至第四弯曲压电手指2-4；以上激励电压信号施加动作同步进行；

上述所采用的A路和B路激励电压信号如图26所示，其中，图26(a)为A路和B路正值激励电压信号示意图，图26(b)为A路和B路负值激励电压信号示意图。

具体实施方式四：结合说明书附图10至图15对本实施方式作进一步的说明。本实施方式提供了可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手操纵球型动子3-1实现三个自由度旋转运动的具体实施方案；具体是：相对于如图10至图15中所示建立在球型动子3-1球心的笛卡尔直角坐标系X1Y1Z1，该坐标系各坐标轴与建立在基座上的坐标系XYZ相平行，根据右手定则，确定绕坐标轴旋转运动的正向为逆时针方向，采用如图26所示的A路和B路激励电压信号，操纵球型动子3-1分别绕X1、Y1、Z1轴的顺时针方向和逆时针方向连续旋转运动；此处所提及的坐标系XYZ为：以弯曲压电手指2在平板基座1上的分布位置的对称中心为原点建立的笛卡尔直角坐标系，X轴与第一弯曲压电手指2-1和第二弯曲压电手指2-2在平板基座1上的固定中心的连线相平行，Y轴与第一弯曲压电手指2-1和第四弯曲压电手指2-4在平板基座1上的固定中心的连线相平行，Z轴与弯曲压电手指2的轴线方向相平行。

需要特别说明的是：以下实施步骤中包含对激励电压信号的描述，在此对所述激励电压信号的对应关系作简要说明；具体是：所述A路和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号对应于图26(a)所示一个周期T中的t1时段；所述A路和B路幅值快速下降的正值激励电压信号对应于图26(a)所示一个周期T中的t2时段；所述A路和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号对应于图26(b)所示一个周期T中的t1时段；所述A路和B路幅值快速上升的负值激励电压信号对应于图26(b)所示一个周期T中的t2时段；以上对应关系在下述实施步骤中可能全部或部分被提及。

如图10所示，操纵球型动子3-1绕X1轴逆时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4，使其同时沿Y轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子3-1绕X1轴逆时针方向产生微小位移；

步骤二、将B路幅值快速下降的正值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4，使其同时沿Y轴负向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子3-1由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，即重复施加图26(a)所示激励电压信号的多个周期T，可操纵球型动子3-1绕X1轴逆时针方向连续旋转运动。

如图11所示，操纵球型动子3-1绕X1轴顺时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4，使其同时沿Y轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子3-1绕X1轴顺时针方向产生微小位移；

步骤二、将B路幅值快速上升的负值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4，使其同时沿Y轴正向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子3-1由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，即重复施加图26(b)所示激励电压信号的多个周期T，可操纵球型动子3-1绕X1轴顺时针方向连续旋转运动。

如图12所示，操纵球型动子3-1绕Y1轴逆时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4，使其同时沿X轴负向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子绕Y1轴逆时针方向产生微小位移；

步骤二、将A路幅值快速上升的负值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4，使其同时沿X轴正向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子3-1由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，即重复施加图26(b)所示激励电压信号的多个周期T，可操纵球型动子3-1绕Y1轴逆时针方向连续旋转运动。

如图13所示，操纵球型动子3-1绕Y1轴顺时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4，使其同时沿X轴正向产生缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子绕Y1轴顺时针方向产生微小位移；

步骤二、将A路幅值快速下降的正值激励电压信号同时施加至第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4，使其同时沿X轴负向产生快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子3-1由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，即重复施加图26(a)所示激励电压信号的多个周期T，可操纵球型动子3-1绕Y1轴顺时针方向连续旋转运动。

如图14所示，操纵球型动子3-1绕Z1轴逆时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指2-1，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指2-2，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指2-3，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指2-4，以上激励电压信号施加动作同步进行，第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4同时产生沿着其在平板基座1上的固定中心外接圆切线逆时针方向的缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子3-1绕Z1轴逆时针方向产生微小位移；

步骤二、同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指2-1，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指2-2，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指2-3，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指2-4，以上激励电压信号施加动作同步进行，第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4同时产生沿着其在平板基座1上的固定中心外接圆切线顺时针方向的快速弯曲变形至零弯曲位置，球型动子3-1由于惯性保持静止；

步骤三、重复步骤一至步骤二，即重复施加图26所示激励电压信号的多个周期T，可操纵球型动子3-1绕Z1轴逆时针方向连续旋转运动。

如图15所示，操纵球型动子3-1绕Z1轴顺时针方向连续旋转运动的具体过程如下：

步骤一、同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指2-1，同时将A路幅值缓慢上升的正值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指2-2，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢上升的正值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指2-3，同时将A路幅值缓慢下降的负值激励电压信号和B路幅值缓慢下降的负值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指2-4，以上激励电压信号施加动作同步进行，第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手指2-2、第三弯曲压电手指2-3、第四弯曲压电手指2-4同时产生沿着其在平板基座1上的固定中心外接圆切线顺时针方向的缓慢弯曲变形至极限位置，通过静摩擦力操纵球型动子3-1绕Z1轴顺时针方向产生微小位移；

步骤二、同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第一弯曲压电手指2-1，同时将A路幅值快速下降的正值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第二弯曲压电手指2-2，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速下降的正值激励电压信号施加至第三弯曲压电手指2-3，同时将A路幅值快速上升的负值激励电压信号和B路幅值快速上升的负值激励电压信号施加至第四弯曲压电手指2-4，以上激励电压信号施加动作同步进行，第一弯曲压电手指2-1、第二弯曲压电手

一种可操纵多种相异结构动子的四指压电机械手及其激励方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。