CN100387508C - 步进式平面全方位纳米移动平台及其控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于微加工和生物细胞操作等的步进式平面全方位纳米移动平台及其控制系统。它由上平台，三组压电驱动器组成，上平台与三组压电驱动器通过弹性铰链连接，三组压电驱动器沿上平台圆周成120°等间隔布置；所述每组压电驱动器至少包括一个驱动单元，二个以上驱动单元为串联布置；所述每个驱动单元由二个压电陶瓷，一个横梁及一个接触元件组成，二个压电陶瓷上端与上平台用弹性铰链连接，下端与横梁固连，接触元件与横梁固连于下方；上平台和横梁采用有机玻璃材料，接触元件采用半球形不锈钢材料；每个压电陶瓷接有控制电路，通过通讯电路与计算机进行无线通讯。采用本发明不仅可以实现平面全方位纳米运动，而且能提高机构的精度和灵活性。

Description

步进式平面全方位纳米移动平台及其控制系统

技术领域

本发明涉及微器件装配技术，具体地说是一种用于微加工和生物细胞操作等的步进式平面全方位纳米移动平台及其控制系统。

背景技术

微纳米移动平台是指具有纳米级运动精度的微动平台，它是微纳米科技的重要组成部分，能够为纳米级测量、纳米级装配提供关键设备。

目前的纳米移动机构一般采用尺蠖机构、惯性冲击及惯性摩擦驱动机构，前二者均只能实现单自由度运动，要实现这些机构的多自由度运动只能靠多个单自由度机构的叠加，因而体积过大。惯性摩擦驱动机构虽然可以实现全方位的运动，但是负载能力很小(约几百克)。另一方面，在现有技术中纳米移动平台多采用有线控制方式，导线的张力在很大程度上降低了平台运动的精度和灵活性(文献1：T.Higuchi，Y.Yamagata，Kfurutani，et.al，“Precise Positioning Mechanism Utilizing Rapid Deformations ofPiezoelectric Elements”，Proc.of IEEE Micro Electro Mechanical Systems，pp.220-226，February 1990；文献2：H.Aoyama and A.Hayashi，“MultipleMicro Robots for Desktop Precise Production”，Proc.of 1st Conf.of EUSPEN，Bremenn，pp.60-63，1999；文献3：Sylvain Martel，Mark Sherwood，ChadHelm，et al，“Three-legged wireless miniature robots for mass-scale operationoperations at the sub-atomic scale”，Proc.of the 2001 IEEE International Conf.on Robotics and Automation.Seoul，Korea，May 21-26，pp.3423-3428，2001)

发明内容

为了克服现有技术中的纳米移动平台不能同时实现平面全方位运动和导线干扰问题，本发明目的是提供一种步进式全方位纳米移动平台及其控制系统，采用本发明不仅可以实现平面全方位纳米运动，而且能提高机构的精度和灵活性。

本发明所采用的技术方案是：由上平台，三组压电驱动器组成，上平台与三组压电驱动器通过弹性铰链连接，三组压电驱动器沿上平台圆周成120°对称布置；上平台和横梁采用有机玻璃材料，接触元件采用半球形不锈钢材料；

所述每组压电驱动器至少包括一个驱动单元，二个以上驱动单元为串联布置；所述每个驱动单元由二个压电陶瓷，一个横梁及一个接触元件组成，二个压电陶瓷上端与上平台用弹性铰链连接，下端与横梁固连，接触元件与横梁固连于下方；所述每个压电陶瓷接有控制电路，通过通讯电路与计算机进行无线通讯；所述通讯电路由通讯单片机、计算机主机组成，计算机主机经串口通过串口电平转换器与通讯单片机相连，通讯单片机输出经无线数传模块与控制电路通讯；所述控制电路通过无线数传模块接收通讯模块信号，由控制单片机、高压输出模块组成，控制单片机的输入信号经串口来自无线数传模块，输出信号分别送至高压输出模块；高压输出模块由数模转换器、运算放大器、高压运算放大器组成，其中第一～二数模转换器输入信号端接至控制单片机输出端；第一～二数模转换器输出接至第一～二运算放大器，再将双极性的电压分别接至第一～二高压运算放大器。

本专利的有益效果是：

1.可实现平面金方位运动。本发明通过压电陶瓷伸缩变形原理，采用三对压电驱动器成圆周120°等间隔分布，通过控制施加在驱动器上各压电陶瓷的驱动电压，实现平面上的全方位纳米级运动，机构的灵活性好。

2.机构的精度高。本发明采用无线通信方式，与现有技术中有线控制方式相比，本发明无导线干扰；采用本发明可以实现全方位纳米级运动(如20nm)。

3.采用步进式原理，可以连续运动，行程不受限制。

4.结构简单，体积小；另本发明采用压电陶瓷，所以负载大。

5.可应用于微装配作业和微纳米定位平台，特别适用于生物细胞操作。

附图说明

图1-1为本发明纳米移动机构示意图。

图1-2为图1-1纳米移动机构俯视图。

图2为本发明纳米移动机构驱动单元中一组步进运动机理简图。

图3为图2步进运动对应驱动电压波形图。

图4-1为图2纳米移动机构X方向整体运动原理图。

图4-2为图2纳米移动机构Y方向整体运动原理图。

图4-3为图2纳米移动机构θ方向整体运动原理图。

图4-4为图2纳米移动机构整体全方位运动原理图。

图5为本发明电路结构框图。

图6为图5中通信电路原理图。

图7为图5中控制电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本纳米移动平台由上平台1，三组压电驱动器组成，上平台1与三组压电驱动器通过弹性(柔性转动副2)铰链连接，三组压电驱动器沿上平台1圆周成120°对称布置；其中每组压电驱动器至少包括一个驱动单元，二个以上驱动单元为串联布置；每个驱动单元由二个压电陶瓷，一个横梁及一个接触元件组成，二个压电陶瓷上端与上平台1用弹性(柔性转动副2)铰链连接，下端与横梁5粘结在一起，接触元件6与横梁5粘结于其下方。

本发明所述每个压电陶瓷接有控制电路，控制电路设在上平台1上，通过通讯电路与计算机进行无线通讯；本发明纳米移动平台的上平台1和横梁5可以采用有机玻璃材料，接触元件采用半球形不锈钢材料。所述压电陶瓷可以为压电陶瓷管或叠层压电陶瓷材料(本实施例采用叠层压电陶瓷)。本实施例为三组压电驱动器，每组包括一个驱动单元。本实施例体积为：φ140*110mm；负载：1500g。

本发明动作原理：每个驱动单元3中设有两个压电陶瓷41～42，第一压电陶瓷41施加正电压，产生伸长变形，第二压电陶瓷42施加负电压，产生相应收缩变形，推挤接触元件6(本实施例采用接触半球)与接触平台平面形成滚动位移。每一次滚动结束后，陶瓷同时收缩，使重心升高，半球跳起在空中期间压电陶瓷带动接触元件回复到最初状态，再下降、滚动。如此重复则可实现连续的线性运动。

参见图2，设X为驱动单元运动方向，驱动单元每个步进运动周期包括滚动、抬起、恢复变形三个阶段。具体操作过程如下：

t0-t1时间段，第一压电陶瓷41在正电压作用下伸长，第二压电陶瓷42在负电压作用下收缩(参见箭头方向)，接触半球在接触平台平面上滚动，产生一个位移；

t1-t2时间段，给第一压电陶瓷41和第二压电陶瓷42同时施加负电压，令它们同时收缩(参见箭头方向)，本体(指整机)上升，接触半球离开接触平台平面；

t2-t3时间段，给第一压电陶瓷41施加负电压，令其收缩，第二压电陶瓷42施加正电压，使其伸长(参见箭头方向)，压电陶瓷及半球恢复初始姿态，下降，准备下一次滚动位移。

t3-t4时间段，第一压电陶瓷41施加正电压，伸长，第二压电陶瓷42施加负电压，收缩(参见箭头方向)，开始一个新的步进运动循环。

图3为步进运动对应驱动电压波形，其中t0、t1、t2、t3分别与图2中两个压电陶瓷的各阶段相对应。

本发明X、Y、θ方向运动原理为：

X方向(图4-1)：第一组压电驱动器沿V1方向运动，第二组压电驱动器沿V2方向运动；第三组压电驱动器沿V3方向运动，三组压电驱动器同时滚动，同时跳起，带动本体向X方向移动。

Y方向(图4-2)：第二组压电驱动器沿V2方向；第三组压电驱动器沿V3方向，两组压电驱动器同时滚动，同时跳起，第一组压电驱动器不参与滚动，只随着其他组压电驱动器跳起，以减小阻力，本体向Y方向移动。

θ方向(图4-3)：三组压电驱动器分别沿切线方向，同时滚动，同时跳起，本体绕自身重心转动。

平面全方位运动(图4-4)：纳米移动平台整体运动为三组驱动器运动的合成，其速度方向和大小由三组驱动器的速度矢量决定。由于每组驱动器的速度始终是沿切线方向，因而理论上其转动中心位于移动平台的几何中心。

图4-4中XOY表示移动平台坐标系。φ为纳米移动平台的方向角，即整体速度方向与OX轴的夹角。V表示车体速度，V₁，V₂，V₃分别代表三组驱动器的速度。

在理想的几何关系下，平台移动速度与驱动器运动速度的约束关系：

V₁＝V_X-Rω                          (1)

V₂＝-cos(π/3)V_X-sin(π/3)V_Y-Rω    (2)

V₃＝-cos(π/3)V_X+sin(π/3)V_Y-Rω    (3)

其中：V_X、V_Y分别表示V在OX、OY轴上的投影；ω表示平台旋转角速度。R表示平台中心O点到驱动器的垂直距离。

由此，纳米移动平台的运动速度为：

$\left(\begin{array}{c}{V}_X\\ V_Y\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}2/3& -1/3& -1/3\\ 0& -1/\sqrt{3}& 1/\sqrt{3}\\ -1/\left(3R\right)& -1/\left(3R\right)& -1/\left(3R\right)\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\\ V_3\end{array}\right)---\left(4\right)$

运动速度与OX轴所成方向角为

$\mathrm{\φ}={\tan }^{-1}\left(\frac{V_Y}{V_X}\right)---\left(5\right)$

由式(4)(5)可知，纳米移动平台运动速度方向角由

的值决定，即由V₁，V₂，V₃的值决定，φ可以是0-360°间的任意值。当φ＝0°或180°时，运动沿X方向；当φ＝90°或270°时，运动沿Y方向。

如图5～7所示，电路共包括两部分，一部分是通讯电路，另一部分是控制电路。

所述通讯电路负责计算机和纳米移动平台间的无线通讯，由通讯单片机U0(可以采用CYGNAL8051)、计算机主机组成，计算机主机经串口(RS232)通过串口电平转换器MAX1(MAX232)与通讯单片机U0相连，通讯单片机U0输出经第一无线数传模块P1(PTR2000)与控制电路通讯，实现信号的传输；

所述控制电路产生压电陶瓷的驱动电压，由上平台1载有的电池供电。

通过第二无线数传模块P2接收通讯模块信号，由控制单片机U1、高压输出模块组成，控制单片机U1(CYGNAL8051)的输入信号经串口来自第二无线数传模块P2，输出信号分别送至高压输出模块；高压输出模块由数模转换器、运算放大器、高压运算放大器组成，第一～二数模转换器DAC1～2，(采用AD7225LN芯片)输入信号端接至控制单片机U1输出端，进行D/A转换，将计算机输出的数字信号转换成模拟信号；第一～二数模转换器DAC1～2输出接至第一～二运算放大器LF1～LF2，输出双极性的电压；再将双极性的电压分别接至第一～二高压运算放大器PA1～PA6，将双极性电压转换成压电陶瓷变形所需的高电压。

其中计算机用于人机交互，参数设置等，对系统进行总体控制；通讯单片机U0主要用于第一无线数传模块P1及计算机之间的通信；控制单片机U1用来实现纳米移动平台具体的运动控制，控制单片机U1接收到计算机发来的参数设置以及位移命令后，控制输出相应的高压波形，控制纳米移动平台运动。当三组驱动单元沿圆周成120°对称布置时，通过控制每组压电驱动器中压电陶瓷的驱动电压，即可使机构实现平面上的全方位运动。直流电源等一起集成在上平台1上。

由于数模转换器输出电压是单极性的，而本发明需要双极性的输出，因此用高压输出模块的运算放大器实现双极性。由于压电陶瓷的驱动特性，需要高压电源来对它进行驱动，因此本发明将双极性低压输出放大到高压范围。选择了APEX公司的PA142高压运算放大器作为高压模块中的高压运放。本实施例用六个PA142来对DAC输出电压进行放大，这里采用同相比例电路。本实施例采用数字高压运放方案后，可以在输入为5V的情况下输出-130V到+130V间的任意电压值，而且也克服了高压向0V变化时的时延问题，纳米移动平台系统的性能得到了大幅提高。本实施例可以实现全方位20nm的纳米级运动。

本发明所述每组压电驱动器可以为二个或多个驱动单元，单元之间为串联布置，负载能力及速度会更强。

Claims (5)

1.一种步进式平面全方位纳米移动平台，其特征在于：由上平台，三组压电驱动器组成，上平台与三组压电驱动器通过弹性铰链连接，三组压电驱动器沿上平台圆周成120°对称布置；所述每组压电驱动器至少包括一个驱动单元，二个以上驱动单元为串联布置；所述每个驱动单元由二个压电陶瓷，一个横梁及一个接触元件组成，二个压电陶瓷上端与上平台用弹性铰链连接，下端与横梁固连，接触元件与横梁固连于下方；上平台和横梁采用有机玻璃材料，接触元件采用半球形不锈钢材料。

2.一种用于驱动权利要求1所述步进式平面全方位纳米移动平台的控制系统，其特征在于：所述每个压电陶瓷接有控制电路，通过通讯电路与计算机进行无线通讯。

3.按照权利要求2所述步进式平面全方位纳米移动平台的控制系统，其特征在于：所述通讯电路由通讯单片机、计算机主机组成，计算机主机经串口通过串口电平转换器与通讯单片机相连，通讯单片机输出经无线数传模块与控制电路通讯。

4.按照权利要求2所述步进式平面全方位纳米移动平台的控制系统，其特征在于：所述控制电路通过无线数传模块接收通讯模块信号，由控制单片机、高压输出模块组成，控制单片机的输入信号经串口来自无线数传模块，输出信号分别送至高压输出模块。

5.按照权利要求4所述步进式平面全方位纳米移动平台的控制系统，其特征在于：高压输出模块由数模转换器、运算放大器、高压运算放大器组成，其中第一～二数模转换器输入信号端接至控制单片机输出端；第一～二数模转换器输出接至第一～二运算放大器，再将双极性的电压分别接至第一～二高压运算放大器。

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