CN101246751A - 一种立方体形并联解耦六自由度微动工作台 - Google Patents

Abstract

一种立方体形并联解耦六自由度微动工作台，它涉及一种微动工作台。本发明的目的是为解决现有六自由度微动机构存在着平台的输出的自由度相互之间运动存在耦合和整个机构体积较大的问题。本发明的运动平台和底座分别由三个垂直平面组成，相当于正方体六个平面中三个具有公共顶点平面的组合体。即平台和底座都为立方体半表面，且相互扣在一起使整个机构呈正方体形状，六个压电陶瓷驱动支链并联于底座和运动平台之间，输出直线微位移运动，本发明具有六个自由度，由于采用正交布置，所以能实现运动平台自由度之间的解耦，运动精度高。另外六个压电陶瓷驱动支链处于正方体之中，所以结构紧凑，占用空间小，适用于对微动台精度、体积有严格要求的应用场合。

Description

一种立方体形并联解耦六自由度微动工作台

技术领域

本发明涉及一种六自由度微动工作台。

背景技术

微纳米技术的快速发展引发了新一轮技术革命，微纳级的微动平台在纳米器件和结构的制作、半导体光刻、微机械、超精密加工、生物细胞操纵、微装配、光纤对接等领域得到了广泛的应用。高精度的六自由度微动平台由于可以实现空间六个自由度的超精密定位，因此具有大量的实际应用场合。目前虽然提出了一些六自由度微动机构，但是存在着平台输出的自由度相互之间存在运动耦合或者整个机构体积较大等缺点。例如三支链型六自由度微动机构(或机器人)、单层结构八杆微动工作台等由于其机构的固有特性存在运动耦合的缺点。六自由度并联解耦微动机器人虽能实现运动解耦，但是其体积较大，不能应用于安装空间小的场合。

发明内容

本发明的目的是为解决现有六自由度微动机构存在着平台输出的自由度相互之间存在运动耦合或整个机构体积较大的问题，提供一种立方体形并联解耦六自由度微动工作台。本发明由底座、运动平台和六个压电陶瓷驱动支链组成，底座由第一平板1、第二平板8和第三平板16组成，第一平板1的Q端与第二平板8的R端连接为一体，第三平板16的P端与第一平板1的N端连接为一体，第三平板16的T端与第二平板8的S端连接为一体，第一平板1与第二平板8相互垂直设置，第三平板16分别与第一平板1和第二平板8相互垂直设置；运动平台由第四平板6、第五平板13和第六平板20组成，第四平板6的G端与第五平板13的H端连接为一体，第六平板20的L端与第四平板6的M端连接为一体，第六平板20的J端与第五平板13的K端连接为一体，第四平板6和第五平板13相互垂直设置，第六平板20分别与第四平板6和第五平板13相互垂直设置；第一平板1和第五平板13相互平行设置，第二平板8和第六平板20相互平行设置，第三平板16和第四平板6相互平行设置；第一压电陶瓷驱动支链4和第二压电陶瓷驱动支链15相互平行设置，第一压电陶瓷驱动支链4的第一端5和第二压电陶瓷驱动支链15的第一端7分别与第四平板6相连接，第一压电陶瓷驱动支链4的第二端19和第二压电陶瓷驱动支链15的第二端17分别与第三平板16相连接；第三压电陶瓷驱动支链3和第四压电陶瓷驱动支链21相互平行设置，第三压电陶瓷驱动支链3的第一端2和第四压电陶瓷驱动支链21的第一端22分别与第一平板1相连接，第三压电陶瓷驱动支链3的第二端9和第四压电陶瓷驱动支链21的第二端14分别与第五平板13相连接；第五压电陶瓷驱动支链24和第六压电陶瓷驱动支链11相互平行设置，第五压电陶瓷驱动支链24的第一端23和第六压电陶瓷驱动支链11的第一端18分别与第六平板20相连接，第五压电陶瓷驱动支链24的第二端12和第六压电陶瓷驱动支链11的第二端10分别与第二平板8相连接；所述每个压电陶瓷驱动支链均由第一柔性铰链41、直线微位移运动副42、压电叠层作动器44和第二柔性铰链45组成，第一柔性铰链41与直线微位移运动副42的一端连接为一体，第二柔性铰链45与直线微位移运动副42的另一端连接为一体，直线微位移运动副42的中间开有通透的空间43，压电叠层作动器44设置在所述通透的空间43内并与直线微位移运动副42固定连接。

本发明的运动平台和底座分别由三个垂直平面组成，即相当于正方体六个平面中三个具有公共顶点平面的组合体。六个压电陶瓷驱动支链并联于底座和运动平台之间，输出直线微位移运动，六个压电陶瓷驱动支链分成三组，每组包括两个相互平行、对称布置的压电陶瓷驱动支链，三组之间两两相互垂直布置。本发明的运动平台具有六个自由度，由于采用正交布置，所以能实现运动平台六个自由度之间的解耦，运动精度高。另外平台和底座都为立方体半表面，相互扣在一起使整个机构呈正方体形状，六个压电陶瓷驱动支链处于正方体之中，所以结构紧凑，占用空间小，适用于对微动台精度、体积有严格要求的应用场合。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是运动平台的结构示意图，图3是底座的结构示意图，图4是压电陶瓷驱动支链的结构示意图，图5是微动工作台的坐标系设置图，图6是压电陶瓷驱动支链对应的机构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：(参见图1～图3)本实施方式由底座、运动平台和六个压电陶瓷驱动支链组成，底座由第一平板1、第二平板8和第三平板16组成，第一平板1的Q端与第二平板8的R端连接为一体，第三平板16的P端与第一平板1的N端连接为一体，第三平板16的T端与第二平板8的S端连接为一体，第一平板1与第二平板8相互垂直设置，第三平板16分别与第一平板1和第二平板8相互垂直设置；运动平台由第四平板6、第五平板13和第六平板20组成，第四平板6的G端与第五平板13的H端连接为一体，第六平板20的L端与第四平板6的M端连接为一体，第六平板20的J端与第五平板13的K端连接为一体，第四平板6和第五平板13相互垂直设置，第六平板20分别与第四平板6和第五平板13相互垂直设置；第一平板1和第五平板13相互平行设置，第二平板8和第六平板20相互平行设置，第三平板16和第四平板6相互平行设置；第一压电陶瓷驱动支链4和第二压电陶瓷驱动支链15相互平行设置，第一压电陶瓷驱动支链4的第一端5和第二压电陶瓷驱动支链15的第一端7分别与第四平板6相连接，第一压电陶瓷驱动支链4的第二端19和第二压电陶瓷驱动支链15的第二端17分别与第三平板16相连接；第三压电陶瓷驱动支链3和第四压电陶瓷驱动支链21相互平行设置，第三压电陶瓷驱动支链3的第一端2和第四压电陶瓷驱动支链21的第一端22分别与第一平板1相连接，第三压电陶瓷驱动支链3的第二端9和第四压电陶瓷驱动支链21的第二端14分别与第五平板13相连接；第五压电陶瓷驱动支链24和第六压电陶瓷驱动支链11相互平行设置，第五压电陶瓷驱动支链24的第一端23和第六压电陶瓷驱动支链11的第一端18分别与第六平板20相连接，第五压电陶瓷驱动支链24的第二端12和第六压电陶瓷驱动支链11的第二端10分别与第二平板8相连接；所述每个压电陶瓷驱动支链均由第一柔性铰链41、直线微位移运动副42、压电叠层作动器44和第二柔性铰链45组成，第一柔性铰链41与直线微位移运动副42的一端连接为一体，第二柔性铰链45与直线微位移运动副42的另一端连接为一体，直线微位移运动副42的中间开有通透的空间43，压电叠层作动器44设置在所述通透的空间43内并与直线微位移运动副42固定连接。所述直线微位移运动副42为柔性铰链八杆机构式移动副。所述第一柔性铰链41和第二柔性铰链45均为球铰型柔性铰链。所述运动平台和底座的材质为40Cr合金钢，由40Cr合金钢整体方料通过粗铣、精铣加工成型。

如图5所示，在正方体中心建立平台的连体坐标系O-XYZ，设参考坐标系O′-X′Y′Z′固连在底座上，并与初始位置时的连体坐标系O-XYZ重合。六个压电陶瓷驱动支链的微位移矢量为Δl＝[Δl₁，Δl₂，Δl₃，Δl₄，Δl₅，Δl₆]^T，即Δl₁＝|Aa|-|Aa|₀，Δl₂＝|Bb|-|Bb|₀，Δl₃＝|Cc|-|Cc|₀，Δl₄＝|Dd|-|Dd|₀，Δl₅＝|Ee|-|Ee|₀，Δl₆＝|Ff|-|Ff|₀，其中下标0表示驱动支链的初始长度。设微动台对应的广义微位移输出为Δq＝[Δx，Δy，Δz，Δα，Δβ，Δγ]^T，平台的齐次坐标变换矩阵T可以用Δq的分量来表示：

$T=\left[\begin{array}{cccc}1& -\mathrm{\Δ\γ}& \mathrm{\Δ\β}& \mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δ\γ}& 1& -\mathrm{\Δ\α}& \mathrm{\Δy}\\ -\mathrm{\Δ\β}& \mathrm{\Δ\α}& 1& \mathrm{\Δz}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

由于平台六条运动支链布置的对称性，上铰点间距：|ab|＝|cd|＝|ef|，同时也等于下铰点间距|AB|＝|CD|＝|EF|，因此设|ab|＝|cd|＝|ef|＝|AB|＝|CD|＝|EF|＝2r。并设初始位置时，各支链的初始长度为l。则连体系中上铰点的齐次坐标为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_a\\ y_a\\ z_a\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}r\\ 0\\ 1/2\\ 1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-r\\ 0\\ 1/2\\ 1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 1/2\\ r\\ 1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{x}_d\\ y_d\\ z_d\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 1/2\\ -r\\ 1\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}{x}_e\\ y_e\\ z_e\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1/2\\ r\\ 0\\ 1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{x}_f\\ y_f\\ z_f\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1/2\\ -r\\ 0\\ 1\end{array}\right].$

固定参考系中下铰点的齐次坐标为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_A\\ y_A\\ z_A\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}r\\ 0\\ -1/2\\ 1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{x}_B\\ y_B\\ z_B\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-r\\ 0\\ -1/2\\ 1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{x}_C\\ y_C\\ z_C\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ -1/2\\ r\\ 1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{x}_D\\ y_D\\ z_D\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ -1/2\\ -r\\ 1\end{array}\right],$

$\left[\begin{array}{c}{x}_E\\ y_E\\ z_E\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-1/2\\ r\\ 0\\ 1\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{x}_F\\ y_F\\ z_F\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-1/2\\ -r\\ 0\\ 1\end{array}\right].$

列出第一个支链的长度表达式为 ${\left(\right|T\stackrel{\mathrm{\ρ}}{a}-\stackrel{\mathrm{\ρ}}{A}\left|\right)}^2={(1+\mathrm{\Δ}{l}_1)}^2,$ 其中

和

分别表示a和A点的齐次坐标矢量。上式具体展开为：

${|\left[\begin{array}{cccc}1& -\mathrm{\Δ\γ}& \mathrm{\Δ\β}& \mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δ\γ}& 1& -\mathrm{\Δ\α}& \mathrm{\Δy}\\ -\mathrm{\Δ\β}& \mathrm{\Δ\α}& 1& \mathrm{\Δz}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}r\\ 0\\ 1/2\\ 1\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}r\\ 0\\ -1/2\\ 1\end{array}\right]|}^2={(1+{\mathrm{\Δl}}_1)}^2$

上式进一步写成：

${(\frac{1}{2}\mathrm{\Δ\β}+\mathrm{\Δx})}^2+{(\mathrm{r\Δ\γ}-\frac{1}{2}\mathrm{\Δ\α}+\mathrm{\Δy})}^2+{(-\mathrm{r\Δ\β}+1+\mathrm{\Δz})}^2={(1+\mathrm{\Δ}{l}_1)}^2$

将上式展开、化简并忽略含有ΔβΔx、(Δβ)²、(Δx)²、(Δγ)²等二阶无穷小项得：

        -2rlΔβ+2lΔz+l²＝l²+2lΔl₁

上式两边同时减去l²，再同除以1得：

          Δl₁＝-rΔβ+Δz

同理可以求得其它微驱动支链的微位移为：

          Δl₂＝rΔβ+Δz；

          Δl₃＝-rΔα+Δy；

          Δl₄＝rΔα+Δy；

          Δl₅＝-rΔγ+Δx

          Δl₆＝rΔγ+Δx

由以上各式可以求出平台输出的广义微位移：

$\mathrm{\Δx}=\frac{1}{2}({\mathrm{\Δl}}_5+{\mathrm{\Δl}}_6)$

$\mathrm{\Δy}=\frac{1}{2}({\mathrm{\Δl}}_3+{\mathrm{\Δl}}_4)$

$\mathrm{\Δz}=\frac{1}{2}({\mathrm{\Δl}}_1+{\mathrm{\Δl}}_2)$

$\mathrm{\Δ\α}=\frac{1}{2r}({\mathrm{\Δl}}_4-{\mathrm{\Δl}}_3)$

$\mathrm{\Δ\β}=\frac{1}{2r}({\mathrm{\Δl}}_2-{\mathrm{\Δl}}_1)$

$\mathrm{\Δ\γ}=\frac{1}{2r}({\mathrm{\Δl}}_6-{\mathrm{\Δl}}_5)$

综合以上式子可得：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ \mathrm{\Δz}\\ \mathrm{\Δ\α}\\ \mathrm{\Δ\β}\\ \mathrm{\Δ\γ}\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 1& 1& 0& 0\\ 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& -\frac{1}{r}& \frac{1}{r}& 0& 0\\ -\frac{1}{r}& \frac{1}{r}& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& -\frac{1}{r}& \frac{1}{r}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{l}_1\\ {\mathrm{\Δl}}_2\\ \mathrm{\Δ}{l}_3\\ \mathrm{\Δ}{l}_4\\ \mathrm{\Δ}{l}_5\\ \mathrm{\Δ}{l}_6\end{array}\right]$

上式可以简写成Δq＝JΔl，其中J为机构雅可比矩阵。由J可知微动平台在X向微位移Δx只和X向布置的微驱动支链E-e、F-f的微位移有关。同样Y向微位移Δy只和Y向布置的微驱动支链C-c、D-d的微位移有关，而Z向微位移Δz只和Z向布置的微驱动支链A-a、B-b的微位移有关，按照上述方式驱动就能实现X、Y、Z运动的解耦。

所述压电陶瓷驱动支链的材质为65Mn弹簧钢。采用整体式结构，先采用精车加工两侧柔性铰链，然后采用线切割技术加工出柔性铰链八杆机构式移动副，压电叠层作动器44在测量定位后用胶(Ja-103胶粘剂)粘接在柔性铰链八杆机构式移动副的通透的空间43内。

具体实施方式二：(参见图1、图4)本实施方式所述第二柔性铰链45均为虎克铰型柔性铰链。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：底座采用组装方式，即构成底座的第一平板1、第二平板8和第三平板16各自独立加工，然后采用螺钉连接组装在一起，其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：运动平台采用组装方式，即构成运动平台的第四平板6、第五平板13和第六平板20分别独立加工，然后采用螺钉连接组装在一起，其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：压电陶瓷驱动支链采用分体式结构，第一柔性铰链41、直线微位移运动副42、第二柔性铰链45各自独立加工，然后通过胶粘(Ja-103胶粘剂)等方式组装在一起，其它与具体实施方式一相同。

Claims (6)

1、一种立方体形并联解耦六自由度微动工作台，它由底座、运动平台和六个压电陶瓷驱动支链组成，其特征在于底座由第一平板(1)、第二平板(8)和第三平板(16)组成，第一平板(1)的Q端与第二平板(8)的R端连接为一体，第三平板(16)的P端与第一平板(1)的N端连接为一体，第三平板(16)的T端与第二平板(8)的S端连接为一体，第一平板(1)与第二平板(8)相互垂直设置，第三平板(16)分别与第一平板(1)和第二平板(8)相互垂直设置；运动平台由第四平板(6)、第五平板(13)和第六平板(20)组成，第四平板(6)的G端与第五平板(13)的H端连接为一体，第六平板(20)的L端与第四平板(6)的M端连接为一体，第六平板(20)的J端与第五平板(13)的K端连接为一体，第四平板(6)和第五平板(13)相互垂直设置，第六平板(20)分别与第四平板(6)和第五平板(13)相互垂直设置；第一平板(1)和第五平板(13)相互平行设置，第二平板(8)和第六平板(20)相互平行设置，第三平板(16)和第四平板(6)相互平行设置；第一压电陶瓷驱动支链(4)和第二压电陶瓷驱动支链(15)相互平行设置，第一压电陶瓷驱动支链(4)的第一端(5)和第二压电陶瓷驱动支链(15)的第一端(7)分别与第四平板(6)相连接，第一压电陶瓷驱动支链(4)的第二端(19)和第二压电陶瓷驱动支链(15)的第二端(17)分别与第三平板(16)相连接；第三压电陶瓷驱动支链(3)和第四压电陶瓷驱动支链(21)相互平行设置，第三压电陶瓷驱动支链(3)的第一端(2)和第四压电陶瓷驱动支链(21)的第一端(22)分别与第一平板(1)相连接，第三压电陶瓷驱动支链(3)的第二端(9)和第四压电陶瓷驱动支链(21)的第二端(14)分别与第五平板(13)相连接；第五压电陶瓷驱动支链(24)和第六压电陶瓷驱动支链(11)相互平行设置，第五压电陶瓷驱动支链(24)的第一端(23)和第六压电陶瓷驱动支链(11)的第一端(18)分别与第六平板(20)相连接，第五压电陶瓷驱动支链(24)的第二端(12)和第六压电陶瓷驱动支链(11)的第二端(10)分别与第二平板(8)相连接；所述每个压电陶瓷驱动支链均由第一柔性铰链(41)、直线微位移运动副(42)、压电叠层作动器(44)和第二柔性铰链(45)组成，第一柔性铰链(41)与直线微位移运动副(42)的一端连接为一体，第二柔性铰链(45)与直线微位移运动副(42)的另一端连接为一体，直线微位移运动副(42)的中间开有通透的空间(43)，压电叠层作动器(44)设置在所述通透的空间(43)内并与直线微位移运动副(42)固定连接。

2、根据权利要求1所述的一种立方体形并联解耦六自由度微动工作台，其特征在于：所述直线微位移运动副(42)为柔性铰链八杆机构式移动副。

3、根据权利要求1所述的一种立方体形并联解耦六自由度微动工作台，其特征在于：所述第一柔性铰链(41)和第二柔性铰链(45)均为球铰型柔性铰链。

4、根据权利要求1所述的一种立方体形并联解耦六自由度微动工作台，其特征在于：所述运动平台和底座的材质为40Cr合金钢。

5、根据权利要求1所述的一种立方体形并联解耦六自由度微动工作台，其特征在于：所述压电陶瓷驱动支链的材质为65Mn弹簧钢。

6、根据权利要求1所述的一种立方体形并联解耦六自由度微动工作台，其特征在于：所述第二柔性铰链(45)均为虎克铰型柔性铰链。

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