CN105643604B - 一种四自由度微动柔顺*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四自由度微动柔顺***，其动平台具有DxDyRxRy四个自由度，可应用在微机电***、超精密加工与制造、航空航天等具体领域。其具体结构包括具有Rx和Ry两转动自由度的柔顺模块和能够实现Dx和Dy两平动自由度的Awtar柔顺平台；两转自由度柔顺模块由柔顺滑移铰、柔顺虎克铰及驱动元件等组成，搭载在Awtar机构的中间平台上；Awtar平台通过并联的柔顺滑移铰提供DxDy两个自由度的平动。本发明实现了平动与转动的完全解耦，可分别进行单独驱动；两转动自由度柔顺模块的周边四个支腿中用了一种柔性滑移铰，可以实现较大轴向变化，其中相邻的两个作为主动支腿，装有驱动元件来实现转动。
Description
技术领域
本发明属于微机电***、超精密加工与制造、航空航天等技术领域，尤其涉及一种四自由度微动柔顺***。
背景技术
随着科技的发展，在诸多领域如微机电***、超精密加工和制造、医疗器械，光学工程、航空航天以及生物工程，微纳相关技术已经得到了非常广泛的应用，其中少自由度精密微定位和调整装置是一个重要研究方向。目前研究人员已经开发出越来越多的满足不同需求的具有微纳米级定位和调整功能的***，有些已经被应用于微机电***、大规模集成电路和生物与显微医学领域中并发挥着重要的作用。但是还没有两转动、两平动四自由度精密定位装置的成熟构型和***设计方法。
传统刚性机构的运动副中存在的摩擦和间隙因素，使得微纳量级精度的操作无法有效地实现，而且诸多零部件装配后不仅使得机构复杂不便于维护，同时使得体积较为庞大而不便于往小型化方向发展。柔顺机构作为一种利用材料形变产生微位移的结构，具有可一体成型、免装配，铰链无摩擦和磨损，无冲击、振动和噪声，少维护、高精度等优点，这些优点在实际工程应用中可以提高精度和工作效率，结合压电陶瓷等高精度驱动技术以及新材料的应用，可使得四自由度精密定位和调整装置的精度达到纳米量级。
目前，在国内外公开的4自由度微动并联机构的形式主要有如下几种：张江波,朱涛,王越超,.一种具有纳米定位精度的四自由度微动平台的研制.机器人,2003,25(3):213～216.介绍了一种新型的四自由度纳米微动平台***，它采用压电元件驱动实现了X,Y,Z三个平动和θ(绕水平轴)转动共四个自由度。段建国,郭宗和,王克杰.新型四自由度并联机构结构及运动分析.山东理工大学学报(自然科学版),2008,22(1):23～27.提出了一种四自由度并联机构，能够实现X,Y,Z三个方向平动和γ(绕水平轴)方向转动共四个自由度的运动。赵然.四自由度4-RRUR并联微动机器人设计与基础性能研究.燕山大学硕士论文,2010.提出了能够实现X,Y,Z三个方向平动和绕Z轴转动的四自由度并联机构构型。ZhenyuH,Zhixu Z,Zhihua X.Dimensional Synthesis of a 4-DOF Hybrid DrivingPlatform.Applied Mechanics and Materials,2014,441:543～547.进行了气动单元驱动的四自由度并联机构的尺寸综合，Caixia F,Hongzhao L,Gexia Y,et al.A Novel 2T2R4-DOF Parallel Manipulator.2011 Fourth International Symposium on KnowledgeAcquisition and Modeling,8-9 Oct.2011[C].Los Alamitos,CA,USA:IEEE ComputerSociety,2011.5～8.提出了一种能够实现两转动两平动的并联机构构型，但是每条驱动分支的铰链过多，不能实现精密微动操作。Qinchuan L,Zhen H.Type synthesis of 4-DOFparallel manipulators[A].IEEE International Conference on Robotics andAutomation.IEEE ICRA 2003Conference Proceedings,14-19 Sept.2003[C].Piscataway,NJ,USA:IEEE,2003.755～760.对四自由度并联机构的构型进行了综合，但未包含本发明所提出的构型。
上面文献提出的4自由度机构存在以下不足：1)不能实现X、Y两平动并同时实现绕X、Y两转动；2)每条驱动分支的铰链过多，难以实现机构的超高精密微动操作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四自由度微动柔顺***，旨在解决由于数控机床等传统刚性机构设备的运动副中摩擦和间隙的存在，使得微纳量级精度的操作无法有效地实现，而且诸多零部件装配后不仅使得机构复杂不便于维护，同时使得体积较为庞大而不便于小型化应用的问题。
本发明是这样实现的，一种四自由度微动柔顺***，所述四自由度微动柔顺***包括Awtar柔顺平台和具有Rx和Ry两自由度的柔顺模块，其连接方式为 Awtar柔顺平台在下，Rx和Ry两自由度的柔顺模块在上，为串联连接；
所述Rx和Ry两自由度的柔顺模块由柔顺滑移铰、柔顺虎克铰及驱动元件组成。
进一步，所述Rx和Ry两自由度的柔顺模块是由与基座相固连的五个分支及所支撑的刚体动平台构成的，每个分支的上端与刚体动平台相固连；基座与Awtar柔顺平台相固连，由Awtar柔顺平台驱动整个微转动平台在X与Y向作平移运动；各分支的上段都是柔顺虎克铰并且柔顺虎克铰的中心在初始位置时均处于同一水平面上；周围四个支腿下段是柔顺滑移铰。
进一步，所述具有Rx和Ry两自由度的柔顺模块搭载在Awtar柔顺平台的中间平台上，即具有Rx和Ry两自由度的柔顺模块的底座与Awtar柔顺平台中间的动平台相固连，在Awtar柔顺平台的基座空间内装入音圈电机作为驱动器，Rx和Ry两自由度的柔顺模块的底座开有槽，为Awtar柔顺平台上安装的用于检测中间动平台实际平动位移量的传感器装置。
进一步，所述驱动元件为压电陶瓷或音圈电机。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的四自由度微动柔顺***，将具有微转动自由度的柔顺机构搭载在机构的中间平台上，可以分别进行独立的驱动并实现四自由度微动，能够实现微纳级定位及调整的效果。
本发明利用柔顺虎克铰链和柔顺滑移铰链作为柔顺单元设计了柔顺转动模块的柔顺结构构型，并与柔顺平台组合得到整个四自由度柔顺平台；在实际工程应用中可实现4个自由度的微纳定位和调整；利用柔性单元设计的此平台避免了传统刚性机构的诸多零件装配复杂性，便于维护，体积较小及便于小型化应用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的四自由度微动柔顺***结构示意图；
图中：1、Awtar柔顺平台；2、柔顺滑移铰；3、柔顺虎克铰。
图2是本发明实施例提供的柔性微动四自由度平台的装配图。
图3是本发明实施例提供的柔性平台的三维图。
图4是本发明实施例提供的具有两转自由度柔性平台的装配图。
图5是本发明实施例提供的柔性滑移铰三维图。
图6是本发明实施例提供的柔性虎克铰三维图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的四自由度微动柔顺***包括Awtar柔顺平台1和具有Rx和Ry两自由度的柔顺模块；两转自由度柔顺模块由柔顺滑移铰2、柔顺虎克铰3及驱动元件等组成。图2是本发明实施例提供的柔性微动四自由度平台的装配图；图3是本发明实施例提供的柔性平台的三维图；图4是本发明实施例提供的具有两转自由度柔性平台的装配图；图5是本发明实施例提供的柔性滑移铰三维图；图6是本发明实施例提供的柔性虎克铰三维图。
所述的具有两转自由度的柔顺模块是由与基座相固连的五个分支及其所支撑的刚体动平台构成的，每个分支的上端与刚体动平台相固连；基座与Awtar柔顺平台1相固连，由Awtar柔顺平台1驱动整个微转动平台在X与Y向作平移运动。各分支的上段都是柔顺虎克铰3并且柔顺虎克铰3的中心在初始位置时均处于同一水平面上；周围四个支腿下段是柔顺滑移铰2，能够在垂直于基座的方向上产生伸缩运动，其中X向的一个边缘支腿和Y向上的一个边缘支腿是主动支腿，而另外两个边缘支腿是被动支腿。
具有Rx和Ry两自由度的柔顺模块搭载在Awtar柔顺平台1的中间平台上，即具有Rx和Ry两自由度的柔顺模块的底座与Awtar柔顺平台1中间的动平台相固连，这样DxDy平移自由度与RxRy微转动自由度即实现了完全解耦，可以分别进行独立的驱动。旋转自由度的柔顺模块周边四个支腿中用了一种柔顺滑移铰链，它能够提供较大行程的轴向形变。在主动支腿的柔顺滑移铰链的中部空间中装入压电陶瓷或音圈电机作为驱动装置，在Awtar柔顺平台1的基座空间内装入音圈电机作为驱动器，而且旋转柔顺模块的底座开有槽，为Awtar柔顺平台1上安装的用于检测中间动平台实际平动位移量的传感器装置留出空间。
附图1中，具有Rx和Ry两自由度的柔顺模块搭载在Awtar机构的中间平台上。Awtar平台实现DxDy两个自由度的平动，上平台实现RxRy两个自由度的转动，这种布置可实现平动与转动完全解耦，可分别进行单独驱动。上平台的周边四个支腿中用了一种柔性滑移铰，其可以实现较大轴向变化，相邻的两个作为主动支腿，装有驱动元件来实现转动。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种四自由度微动柔顺***，其特征在于，所述四自由度微动柔顺***包括柔顺平台和具有Rx和Ry两自由度的柔顺模块，其连接方式为柔顺平台在下，Rx和Ry两自由度的柔顺模块在上，两者为串联连接；
所述Rx和Ry两自由度的柔顺模块由柔顺滑移铰、柔顺虎克铰及驱动元件组成；
所述具有Rx和Ry两自由度的柔顺模块是由与基座相固连的五个分支及所支撑的刚体动平台构成的，每个分支的上端与刚体动平台相固连；基座与柔顺平台相固连，由柔顺平台驱动整个微转动平台在X与Y向作平移运动；各分支的上段都是柔顺虎克铰并且柔顺虎克铰的中心在初始位置时均处于同一水平面上；周围四个分支下段是柔顺滑移铰。
2.如权利要求1所述的四自由度微动柔顺***，其特征在于，所述具有Rx和Ry两自由度的柔顺模块搭载在柔顺平台的中间平台上，Rx和Ry两自由度的柔顺模块的底座与柔顺平台中间的动平台相固连，在柔顺平台的基座空间内装入音圈电机作为驱动器，Rx和Ry两自由度的柔顺模块的底座开有槽，柔顺平台上安装有用于检测中间动平台实际平动位移量的传感器装置。
3.如权利要求1所述的四自由度微动柔顺***，其特征在于，所述驱动元件为压电陶瓷或音圈电机。
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