CN102540398B - 一种具有低交叉耦合的全柔顺两轴转动反射镜 - Google Patents

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本发明属于柔顺机构领域，涉及一种可用于激光成像、激光雷达、失调光束校正、空间光通信光束对准等领域的柔顺装置，特别是一种具有低交叉耦合的全柔顺两轴转动反射镜（一种实现绕两个轴任意转动的柔性反射镜装置），其特征是：至少包括动平台和反射镜，连接在动平台四周的四个口字形柔性梁3实现反射镜的无摩擦、无间隙转动，每个口字形柔性梁外侧连接有十字形扭转柔性铰链以减小两轴的运动耦合，每个十字形扭转柔性铰链外端均匀连接在框架四周，当驱动口字形柔性梁变形时，实现反射镜精确、快速、低交叉耦合的两轴旋转运动。该柔顺装置结构简单、造价低、无摩擦、免润滑、能耗低、加工工艺性好。

Description

一种具有低交叉耦合的全柔顺两轴转动反射镜
技术领域
本发明属于柔顺机构领域，涉及一种具有低交叉耦合的全柔顺两轴转动反射镜，实现反射镜绕两个轴任意转动，用于激光成像、激光雷达、失调光束校正、空间光通信光束对准等领域。
背景技术
两轴转动反射镜需要实现精确、快速、低交叉耦合的两轴旋转运动。现有的部分设计基于刚性机构，刚性机构中铰链所固有的摩擦和间隙会严重影响转动的精度，同时由于需要润滑，无法在一些极端的环境（如太空）中使用；另外也有一些设计基于柔顺机构，但两轴转动存在较大的交叉耦合，增加了控制难度，同时降低了转动的精确性。
因此，设计一种具有低交叉耦合的全柔顺两轴转动反射镜有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、造价低、加工工艺性好且低交叉耦合的具有低交叉耦合的全柔顺两轴转动反射镜。
本发明所采用的技术方案是：一种低交叉耦合的全柔顺两轴转动反射镜装置，其特征是：包括框架、十字形扭转柔性铰链和口字形柔性梁连接动平台，反射镜安装在动平台上；动平台四周对称连接有四个口字形柔性梁，四个口字形柔性梁的外侧分别连接一个十字形扭转柔性铰链的内端，十字形扭转柔性铰链外端连接框架，框架起支撑和固定作用，动平台在外界驱动作用下可以实现绕两个轴的任意转动。
所述十字形扭转柔性铰链分别用右十字形扭转柔性铰链、下十字形扭转柔性铰链、左十字形扭转柔性铰链、上十字形扭转柔性铰链四个十字形扭转柔性铰链给出，右十字形扭转柔性铰链和左十字形扭转柔性铰链为一组，下十字形扭转柔性铰链和上十字形扭转柔性铰链为一组，每组十字形柔性铰链在框架内呈轴线延伸线重合，两组轴线延伸线正交，形成反射镜的两个转动轴，十字形扭转柔性铰链可提供绕其轴线的转动自由度。
所述的右十字形扭转柔性铰链与右口字形柔性梁的中端开口端连接，下十字形扭转柔性铰链与下口字形柔性梁的中端开口端连接，左十字形扭转柔性铰链与左口字形柔性梁的中端开口端连接，上十字形扭转柔性铰链与上口字形柔性梁的中端开口端连接，四个十字形扭转柔性铰链分别以类似转轴的方式与框架和口字形柔性梁连接；当动平台在外界驱动下转动时，口字形柔性梁发生变形，以提供动平台相应的转动自由度。
所述的动平台可以是任意形状。
所述的反射镜安装在动平台上的任意位置。
本发明的有益效果是：成功实现了一种低交叉耦合的全柔顺两轴转动反射镜装置。其特征是：装有反射镜的动平台外侧对称地连接四个口字形柔性梁，四个口字形柔性梁的另一端分别连接四个十字形扭转柔性铰链的内端，四个十字形扭转柔性铰链的外端连接框架，四个十字形扭转柔性铰链分为两组，每一组呈轴线延伸线重合，两组轴线延伸线正交，形成反射镜的两个转动轴；当驱动动平台使反射镜绕一个轴转动时，与此转动轴正交方向的两个口字形柔性梁发生变形，而与该转动轴同轴的口字形柔性梁将随着动平台一起转动，口字形柔性梁带动与之连接的十字形扭转柔性铰链发生绕其轴线的扭转变形。十字形扭转柔性铰链的转动柔度为动平台提供了轴向转动的自由度，使得与之相连的口字形柔性梁的扭转变形很大程度地减小，这样对动平台沿另一个轴向转动的影响就大为降低，也即两轴的交叉耦合降低，使得动平台沿两个轴向的转动线性度更好（相互独立、互不干扰），控制起来更为容易。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明做进一步说明。
图1是全柔顺两轴转动反射镜的示意图；
图2是十字形扭转柔性铰链的示意图；
图3是口字形柔性梁的示意图；
图4是口字形柔性梁的变形示意图；
图5是驱动一组口字形柔性梁变形时的反射镜转动示意图，反射镜绕一个轴转动； 
图6是同时驱动四个口字形柔性梁的示意图，反射镜绕两个转动轴均有转动。
图中：1、框架；2、十字形扭转柔性铰链；3、口字形柔性梁；21、右十字形扭转柔性铰链；22、下十字形扭转柔性铰链；23、左十字形扭转柔性铰链；24、上十字形扭转柔性铰链；31、右口字形柔性梁；32、下口字形柔性梁；33、左口字形柔性梁；34、上口字形柔性梁；4、动平台；5、反射镜。
具体实施方式
实现绕两个轴任意转动的全柔顺两轴转动反射镜装置，包括框架1、十字形扭转柔性铰链2和口字形柔性梁3连接动平台4，反射镜5安装在动平台4上。动平台4四周对称连接有四个口字形柔性梁3，四个口字形柔性梁3的外侧分别连接一个十字形扭转柔性铰链2的内端，十字形扭转柔性铰链2外端连接框架1。
全柔顺两轴转动反射镜装置如图1所示，十字形扭转柔性铰链2如图2所示，口字形柔性梁3如图3所示。为方便说明，四个十字形扭转柔性铰链2分别用右十字形扭转柔性铰链21、下十字形扭转柔性铰链22、左十字形扭转柔性铰链23、上十字形扭转柔性铰链24给出，分为两组，右十字形扭转柔性铰链21和左十字形扭转柔性铰链23为一组，下十字形扭转柔性铰链22和上十字形扭转柔性铰链24为一组，每组十字形柔性铰链在框架1内呈轴线延伸线重合，两组轴线延伸线正交，形成反射镜的两个转动轴。
同样为方便说明，四个口字形柔性梁3分别用右口字形柔性梁31、下口字形柔性梁32、左口字形柔性梁33、上口字形柔性梁34给出，右十字形扭转柔性铰链21与右口字形柔性梁31的中端开口端连接，下十字形扭转柔性铰链22与下口字形柔性梁32的中端开口端连接，左十字形扭转柔性铰链23与左口字形柔性梁33的中端开口端连接，上十字形扭转柔性铰链24与上口字形柔性梁34的中端开口端连接，四个十字形扭转柔性铰链2分别以类似转轴的方式与框架1和口字形柔性梁3连接。当驱动动平台4沿某一轴发生转动时，与该轴正交方向的口字形柔性梁发生如图4所示的变形。
实施例1
实施例1中动平台4是正方形，它的四个角分别与右口字形柔性梁31、下口字形柔性梁32、左口字形柔性梁33、上口字形柔性梁34连接，右口字形柔性梁31连接右十字形扭转柔性铰链21的内端，下口字形柔性梁32连接下十字形扭转柔性铰链22的内端，左口字形柔性梁33连接左十字形扭转柔性铰链23的内端，上口字形柔性梁34连接上十字形扭转柔性铰链24的内端，四个十字形柔性铰链的外端连接框架1。其工作状态可结合图1、图4、图5和图6一起说明。
当驱动图1中的沿X轴方向的一对口字形柔性梁31和33靠近动平台4的一端分别沿Z轴正、负方向运动时，口字形柔性梁31和33发生如图4所示的变形，带动动平台4及反射镜5绕Y轴旋转，如图5所示。同时，沿Y轴方向的一对口字形柔性梁32和34跟随动平台4旋转，沿Y轴方向的十字形扭转柔性铰链22和24也随之扭转。十字形扭转柔性铰链22和24的转动柔度为动平台提供了绕Y轴的转动自由度，使得与其相连的一对口字形柔性梁32和34变形很小，这样实现了反射镜5绕Y轴的纯转动；X轴方向的一对十字形扭转柔性铰链21和23并未变形，因而反射镜5绕Y轴的转动对X轴方向的驱动器影响微小。
当驱动图1中的沿X轴方向的一对口字形柔性梁31和33靠近动平台4的一端分别沿Z轴正、负方向运动，同时驱动沿Y轴方向的一对口字形柔性梁32和34靠近动平台4的一端分别沿Z轴正、负方向运动时，四个口字形柔性梁31、32、33和34发生变形（如图4所示），带动动平台4及反射镜5绕X轴和Y轴旋转，如图6所示。同时，口字形柔性梁也会跟随动平台4旋转，十字形扭转柔性铰链21、22、23、24也随之绕轴线扭转变形，为动平台提供轴向转动的自由度，使得动平台沿一个轴向的转动对另一个轴向转动的影响大为降低，也即两轴的交叉耦合降低。
从实施例1可以看出，动平台4及反射镜5可以实现任意角度的旋转。
本发明由于使用了十字形扭转柔性铰链为动平台提供旋转时的自由度，使得与之相连的口字形柔性梁的扭转变形很大程度地减小，这样对动平台沿另一个轴向转动的影响就大为降低，也即两轴的交叉耦合降低，使得动平台沿两个轴向的转动线性度更好（相互独立、互不干扰），控制起来更为容易。
由于这种全柔顺两轴转动反射镜装置的结构简单，转动中心稳定，可实现反射镜的无摩擦、无间隙转动，每个口字形柔性梁外侧连接有十字形扭转柔性铰链可以有效降低两轴间的运动耦合，可以实现反射镜精确、快速、低交叉耦合的两轴旋转运动，所以可以应用于激光成像、激光雷达、失调光束校正、空间光通信光束对准等领域中。

Claims (5)

1.一种低交叉耦合的全柔顺两轴转动反射镜装置，其特征是：包括框架、十字形扭转柔性铰链和口字形柔性梁连接动平台，反射镜安装在动平台上；动平台四周对称连接有四个口字形柔性梁，四个口字形柔性梁的外侧分别连接一个十字形扭转柔性铰链的内端，十字形扭转柔性铰链外端连接框架，框架起支撑和固定作用，动平台在外界驱动作用下可以实现绕两个轴的任意转动。
2.根据权利要求1所述的一种低交叉耦合的全柔顺两轴转动反射镜装置，其特征是：所述十字形扭转柔性铰链分别用右十字形扭转柔性铰链、下十字形扭转柔性铰链、左十字形扭转柔性铰链、上十字形扭转柔性铰链四个十字形扭转柔性铰链给出，右十字形扭转柔性铰链和左十字形扭转柔性铰链为一组，下十字形扭转柔性铰链和上十字形扭转柔性铰链为一组，每组十字形柔性铰链在框架内呈轴线延伸线重合，两组轴线延伸线正交，形成反射镜的两个转动轴，十字形扭转柔性铰链可提供绕其轴线的转动自由度。
3.根据权利要求1或2所述的一种低交叉耦合的全柔性两轴转动反射镜装置，其特征是：所述的口字形柔性梁分别用右口字形柔性梁、下口字形柔性梁、左口字形柔性梁、上口字形柔性梁给出；所述的右十字形扭转柔性铰链与右口字形柔性梁的中端开口端连接，下十字形扭转柔性铰链与下口字形柔性梁的中端开口端连接，左十字形扭转柔性铰链与左口字形柔性梁的中端开口端连接，上十字形扭转柔性铰链与上口字形柔性梁的中端开口端连接，四个十字形扭转柔性铰链分别以类似转轴的方式与框架和口字形柔性梁连接；当动平台在外界驱动下转动时，口字形柔性梁发生变形，以提供动平台相应的转动自由度。
4.根据权利要求1所述的一种低交叉耦合的全柔性两轴转动反射镜装置，其特征是：所述的动平台可以是任意形状。
5.根据权利要求1所述的一种低交叉耦合的全柔性两轴转动反射镜装置，其特征是：所述的反射镜安装在动平台上的任意位置。
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