一种能够产生剪刀效应的对称驱动线性压电陶瓷超声波电机

作为机电执行器，对称驱动装置常用于需要对称运动、驱动和控制的领域，例如抓取或剪切操作、微通道的快速对称打开或关闭等。需求旺盛的场景之一是微创手术，包括精准抓取和切割肿瘤细胞、视网膜显微手术等。在微机电设备领域，剪切或抓取操作本质上属于两个末端执行器之间的两次对称驱动。然而，几乎没有一种电机能够直接产生两个对称的线性运动。

一般来说，要产生两个对称的运动，比较简单的方法是用两个串联或并联的定子分别驱动两个转轮同时靠近或远离。第二种方式是借助一对反向螺纹或一对反向齿轮将输出轴的旋转运动转换为两个线性对称运动。第三种解决方案是采用复杂的传动机构，例如齿条和小齿轮、柔性铰链等，将一个执行器的单向运动转换为两个相反的运动。然而，上述所有方法都会导致结构更加复杂和更大，并且可能以非常有限的行程和输出力为代价。所以，

如今，董树祥教授课题组研发出一种新型对称驱动线性压电陶瓷超声电机(SLPUM)，无需使用额外的复杂传动机构，可以直接产生一对剪刀的双向对称运动输出。基本思想是包含(2×3)个阵列单元的一个压电陶瓷棒可以在第一纵向(L 1 )和第三弯曲(B 3 )的耦合谐振模式下工作)模式，在其两个摩擦尖端产生两个对称、方向相反的椭圆运动轨迹，见图1。通过摩擦耦合，可以将摩擦尖端的两个对称椭圆运动转换为两个动子的对称、同步的相反或向后的运动，相同的速度，如图2所示。该工作机构对传统的一个定子只能驱动一个执行机构的工作原理进行了革命性的改变。同时，这种对称驱动机构使压电电机的工作效率提高了一倍，如图3所示。

此外，由于滑块上安装了一把商用显微手术剪刀，L 1 - B 3 SLPUM可以进一步应用于显微手术机器人，进行高精度显微手术操作，具体结构如图3A所示。而且，剪刀效应可以使两个驱动端的输出力增加数倍。如图 3 和图 4 所示，该原型具有以下特点：(i) 两个滑块向外或向内方向的相对移动速度较快(约 1.0 m/s)，(ii) 高步进分辨率(滑块为 40 nm) )，(iii)相对较大的输出力(滑块为3.4 N，剪刀为17 N)，(iv)高输出功率(347.8 mW)和功率密度(405.4 mW/cm 3 或9.65 mW/ cm )3 ·kHz)，是已报道的两倍，并且(v)在150 V pp /mm的电场下具有高效率(22.1%)。因此，这项工作对未来压电驱动装置的设计具有指导意义。

为了验证，我们使用该样机进行了不同应用场景的实验，例如切割铜线、猪肉、牛肉片、肠子等，如图5所示。因此，该电机可以进一步应用于显微手术机器人中，以执行高精度抓取、剪切等外科手术。这项工作提出的设计策略为开发未来压电微机电器件开辟了新的途径。