CN103170966A - 一种全柔顺微位移放大机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全柔性微位移放大机构，其特征是：至少包括位移放大机构（1）、平行导向机构（2），位移放大机构（1）和平行导向机构（2）为左右对称结构，位移放大机构（1）对称的左右两端各包括三个刚性杆，左右两端三个刚性杆通过柔性铰链连接，左右两端上刚性杆分别与上导向块（11）左右柔性铰链连接，左右两端下刚性杆分别与下导向块(21)左右柔性铰链连接，位移放大机构（1）形成闭封的框体结构。它是一种结构简单、造价低廉、高精度、大行程的全柔性微位移放大机构，以便实现将微米级输入位移放大到毫米级输出位移，工作时整个机构全部受拉的状态避免了柔性铰链失稳，提高了整体结构侧向刚度和固有频率。

Description

一种全柔顺微位移放大机构

技术领域

本发明属于柔性机构领域，涉及一种全柔性微位移放大机构。

背景技术

柔性铰链具有结构紧凑、无间隙无摩擦、易于控制、运动精度高等优点，受到了精微操控领域研究人员的广泛关注。

现有的微位移放大机构主要有以下几种：（1）采取粗精平台相结合（macro-micro）的方法，采用分段式交互***控制，精度高，可满足较大范围的运动，但结构臃肿复杂且成本较高。（2）采用移动式驱动***，但目前产品尚未市场化，需自己开发，成本昂贵，且控制***复杂。（3）用运动放大机构实现，如杠杆式机构、桥式机构等，常采用压电类驱动器与运动放大装置结合实现，此类机构结构较简单，成本较低。

第三类位移放大装置目前运用较广，特别是全柔性的运动放大机构，但因柔性铰链的选型及其参数的设定尚未有科学的依据，设计者对柔性铰链的选型及其参数的设计往往存在很大的盲目性，以致设计的机构出现较大的误差，精度较低。为了提高机构的精度，减少机构的误差，设计者则可运用柔性铰链的通用模型将铰链的选型及其参数的设定统一到整个机构的设计和优化过程中，在对整个机构的设计优化中选定铰链及设定铰链的参数。

由于应用和设计方法的不同，全柔性的运动放大机构工作时，机构中的各个铰链往往处于不同的受力状态，或受压，或受拉，这也会影响到整个机构的误差和精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、造价低廉、高精度、大行程的全柔性微位移放大机构，以便实现将微米级输入位移放大到毫米级输出位移，工作时整个机构全部受拉的状态避免了柔性铰链失稳，提高了整体结构侧向刚度和固有频率。

本发明所采用的技术方案是：全柔性微位移放大机构，其特征是：至少包括位移放大机构、平行导向机构，位移放大机构和平行导向机构为左右对称结构，位移放大机构对称的左右两端各包括三个刚性杆，左右两端三个刚性杆通过柔性铰链连接，左右两端上刚性杆分别与上导向块左右柔性铰链连接，左右两端下刚性杆分别与下导向块左右柔性铰链连接，位移放大机构形成闭封的框体结构。

所述的位移放大机构构成左右对称的框体结构，平行导向机构在框体结构内。

所述的位移放大机构构成左右对称的框体结构，平行导向机构在框体结构下端。

所述的平行导向机构包括两组对称的柔性杆体和下导向块，两组对称的柔性杆体一左一右分布在下导向块两侧，与下导向块左右对称。

右柔性杆体包括第三柔性杆、第四柔性杆、第五柔性杆、第六柔性杆和右刚性杆，第三柔性杆、第四柔性杆、第五柔性杆、第六柔性杆从下到上并行与右刚性杆固结为一体，第三柔性杆、第四柔性杆、第五柔性杆、第六柔性杆等长等宽，第四柔性杆、第五柔性杆另一端与基础固定，第三柔性杆和第六柔性杆连接在下导向块的上下右侧位置。

左柔性杆体包括第七柔性杆、第八柔性杆第九柔性杆、第十柔性杆左刚性杆第七柔性杆、第八柔性杆、第九柔性杆、第十柔性杆从下到上并行与左刚性杆固结为一体，第七柔性杆、第八柔性杆、第九柔性杆、第十柔性杆等长等宽，第八柔性杆、第九柔性杆另一端与基础固定，第七柔性杆和第十柔性杆连接在下导向块的上下左侧位置。

所述的下导向块为工字型，工字型下端一体式固结有四方体刚性块，刚性块下端一左一右一体式固结有第六柔性铰链和第十二柔性铰链，第六柔性铰链和第十二柔性铰链另一端分别连接第四刚性杆和第八刚性杆，第四刚性杆和第八刚性杆下端又分别连接第五柔性铰链、第十一柔性铰链，通过第五柔性铰链、第十一柔性铰链的另一端与第三刚性杆和第七刚性杆的端头固结为一体。

所述的上导向块为刚性块，第一柔性杆和第二柔性杆分别固结在刚性块下端左右位置，第一柔性杆和第二柔性杆另一端分别与第一刚性杆、第五刚性杆上端头连接，基础固定块分别通过第一柔性铰链、第七柔性铰链与第一刚性杆、第五刚性杆连接。

本发明的有益效果是：成功地实现了一种全柔性微位移放大机构。其特征是：当有输入位移时，输入端导向块即上导向块按其导向方向运动，而与之相连接的刚性杆、柔性杆、柔性铰链也会随之运动，杠杆式位移放大机构将输入位移放大，平行导向机构提供了输出端的侧向输出刚度，放大后的位移在输出端导向块即下导向块处输出。在整个运动过程中，整个机构各处均处于受拉状态，避免了柔性铰链失稳，提高了整体结构侧向刚度和固有频率。整个机构的放大倍数可根据位移放大机构中刚性杆尺寸或机构中柔性铰链的位置进行调整，实现不同的放大倍数的需求。平行导向机构中调节柔性杆的长度以及柔性杆间的间距可以改变输出端的侧向刚度，柔性杆长度增加，侧向刚度减小。由于这种微位移放大机构结构简单、制造方便、造价低、使用可靠等特点，可用于微观领域科学研究中，如高精度零件的加工和组装、光纤的对接与定位等，用作高精度、高可靠性的定位、操控装备，可以推广应用到微机电***、生物工程、微电子技术、光学等诸多学科的微细作业领域中。

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是微位移放大机构的结构示意图；

图2是图1所示的微位移放大机构工作示意图；

图3是实施例2所示的微位移放大机构工作示意图；

图4是当有输入位移Yin作用在上导向块11上时，所述的柔性杆发生弯曲变形，刚性杆发生平移和转动，从而被放大后的位移Yout在下导向块21处输出时的工作示意图。

图中：1、位移放大机构；2、平行导向机构；11、上导向块；121、第一刚性杆；122、第二刚性杆；123、第三刚性杆；124、第四刚性杆；125、第五刚性杆；126、第六刚性杆；127、第七刚性杆；128、第八刚性杆；131、第一柔性杆；132、第二柔性杆；141、第一柔性铰链；142、第二柔性铰链；143、第三柔性铰链；144、第四柔性铰链；145、第五柔性铰链；146、第六柔性铰链；147、第七柔性铰链；148、第八柔性铰链；149、第九柔性铰链；150、第十柔性铰链；151、第十一柔性铰链；152、第十二柔性铰链；21、下导向块；221、第九刚性杆；222、第十刚性杆杆；231、第三柔性杆；232、第四柔性杆；233、第五柔性杆；234、第六柔性杆；235、第七柔性杆；236、第八柔性杆；237、第九柔性杆；238、第十柔性杆。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，全柔性微位移放大机构，至少包括位移放大机构1、平行导向机构2，位移放大机构1和平行导向机构2为左右对称结构，位移放大机构1对称的左右两端各包括三个刚性杆，左端三个刚性杆（第一刚性杆121、第二刚性杆122、第三刚性杆123）和右端三个刚性杆（第五刚性杆125、第六刚性杆126、第七刚性杆127），具体连接为，上导向块11与第一柔性杆131相接，第一柔性杆131的另一端与第一刚性杆121相接；第一柔性铰链141一端固定；第一柔性铰链141、第二柔性铰链142跨接在第一刚性杆121的两端；第二柔性铰链142、第三柔性铰链143跨接在第二刚性杆122的两端；第三柔性铰链143、第五柔性铰链145跨接在第三刚性杆123的两端；第四柔性铰链144的一端固定，一端与第三刚性杆123相接；第五柔性铰链145、第六柔性铰链146跨接在第四刚性杆124的两端；第六柔性铰链146的另一端与下导向块21相接。对称的一侧为上导向块11与第二柔性杆132相接，第二柔性杆132的另一端与第五刚性杆125相接；第七柔性铰链147一端固定；第七柔性铰链147、第八柔性铰链148跨接在第五刚性杆125的两端；第八柔性铰链148、第九柔性铰链149跨接在的两端；第九柔性铰链149、第十一柔性铰链151跨接在的两端；第十柔性铰链150的一端固定，一端与第七刚性杆127相接；第十一柔性铰链151、第十二柔性铰链152跨接在第八刚性杆128的两端；第十二柔性铰链152的另一端与下导向块21相接。将刚性杆（刚性杆221、222总称为刚性杆22）、柔性杆（柔性杆231、232、233、234、235、236、237、238总称为柔性杆23）按一定的长度和顺序与下导向块21固结形成平行导向机构2。具体连接为，第二柔性杆231、第五柔性杆234一端与下导向块21相接，另一端与第九刚性杆221相接；第三柔性杆232、第四柔性杆233一端固定，另一端第九与刚性杆221相接。对称的一侧为第七柔性杆235、第十柔性杆238一端与下导向块21相接，另一端与第十刚性杆222相接；第八柔性杆236、第九柔性杆237一端固定，另一端与第十刚性杆222相接。位移放大机构1和平行导向机构2固结形成整个微位移放大机构，上导向块11和下导向块21按其导向的方向运动。

平行导向机构2包括两组对称的柔性杆体和下导向块21，两组对称的柔性杆体一左一右分布在下导向块21两侧，与下导向块21左右对称。

右柔性杆体包括第三柔性杆231、第四柔性杆232、第五柔性杆233、第六柔性杆234和右刚性杆221，第三柔性杆231、第四柔性杆232、第五柔性杆233、第六柔性杆234从下到上并行与右刚性杆221固结为一体，第三柔性杆231、第四柔性杆232、第五柔性杆233、第六柔性杆234等长等宽，第四柔性杆232、第五柔性杆233另一端与基础固定，第三柔性杆231和第六柔性杆234连接在下导向块21的上下右侧位置。

左柔性杆体包括第七柔性杆235、第八柔性杆236、第九柔性杆237、第十柔性杆238左刚性杆222，第七柔性杆235、第八柔性杆236、第九柔性杆237、第十柔性杆238从下到上并行与左刚性杆222固结为一体，第七柔性杆235、第八柔性杆236、第九柔性杆237、第十柔性杆238等长等宽，第八柔性杆236、第九柔性杆237另一端与基础固定，第七柔性杆235和第十柔性杆238连接在下导向块21的上下左侧位置。

如图2所示，当由上导向块11输入向上的位移时，使所述的柔性杆和柔性铰链发生弯曲变形，刚性杆发生转动和平动，刚性杆发生平移，输出位移经下导向块21输出。

具体过程如下，位移放大机构1中，位移放大机构1的基本运动原理为四杆机构，在上导向块11上有输入位移时，柔性杆131、柔性铰链141及其对称的柔性杆132和柔性铰链145发生弯曲变形，刚性杆121和刚性杆125发生平移和转动，实现输入位移的一级放大，柔性铰链142、柔性铰链143、柔性铰链144、柔性铰链145、柔性铰链146及其对称的柔性铰链147、柔性铰链148、柔性铰链149、柔性铰链150、柔性铰链151发生弯曲变形、刚性杆122、刚性杆123、刚性杆124及其对称的刚性杆126、刚性杆127和刚性杆128发生平移和转动，实现输入位移的二级放大。平行导向机构2中，输出位移在下导向块21上输出，刚性杆221及其对称刚性杆222只发生平移，没有转动和变形，柔性杆231、柔性杆232、柔性杆233、柔性杆234及其对称的柔性杆235、柔性杆236、柔性杆237和柔性杆238发生弯曲变形，刚性杆22和柔性杆23增加了下导向块21的侧向刚度，使得下导向块21沿其导向方向产生向下的位移，而没有其他方向上的位移和转动。位移放大机构1将输入位移进行放大，平行导向机构2则增加了输出端的侧向刚度，共同实现整个机构的输出。

实施例2

如图3所示，与实施例1不同的是位移放大机构1构成左右对称的框体结构，平行导向机构2在框体结构下端。

具体连接为，上导向块11与第一柔性杆131相接，第一柔性杆131的另一端与第一刚性杆121相接；第一柔性铰链141一端固定；第一柔性铰链141、第二柔性铰链142跨接在第一刚性杆121的两端；第二柔性铰链142、第三柔性铰链143跨接在第二刚性杆122的两端；第三柔性铰链143、第五柔性铰链145跨接在第三刚性杆123的两端；第四柔性铰链144的一端固定，一端与第三刚性杆123相接；第五柔性铰链145、第六柔性铰链146跨接在第四刚性杆124的两端；第六柔性铰链146的另一端与下导向块21相接。对称的一侧为上导向块11与第二柔性杆132相接，第二柔性杆132的另一端与第五刚性杆125相接；第七柔性铰链147一端固定；第七柔性铰链147、第八柔性铰链148跨接在第五刚性杆125的两端；第八柔性铰链148、第九柔性铰链149跨接在第六刚性杆126的两端；第九柔性铰链149、第十一柔性铰链151跨接在第七刚性杆127的两端；第十柔性铰链150的一端固定，一端与第七刚性杆127相接；第十一柔性铰链151、第十二柔性铰链152跨接在第八刚性杆128的两端；第十二柔性铰链152的另一端与下导向块21相接。与图1中不同之处为，第三刚性杆123的形状发生了变化，此时改为了直杆，第四柔性铰链144移动到了第三刚性杆123的最右端，第五柔性铰链145、第四刚性杆124、第六柔性铰链146和下导向块21的连接顺序与图1相同，位置方向则由图1中的依次向上改为了依次向下。对称的一侧，第七刚性杆127的形状发生了变化，此时改为了直杆，第十柔性铰链150移动到了第七刚性杆127的最左端，第十一柔性铰链151、第八刚性杆128、第十二柔性铰链152和下导向块21的顺序与图1相同，位置方向则由图1中的依次向上改为了依次向下。将刚性杆（刚性杆221、222总称为刚性杆22）、柔性杆（柔性杆231、232、233、234、235、236、237、238总称为柔性杆23）按一定的长度和顺序与下导向块21固结形成平行导向机构2。具体连接为，第二柔性杆231、第五柔性杆234一端与下导向块21相接，另一端与第九刚性杆221相接；第三柔性杆232、第四柔性杆233一端固定，另一端第九与刚性杆221相接。对称的一侧为第七柔性杆235、第十柔性杆238一端与下导向块21相接，另一端与第十刚性杆222相接；第八柔性杆236、第九柔性杆237一端固定，另一端与第十刚性杆222相接。与图1中不同之处为，下导向块21、第九刚性杆221、第三柔性杆231、第四柔性杆232、第五柔性杆233和第六柔性杆234连接顺序与图1相同，位置方向则由图1中的依次向上改为了依次向下。对称的一侧，下导向块21、第十刚性杆222、第七柔性杆235、第八柔性杆236、第九柔性杆237和第十柔性杆238连接顺序与图1相同，位置方向则由图1中的依次向上改为了依次向下。位移放大机构1和平行导向机构2固结形成整个微位移放大机构，上导向块11和下导向块21按其导向的方向运动。

如图4所示，当有输入位移Yin作用在上导向块11上时，所述的柔性杆发生弯曲变形，刚性杆发生平移和转动，从而被放大后的位移Yout在下导向块21处输出。

与图2中的不同之处为，由图中可以看到输入位移的方向和输出位移的方向是相同的。具体过程如下，位移放大机构1中，位移放大机构1的基本运动原理为二级杠杆放大结构，在上导向块11上有输入位移时，柔性杆131、柔性铰链141及其对称的柔性杆132和柔性铰链145发生弯曲变形，刚性杆121和刚性杆125发生平移和转动，实现输入位移的一级放大，柔性铰链142、柔性铰链143、柔性铰链144、柔性铰链145、柔性铰链146及其对称的柔性铰链147、柔性铰链148、柔性铰链149、柔性铰链150、柔性铰链151发生弯曲变形、刚性杆122、刚性杆123、刚性杆124及其对称的刚性杆126、刚性杆127和刚性杆128发生平移和转动，实现输入位移的二级放大。平行导向机构2中，输出位移在下导向块21上输出，刚性杆221及其对称刚性杆222只发生平移，没有转动和变形，柔性杆231、柔性杆232、柔性杆233、柔性杆234及其对称的柔性杆235、柔性杆236、柔性杆237和柔性杆238发生弯曲变形，刚性杆22和柔性杆23增加了下导向块21的侧向刚度，使得下导向块21沿其导向方向产生向下的位移，而没有其他方向上的位移和转动。位移放大机构1将输入位移进行放大，平行导向机构2则增加了输出端的侧向刚度，共同实现整个机构的输出。

本发明中优选的下导向块21为工字型，工字型下端一体式固结有四方体刚性块，刚性块下端一左一右一体式固结有第六柔性铰链146和第十二柔性铰链152，第六柔性铰链146和第十二柔性铰链152另一端分别连接第四刚性杆124和第八刚性杆128，第四刚性杆124和第八刚性杆128下端又分别连接第五柔性铰链145、第十一柔性铰链151，通过第五柔性铰链145、第十一柔性铰链151的另一端与第三刚性杆123和第七刚性杆127的端头固结为一体。

本发明中所述的上导向块11为刚性块，第一柔性杆131和第二柔性杆132分别固结在刚性块下端左右位置，第一柔性杆131和第二柔性杆132另一端分别与第一刚性杆121、第五刚性杆125上端头连接，基础固定块分别通过第一柔性铰链141、第七柔性铰链147与第一刚性杆121、第五刚性杆125连接。

本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (8)

1.一种全柔顺微位移放大机构，其特征是：至少包括位移放大机构（1）、平行导向机构（2），位移放大机构（1）和平行导向机构（2）为左右对称结构，位移放大机构（1）对称的左右两端各包括三个刚性杆，左右两端三个刚性杆通过柔性铰链连接，左右两端上刚性杆分别与上导向块（11）左右柔性铰链连接，左右两端下刚性杆分别与下导向块(21)左右柔性铰链连接，位移放大机构（1）形成闭封的框体结构。

2.根据权利要求1所述的一种全柔顺微位移放大机构，其特征是：所述的位移放大机构（1）构成左右对称的框体结构，平行导向机构（2）在框体结构内。

3.根据权利要求1所述的一种全柔顺微位移放大机构，其特征是：所述的位移放大机构（1）构成左右对称的框体结构，平行导向机构（2）在框体结构下端。

4.根据权利要求1所述的一种全柔顺微位移放大机构，其特征是：所述的平行导向机构（2）包括两组对称的柔性杆体和下导向块（21），两组对称的柔性杆体一左一右分布在下导向块（21）两侧，与下导向块（21）左右对称。

5.根据权利要求4所述的一种全柔顺微位移放大机构，其特征是：右柔性杆体包括第三柔性杆（231）、第四柔性杆（232）、第五柔性杆（233）、第六柔性杆（234）和右刚性杆(221)，第三柔性杆（231）、第四柔性杆（232）、第五柔性杆（233）、第六柔性杆（234）从下到上并行与右刚性杆（221）固结为一体，第三柔性杆（231）、第四柔性杆（232）、第五柔性杆（233）、第六柔性杆（234）等长等宽，第四柔性杆（232）、第五柔性杆（233）另一端与基础固定，第三柔性杆（231）和第六柔性杆（234）连接在下导向块（21）的上下右侧位置。

6.根据权利要求4所述的一种全柔顺微位移放大机构，其特征是：左柔性杆体包括第七柔性杆（235）、第八柔性杆（236）、第九柔性杆（237）、第十柔性杆(238)左刚性杆(222)，第七柔性杆(235)、第八柔性杆(236)、第九柔性杆(237)、第十柔性杆(238)从下到上并行与左刚性杆(222)固结为一体，第七柔性杆(235)、第八柔性杆(236)、第九柔性杆(237)、第十柔性杆(238)等长等宽，第八柔性杆(236)、第九柔性杆(237)另一端与基础固定，第七柔性杆(235)和第十柔性杆(238)连接在下导向块(21)的上下左侧位置。

7.根据权利要求1所述的一种全柔顺微位移放大机构，其特征是：所述的下导向块(21)为工字型，工字型下端一体式固结有四方体刚性块，刚性块下端一左一右一体式固结有第六柔性铰链(146)和第十二柔性铰链(152)，第六柔性铰链(146)和第十二柔性铰链(152)另一端分别连接第四刚性杆(124)和第八刚性杆(128)，第四刚性杆(124)和第八刚性杆（128）下端又分别连接第五柔性铰链（145）、第十一柔性铰链（151），通过第五柔性铰链（145）、第十一柔性铰链（151）的另一端与第三刚性杆（123）和第七刚性杆（127）的端头固结为一体。

8.根据权利要求1所述的一种全柔顺微位移放大机构，其特征是：所述的上导向块(11)为刚性块，第一柔性杆(131)和第二柔性杆(132)分别固结在刚性块下端左右位置，第一柔性杆（131）和第二柔性杆（132）另一端分别与第一刚性杆（121）、第五刚性杆（125）上端头连接，基础固定块分别通过第一柔性铰链(141)、第七柔性铰链(147)与第一刚性杆(121)、第五刚性杆(125)连接。

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