本发明涉及应用弹性机构的运动转换机构，特别是涉及一种利用弹性机构将各种微幅伸缩运动转换为转动或直线运动的运动转换机构，以及采用上述运动转换机构的电动机。 已有技术中常用的电动机是根据电磁作用的原理工作的，从电流和磁场之间的相互作用得到驱动力，但是，现在已经发展了一种利用电致伸缩效应工作的电动机。正如众所周知的那样，许多压电元件同时具有逆效应，即电致伸缩效应，利用这种效应来发展新型电动机的前景是十分诱人的，因为这种与电磁式电动机完全不同的新型电动机具有诸如结构简单、转速稳定、响应快、容易控制、低速高转矩等许多优点，特别适合于自动控制、工业机器人等领域应用。
在研制上述新型电动机方面取得的某些成果，已经发表在美国专利4513219和4399386上。上述文献分别叙述了两种采用压电元件的旋转电动机。这类电动机的基本型式是配置一系列在圆周上均匀分布的压电元件，将交流电压或直流脉冲电压按一定规律依次加到各个压电元件上，使压电元件产生规则的微幅曲线振动，并且用与之相接触的摩擦材料将微幅曲线振动转换成某一转子的连续的旋转运动。
在上述机构中存在着如下缺点：
1、压电元件的曲线振动和转子的连续旋转运动并不完全协调，在任一振动周期中，有效工作时间小于1/2，其余时间不做功;
2、压电材料与摩擦材料之间的滑动摩擦会产生功率损耗，并导致材料磨损;
3、一旦负荷超载甚至发生电动机逆转的情况时，压电元件与摩擦材料之间将产生严重磨损以致损坏;
4、由于存在滑动摩擦现象，转速将受到负载变化的影响;
5、转速不能达到较高的数值;
6、仅适合于小功率和微型电机，无法得到较大的功率。
针对上述压电式电动机的不足之处，本发明地目的之一在于提出一种利用弹性机构将微幅伸缩运动转换为转动或直线运动的运动转换机构，微幅伸缩运动可以由电致伸缩元件、磁致伸缩元件和热膨胀元件等各类微幅致动器产生;
本发明进一步的目的在于提出一种采用上述机构的电动机，同时克服如前所述的压电式电动机的不足之处。
本发明的原理和方法如下：
运动转换机构包括一个运动机构和一组微幅致动器，并且，在运动机构与微幅致动器组之间设置一组弹性机构，每一弹性机构将一个微幅致动器的微幅伸缩转换成弹性力的变化，并作用在运动机构上。由于各弹性机构的作用，在运动机构、微幅致动器组和弹性机构组之间就建立一弹性场，对应于运动机构的不同姿态，就有不同的弹性势能，这样，整个机构总是企图趋于势能最小状态，即，运动机构将选择适当的姿态以减小系统的势能，而微幅致动器的输出状态改变时，对弹性场的微扰将使运动机构产生新的运动以达到新的势能最小状态。采用适当的弹性机构和运动机构，并用一定的外激励和分配方法通过各个微幅致动器微扰这一运动转换机构，即可使运动机构产生所希望的运动，这样，就把各微幅致动器的微幅运动合成并转换为一种所需的运动。
按照这一方法，可以提出下列机构：
运动转换机构包括一组微幅致动器，一组弹性机构和一个运动机构，运动机构包括一个工作部件和一个运动部件，其中，工作部件具有一个与各微幅致动器相向的异形工作表面，各微幅致动器相对于运动部件成规则分布，相对于上述工作表面成不规则分布，这种不规则分布的产生是由于工作部件的位置或工作表面的形状所造成的。弹性机构的数目与微幅致动器相等，一一对应，分别布置在每一微幅致动器与工作部件之间，一端或一个表面与对应的微幅致动器相连接或相接触（紧贴），另一端或另一个表面则均与工作部件的工作表面相接触，同时，使各微幅致动器与工作部件的工作表面之间距离小于各弹性机构的自由长度，这样各个弹性机构就被适当地压紧，并产生一定的弹性预应力，由于各微幅致动器对于工作部件的工作表面成不规则分布，因此各微幅致动器到上述工作表面之间的距离不同，使得各个弹性机构被压紧后的长度和应力也不同，通常，工作部件受到的合力或合力矩不为零，则该部件的位置取向趋于某一平衡位置，或者说，工作部件趋于弹性场中某一势能极小位置，这样，工作部件将发生运动，并带动运动部件作相应的运动，于是，这一运动转换机构就把各微幅致动器的微幅运动合成并转换成我们所希望的某种运动。
同如前所述已有的机构对比，显然本发明具有如下优点：
1、致动器的往复伸缩运动与所需的微扰运动完全一致，在工作循环的每一阶段，致动器都对外做功;
2、致动器在工作中无摩擦现象，不会产生磨损，整个机构中也几乎不存在滑动摩擦;
3、由下面的实施例将可以看到，本发明提出的机构可以逆向运行，因此，被强制逆向运动时并不会损坏，例如，可以从电动机变为发电机运行，同时产生制动作用;
4、该机构用于交流电动机时为同步电机，转速稳定，且不受负载变化影响;
5、在采用电致伸缩致动器时无磁滞现象，机械迟滞可以通过材料的选用减至最小，可以实现转速高达105转/分的转动机构，远远超出应用摩擦方法所能达到的转速;
6、本发明用于电动机时，理论上对功率并无限制，可制造功率极大的电动机;
7、对于电致伸缩元件这类位移输出型致动器，其输出功率是和负载的特性有关的，在本发明中可恰当选用弹性机构特性和工作部件的结构参数的配合来取得最大功率输出的效果。
图1是本发明的一个实施例的结构示意图;
图2是图1沿A-A向的截面图;
图3是本发明的另一个实施例的结构示意图;
图4是本发明的第三个实施例的结构示意图;
图5是本发明的第四个实施例的结构示意图;
图6是图5沿A-A向的截面图;
图7是本发明的第五个实施例的结构示意图;
图8是图7的局部剖视图。
参见图1、图2。两图中给出了本发明的一个实施例，由于结构对称，图中只画出对称的一半和A-A向的剖面。
这一机构由作为运动部件的主轴[7]和致动器组件等组成。主轴[7]被滚珠轴承[9]和滚柱轴承[10]安装在底座[1]的中央，其一端带有工作部件，即偏心轴颈[8]和套在其上的轴承[11]，偏心轴颈[8]的轴线与主轴[7]的轴线错开一段间隔，互相平行。在轴承[11]周围，以主轴[7]为中心对称地布置着六个同样的致动器组件，每一致动器组件前端与轴承[11]相接触的是一滑柱[2]，当致动器[5]由于形变而产生位移时，它通过弹簧座[4]压缩弹簧[3]，从而将微量位移转换成作用在滑柱[2]上的推力变化，并通过滑柱[2]作用到轴承[11]上。六个致动器组件和偏心轴颈[8]之间就构成了一个平面弹性场，而偏心轴颈[8]总是要在这一弹性场中寻找适当位置使整个系统的势能为最小，当各致动器[5]的输出位移相同时，弹性场与主轴[7]同轴，如果各致动器[5]的输出位移由于外界激励而不同时，弹性场将受微扰而中心偏移，不再与主轴[7]同轴，偏心轴颈[8]将因寻找新的势能最小位置而发生转动。在实际应用中，通过适当的外部激励控制各致动器[5]的输出位移，使这一机构的势能最小位置绕主轴[7]的轴线旋转，则偏心轴颈[8]将随之旋转，这样，就把微幅运动转换成主轴[7]的旋转运动。
这一把往复的微幅位移转换成旋转运动的机构中的致动器[5]可以有多种形式，如电致伸缩元件、磁致伸缩元件和热膨胀元件等，当采用电致伸缩元件时，该机构就成为一种电动机。此时，产生旋转运动的外激励可以是一个周期性的电源，如三相交流电、具有一定周期和相位关系的多路直流脉冲电源等，在现有技术中已被采用。
现有的很多种电致伸缩元件可以用于上述电动机，一种较好的材料是锆钛酸铅压电陶瓷。
参见图3。
图3中给出了本发明的另一个实施例，这是一种将致动器[5]的微幅运动转换成幅度较大的直线运动的机构，可以用于直线电机。图中，工作部件[1]呈直轴状，可纵向移动，具有两个互成轴对称且光滑起伏的周期性工作曲面，多个致动器[5]分为相向安置在工作部件[1]两侧的同样两组，也成轴对称分布，每一组致动器[5]平行布置，间距相等，具有相同的工作曲面和外激励，处于“并联”工作状态，以增加作用力。当然，如果只用一组致动器[5]也是可行的，此时只需要一个工作曲面。
每一致动器[5]一端固定，另一端与一弹簧[3]相接，通过弹簧[3]推动滑杆[4]和位于滑杆[4]另一端的滚轮[2]，滚轮[2]前进时推动工作部件[1]作纵向直线运动，将微幅运动转化为直线运动。
由于滚轮[2]是可转动的，因此可以减小同工作部件[1]的工作曲面之间的摩擦。
工作曲面为光滑的周期性柱面，具体形状可以根据外激励或致动器[5]的输出与工作部件[1]的直线运动之间所需的函数关系来决定。
致动器[5]之间的距离t′同工作曲面的周期t之间的关系必须符合某些条件，这些条件可以有多种选择，在本例中，t与t′满足下式：
t′＝mt±t/n ……（1）
式（1）中，m为任选的正整数，n为一组致动器[5]的个数。
运动部件可以是工作部件[1]本身，也可以固定在其一端或上表面。
这一机构所需的电源与图1、图2中的实施例相同，工作情形及致动器组件的结构也与图1、图2中所示的机构类似，区别只是在于旋转运动变为直线运动。
参见图4。
在图4所示的实施例中，弹性杠杆[3]代替了图1结构中的弹簧[3]。在底座[8]靠近中间位置的地方是带有轴承[11]的偏心轴颈[10]，在偏心轴颈[10]周围，以底座[8]的圆心为中心对称地布置着六个同样的致动器组件。每一组件有一个固定在底座[8]上的支承[1]、安装在底座[8]边缘的调节螺钉[7]、一个弹性杠杆[3]和一个致动器[5]，弹性杠杆[3]在支点[2]和力点[4]分别与支承[1]和致动器[5]铰接，致动器[5]的另一端则用球铰[6]与调节螺钉[7]铰接。调节螺钉可以用来调节致动器[5]和弹性杠杆[3]的初始位置。当致动器[5]输出微量位移时，推动弹性杠杆[3]绕支点[2]转动，由于弹性杠杆[3]在力点[4]两边的长度相差较大，因此弹性杠杆[3]的末端可以有较大的位移，同时，弹性杠杆[3]也把致动器[5]的微量位移转换成弹性力，并作用在轴承[11]上。由此可见，该机构同样能把各致动器[5]按一定规律的微幅伸缩转换成旋转运动。
参见图5、图6。
图5、图6所示的是另一种形式的结构，与图1、图2中结构的区别是弹性机构采用高分子弹性体来代替弹簧，同时以椭圆转子和柔性轴承来代替偏心轴颈作为工作部件。
如图中所示，致动器[6]沿平行主轴[1]的方向伸缩，通过刚性的加压扇形块[5]挤压弹性扇形块[4]的一个扇面，弹性扇形块[4]在图6所示平面上扩张，由于三个方向均被外壳[7]所限制，其膨涨仅在与柔性轴承[3]外圈相接触的一端的方向上被允许。柔性轴承[3]呈椭圆形，其形状与椭圆转子[2]相同，并固定在椭圆转子[2]上，柔性轴承[3]的外圈是一薄形弹性金属圈，当该柔性轴承[3]转动时它可以改变形状。这样，按照如前所述的原理，当各致动器[6]产生微幅运动时，各弹性扇形块[4]对柔性轴承[3]施加作用力，使得椭圆转子[2]和固定其上的柔性轴承[3]的取向改变，柔性轴承的外圈也不断改变形状，同时，带动与椭圆转子[2]相固定的主轴[1]转动，也就实现了本发明的目的。
参见图7、图8。
图7、图8给出了又一个实施例，这种结构采用倾斜盘[1]作为工作部件，并把致动器[5]沿轴向配置。
该结构包括带有转轴的倾斜盘[1]，安装在倾斜盘[1]上的推力轴承[2]，安装在推力轴承[2]上的推力盘[3]，以及与图1的实施例相同的致动器[5]、弹簧座[6]、弹簧[7]和滑柱[4]等。
倾斜盘[1]的法线与其转轴成一较小的锐角，因此转轴旋转时倾斜盘[1]绕转轴章动，而推力盘[3]可相对倾斜盘[1]转动。
致动器[5]通过弹簧座[6]压缩弹簧[7]，使致动器[5]输出的微量位移转换为力的变化，通过滑柱[4]作用于推力盘[3]上。多个这样的弹簧[7]构成了一个轴向一维弹性场，在本例中为六个，如图8所示。当各致动器[5]的输出位移相同时弹性场的方向和轴一致，如果各致动器[5]的输出不等且具有特定形式，则所构成的弹性场的方向和转轴的轴线倾斜，使倾斜盘[1]寻找势能最小处平衡。如果各致动器[5]的输出位移按给定形式不断变化，使弹性场的方向在一锥面上运动，则倾斜盘[1]也带动转轴随之旋转。
如上所述，按照本发明的基本构思，可以用多种方法来实现发明目的，对各种具体结构可以作出许多变化，只要适合于实际应用的特定需要，就都是可取的。