CN109872767B - 多源驱动的柔顺并联微操作器 - Google Patents
多源驱动的柔顺并联微操作器 Download PDFInfo
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Abstract
多源驱动的柔顺并联微操作器，它涉及一种微动操作器，它包括工作平台、放大机构和底座；所述底座上固接有放大机构，工作平台支撑在放大机构上；每个放大机构单元包括支撑杆、压电堆积驱动器一、压电堆积驱动器二、导向放大杆一、导向放大杆二、导向放大杆三和支撑架；导向放大杆一与支撑杆通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接，导向放大杆一与导向放大杆二通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接，支撑盘上固接有能驱动导向放大杆一运动的压电堆积驱动器一，支撑杆与支杆之间的支撑架上固接有能驱动导向放大杆二运动的压电堆积驱动器二，球形铰链与工作平台可拆卸连接，支撑架与底座可拆卸连接。本发明操作方便，提高了工作平台的位移。
Description
技术领域
本发明涉及一种微动操作器，具体涉及一种多源驱动的柔顺并联微操作器。
背景技术
多元驱动的柔顺并联微操作器集机械结构分析、控制等多学科交叉技术于一身，有广阔的发展前景。
在目前在许多机械设计***中，刚性结构是必要的，但是为了获得如延长构件寿命和减少装配等优点，许多设备设计得既柔又刚，因此，采用柔顺关节是机械设计中利用柔性获得某些优越性的一种途径。在另一方面，并联机构因其拥有多支机构和固定驱动而在高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。
随着柔顺并联机构在微电子学、微型机械和超精密加工领域有着越来越重要的应用，柔顺并联机构是实现精密定位和微位移的关键技术之一，高性能的柔顺并联机构能够提供精确的定位和精细的运动，精密定位技术已引起世界上许多国家的重视。
目前压电材料具有响应速度快、输出力强、可靠性高等优点，在许多领域进行了广泛应用。但传统的单压电叠作动器的输出位移较小，需要结合放大机构，才能更好地应用于实际。目前，商业上常用的微动平台只采用一级或二级放大机构，位移放大比较小。目前，由压电驱动的多元驱动柔顺平台大多仅有三个自由度，在空间内进行工作时有较大局限。因此，设计具有更高位移、更多自由度的微操作器对于实际应用具有较大的意义。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种多源驱动的柔顺并联微操作器，该操作器由压电堆积驱动器驱动放大机构，使得多元驱动的柔顺并联微操作器具有更大的放大倍数，提高微动平台的工作位移；同时，使用球形铰链连接微动平台，能灵活的承受来自各异面的压力。
本发明的技术方案为：
多源驱动的柔顺并联微操作器包括工作平台、放大机构和底座；
所述底座上固接有放大机构，工作平台支撑在放大机构上；
所述放大机构包括支撑盘和沿支撑盘周向均布的结构相同的N个放大机构单元；其中N≥4，N为偶数；
每个放大机构单元包括支撑杆、压电堆积驱动器一、压电堆积驱动器二、导向放大杆一、导向放大杆二、导向放大杆三和支撑架；
支撑架一侧与支撑盘连接，支撑架另一侧延伸有一竖向的支杆，支撑盘与支杆之间的支撑架上固接有竖向设置支撑杆；导向放大杆一与支撑杆通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接，导向放大杆一与导向放大杆二通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接，导向放大杆二与导向放大杆三通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接，导向放大杆三与支杆通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接，支撑盘上固接有能驱动导向放大杆一运动的压电堆积驱动器一，支撑杆与支杆之间的支撑架上固接有能驱动导向放大杆二运动的压电堆积驱动器二，导向放大杆三端部固接有球形铰链，球形铰链与工作平台可拆卸连接，支撑架与底座可拆卸连接。
进一步地，单轴圆形截面双切口柔性铰链为直圆型双切口柔性铰链。
本发明相比现有技术的有益效果是：
1、本发明具有五个自由度，能实现z轴方向的位移输出，分别绕x和y轴或其平行线的正反转动，绕x轴y轴角平分线的平行线及x轴y轴角平分线的垂线进行正反转动的并联柔性微动平台；
2、该多元驱动的柔顺并联的微操作器结合了二级放大机构与三级放大机构，增加了工作平台的行程及输出位移放大倍数；微动平台的行程在纳米级分辨率的情况下可达几百微米乃至厘米级别，输出位移放大倍数可达几十倍。
3、机构采用柔性铰链，并通过线切割加工而成，整个柔性铰链放大机构为一个整体，具有体积小、无机械摩擦、导向精度高、加工精度易于保证和不需要装配的优点；
4、工作平台为大面积圆盘，大大增加了工作面积。
5、重量轻、操作方便，适用于微操作机器人***和微机电***。
附图说明
图1为一个方向看的本发明的多源驱动的柔顺并联微操作器整体示意图；
图2为另一个方向看的本发明的多源驱动的柔顺并联微操作器整体示意图；
图3为本发明的多源驱动的柔顺并联微操作器结构拆分示意图；
图4为本发明的多源驱动的柔顺并联微操作器放大机构立体示意图；
图5为本发明的多源驱动的柔顺并联微操作器放大机构平面示意图；
图6为本发明的多源驱动的柔顺并联微操作器底座示意图；
图7为本发明实施例中工作平台多自由度运动示意图；
图8为本发明实施例中放大机构驱动示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1-图5所示，多源驱动的柔顺并联微操作器包括工作平台1、放大机构2和底座3；
所述底座3上固接有放大机构2，工作平台1支撑在放大机构2上；
所述放大机构2包括支撑盘208和沿支撑盘208周向均布的结构相同的N个放大机构单元；其中N≥4，N为偶数；
每个放大机构单元包括支撑杆204、压电堆积驱动器一205、压电堆积驱动器二206、导向放大杆一201、导向放大杆二202、导向放大杆三203和支撑架207；
支撑架207一侧与支撑盘208连接，支撑架207另一侧延伸有一竖向的支杆2070，支撑盘208与支杆2070之间的支撑架207上固接有竖向设置支撑杆204；导向放大杆一201与支撑杆204通过单轴圆形截面双切口柔性铰链2011连接，导向放大杆一201与导向放大杆二202通过单轴圆形截面双切口柔性铰链2011连接，导向放大杆二202与导向放大杆三203通过单轴圆形截面双切口柔性铰链2011连接，导向放大杆三203与支杆2070通过单轴圆形截面双切口柔性铰链2011连接，支撑盘208上固接有能驱动导向放大杆一201运动的压电堆积驱动器一205，支撑杆204与支杆2070之间的支撑架207上固接有能驱动导向放大杆二202运动的压电堆积驱动器二206，导向放大杆三203端部固接有球形铰链A，球形铰链A与工作平台1可拆卸连接，支撑架207与底座3可拆卸连接。
上述实施方案中，多个放大机构单元构成多级放大机构，放大机构2的缝隙经过线切割获得，其中，导向放大杆一201和支撑架207以及连接它们的单轴圆形截面双切口柔性铰链2011所围成的区域为第一切割缝隙，即压电堆积驱动器一205所在的区域；导向放大杆一201、导向放大杆二202、支撑架207以及导向放大杆三203和连接它们对应的四个单轴圆形截面双切口柔性铰链2011所围成的区域为第二切割缝隙，即压电堆积驱动器二206所在的区域；支撑架207中的支撑盘208中心所围成的正方形区域为第三切割缝隙。由此经线切割可获得多级放大机构2。
参见图5所示，为了实现传动的灵敏度和高分辨率，单轴圆形截面双切口柔性铰链2011为直圆型双切口柔性铰链。参见图4所示，为了减轻重量和提高柔性，支撑盘208为空心圆盘。参见图1-图3所示，为了增大工作面积，工作平台1为截面能覆盖放大机构2的圆形平台。支撑杆207与底座3通过螺钉连接。底座3设有四个圆柱形支撑脚，以及螺钉孔，底座3通过螺钉与放大机构2的支撑架207相连接。
工作原理
单个单元工作时，如图5和图7所示，为了便于说明，以其中一个放大机构单元为例说明，就其放大作用而言，该放大机构单元可看作是一个三级放大和二级放大机构的合成，其中支撑杆204、压电堆积驱动器一205、压电堆积驱动器二206、导向放大杆一201、导向放大杆二202、导向放大杆三203、支撑架207以及连接它们的四个单轴圆形截面双切口柔性铰链2011构成一个三级放大机构，其中，在这里支撑架207和支撑杆204、压电堆积驱动器二206起支撑作用，压电堆积驱动器一205起驱动作用，由压电堆积驱动器一205通电变形伸长，驱动导向放大杆一201绕着第一个单轴圆形截面双切口柔性铰链2011转动，实现一级放大，下述中的第一个单轴圆形截面双切口柔性铰链2011、第二个单轴圆形截面双切口柔性铰链2011、第三个单轴圆形截面双切口柔性铰链2011和第四个单轴圆形截面双切口柔性铰链2011是指如图5由左向右所示(沿支撑盘208到支杆2070方向)；然后由支撑杆204起支撑作用，由导向放大杆一201带动导向放大杆二202绕着第三个单轴圆形截面双切口柔性铰链2011转动，实现二级放大；最后由压电堆积驱动器二206起支撑作用，由导向放大杆二202带动导向放大杆三203绕着第四个单轴圆形截面双切口柔性铰链2011转动，从而完成三级放大。另外，由压电驱动器二206，导向放大杆一201、导向放大杆二202、导向放大杆三203和支撑杆204，以及连接他们的第二个、第三个和第四个单轴圆形截面双切口柔性铰链2011构成一个二级放大机构。这里导向放大杆一201和支撑杆204起到支撑的作用，固定不动，压电驱动器二206通电变形伸长，然后导向放大杆二202绕着连接导向放大杆一201和导向放大杆二202的第二个单轴圆形截面双切口柔性铰链2011转动，实现一级放大；然后支撑杆204起支撑作用，由导向放大杆二202带动导向放大杆三203绕着第四个单轴圆形截面双切口柔性铰链2011转动，实现二级放大；该放大机构单元在运动时，压电驱动器一205和压电驱动器二206协同工作，由压电堆积驱动器一205通电变形伸长，驱动导向放大杆一201绕着第一个单轴圆形截面双切口柔性铰链2011转动，同时，压电驱动器二206通电变形伸长，然后导向放大杆二202绕着连接导向放大杆一201和导向放大杆二202的第二个单轴圆形截面双切口柔性铰链2011转动，使得导向放大杆二202同时受到压电驱动器二206向上的推力以及导向放大杆一201右端一个向下的压力，即三级放大机构和二级放大机构协同工作，大大提高了放大倍数，使工作平台1获得了更大的行程，提高了工作位移。
工作平台具体运动如下
参见图5、图7和图8所示，为了便于说明，以4个放大机构单元为例说明，四个放大机构单元分别为结构相同的第一放大机构单元20、第二放大机构单元21、第三放大机构单元22、第三放大机构单元23，四个球形铰链A分别为球形铰链A1、球形铰链A2、球形铰链A3和球形铰链A4。
平动运动时，以沿z轴运动为例(垂直与工作平台1中心的竖向轴)，给第一放大机构单元20、第二放大机构单元21、第三放大机构单元22、第三放大机构单元23的压电驱动器一205和压电驱动器二206通电变形伸长，通过放大机构，也就是使四个放大机构单元同时运动，输出位移通过球型铰链A1、球型铰链A2、球型铰链A3和球型铰链A4传送到工作平台1上，保证工作平台1沿z轴平动输出。
在图7中建立一个坐标系，定义：以球型铰链A4所对应工作平台1的顶点04为原点，以球型铰链A3、A4的连线(即为顶点03和04的连线)为x轴，以球型铰链A1、A4的连线(即为顶点01和04的连线)为y轴。转动运动时，以绕x轴转动为例，当第一放大机构单元20和第二个放大机构单元21或第三个放大机构单元22和第四个放大机构单元23同时工作时，输出位移能够通过球型铰链A3、A4或球型铰链A1、A2传送到工作平台1上，使工作平台1能绕着球型铰链A1、A2所对应顶点01、02的连线或球型铰链A3、A4所对应顶点03、04的连线进行正反转动，即绕着x轴或与z轴的平行线进行正反转动。
同理，绕y轴转动时，第二个放大机构单元21和第三个放大机构单元22或第一个放大机构单元20和第四个放大机构单元23同时工作，输出位移能够通过球型铰链A1、A4或球型铰链A2、A3传送到工作平台1上，使工作平台1能绕着球型铰链A2、A3所对应顶点02、03的连线或球型铰链A1、A4所对应顶点01、04的连线进行正反转动，即绕着y轴或与y轴的平行线进行正反转动。
当工作平台1绕x轴和y轴角平分线的平行线进行转动时，第一个放大机构单元20工作，输出位移通过球型铰链A3传送到工作平台1上，使工作平台1能绕着过球型铰链A1所作第二个放大机构单元21、第四个放大机构单元23所在轴线的平行线进行正反转动。
当工作平台1绕着x轴和y轴角平分线的垂线进行转动时，第二个放大机构单元21工作，输出位移通过球型铰链A4传送到工作平台1上，使工作平台1能绕着过球型铰链A2所作第一个放大机构单元20和第三个放大机构单元22所在轴线的平行线进行正反转动。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (6)
1.多源驱动的柔顺并联微操作器，其特征在于：包括工作平台(1)、放大机构(2)和底座(3)；
所述底座(3)上固接有放大机构(2)，工作平台(1)支撑在放大机构(2)上；
所述放大机构(2)包括支撑盘(208)和沿支撑盘(208)周向均布的结构相同的N个放大机构单元；其中N≥4，N为偶数；
每个放大机构单元包括支撑杆(204)、压电堆积驱动器一(205)、压电堆积驱动器二(206)、导向放大杆一(201)、导向放大杆二(202)、导向放大杆三(203)和支撑架(207)；
支撑架(207)一侧与支撑盘(208)连接，支撑架(207)另一侧延伸有一竖向的支杆(2070)，支撑盘(208)与支杆(2070)之间的支撑架(207)上固接有竖向设置支撑杆(204)；导向放大杆一(201)与支撑杆(204)通过单轴圆形截面双切口柔性铰链(2011)连接，导向放大杆一(201)与导向放大杆二(202)通过单轴圆形截面双切口柔性铰链(2011)连接，导向放大杆二(202)与导向放大杆三(203)通过单轴圆形截面双切口柔性铰链(2011)连接，导向放大杆三(203)与支杆(2070)通过单轴圆形截面双切口柔性铰链(2011)连接，支撑盘(208)上固接有能驱动导向放大杆一(201)运动的压电堆积驱动器一(205)，支撑杆(204)与支杆(2070)之间的支撑架(207)上固接有能驱动导向放大杆二(202)运动的压电堆积驱动器二(206)，导向放大杆三(203)端部固接有球形铰链(A)，球形铰链(A)与工作平台(1)可拆卸连接，支撑架(207)与底座(3)可拆卸连接。
2.根据权利要求1所述多源驱动的柔顺并联微操作器，其特征在于：单轴圆形截面双切口柔性铰链(2011)为直圆型双切口柔性铰链。
3.根据权利要求1或2所述多源驱动的柔顺并联微操作器，其特征在于：支撑盘(208)为空心圆盘。
4.根据权利要求3所述多源驱动的柔顺并联微操作器，其特征在于：工作平台(1)为截面能覆盖放大机构(2)的圆形平台。
5.根据权利要求1、2或4所述多源驱动的柔顺并联微操作器，其特征在于：支撑杆(207)与底座(3)通过螺钉连接。
6.根据权利要求5所述多源驱动的柔顺并联微操作器，其特征在于：N＝4。
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