CN103448056A - 平面整体式全柔顺并联微操作机构 - Google Patents

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朱大昌
安梓铭
冯文结
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Abstract

本发明涉及一种具有平面整体式全柔顺并联微操作机构。本发明采用连续映射拓扑优化技术对平面全柔顺并联微操作机构进行整体式设计。本发明微操作机构由三个相同拓扑结构的全柔顺并联支链所组成，每个支链均与相邻支链互成120度角并且均匀的固定在基座上，微操作平台在三个全柔顺并联支链运动输出端上，精密操作器固定在微操作平台上。其继承了平面三自由度并联机构的运动特性，克服了传统传动方式中由于螺纹孔行程、关节传动摩擦微小变形等因素及装配误差对微操作精度的影响，并引入位移矢量映射矩阵建立输入与输出之间映射关系，通过位移矢量映射矩阵解耦实现纳米级微操作。

Description

平面整体式全柔顺并联微操作机构
技术领域
本发明涉及一种平面整体式全柔顺并联微操作机构，特别是一种基于位移矢量连续映射拓扑优化方法的平面三自由度(两平移一转动)整体式全柔顺并联微操作机构。
背景领域
柔性并联机构是采用柔性铰链代替传统刚性铰链，实现以支链弹性变形作为运动传递的一种微动机构，该机构弥补了传统并联机构由刚性铰链所带来的传动摩擦、间隙以及装配误差等缺陷，逐渐在微电子技术、宇航技术、精密加工、医学工程等技术领域得到较为广泛的应用。然而，传统铰链取代方式无法满足微操作对机构整体刚度最大化的需求，导致微操作机构对外界环境(振动、噪声等)极其敏感，难以实现精密微操作。结构拓扑优化是以机构整体刚度最大化为优化设计目标的机构构型综合新方法，运用该设计方法，既可实现传统并联机构运动特性，又同时满足柔性并联机构对整体刚度最大化的需求。然而，必须寻求一种建立机构运动学映射关系与拓扑优化相结合的全柔顺并联机构构型综合新方法，实现纳米级微操作。
发明内容
本发明目的在于提供一种新型的平面三自由度整体式全柔顺并联微操作机构，用于弥补柔性并联机构在微操作领域机构整体刚度对外界环境敏感的不足。
本发明技术方案：一种平面三自由度整体式全柔顺并联微操作机构，三个具有相同拓扑结构的全柔顺并联支链(4)互成120度且均匀固定在基座(5)上，微操作平台(6)在三个全柔顺并联支链(4)的运动输出端。
全柔顺并联支链(4)与微操作平台为一整体，通过采用位移矢量连续映射拓扑优化方法对该微操作机构进行整体式机构拓扑优化设计，从而得到平面三自由度整体式全柔顺并联微操作机构；固定在基座(5)上的三个驱动器(1)提供驱动输入，经三个全柔顺并联支链(4)微弹性形变将力(微运动)传递至微操作平台(6)，实现纳米级微操作。
全柔顺并联支链(4)的固定端(2)及固定端(3)固定在基座(5)上，驱动器(1)一端与全柔顺并联支链(4)相连接，另一端与基座(5)相连接。
本发明有益效益：采用位移矢量连续映射拓扑优化机构构型综合新方法，平面三自由度全柔顺并联机构具有与传统平面三自由度并联机构微分运动特性，并同时具有类似柔性并联机构的无传动摩擦、间隙及装配误差等特性。由于采用位移矢量连续映射拓扑优化设计方法，平面三自由度全柔顺并联机构在机构整体刚度上明显优越于平面三自由度柔性并联机构，从而抑制了微操作机构对外界环境(振动、噪声等)的敏感性，实现精密微操作。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
具体实施方式
将位移矢量连续映射拓扑优化，并联机构和柔顺机构理论相结合，设计出一种平面三自由度整体式全柔顺并联微操作机构。
本发明由基座(5)，三个相同的全柔顺并联支链(4)，三个驱动器(1)和精密定位平台(6)组成。
三个拓扑结构相同的全柔顺并联支链(4)中相邻两支链互成120度且均匀固定在基座(5)上，微操作平台与支链形成一整体，支链(4)的固定端(2)、固定端(3)固定在基座(5)上。驱动器(1)的一端连接基座(5)，另一端连接支链(4)，通过对全柔顺并联支链(4)施加驱动力。全柔顺并联支链(4)受力产生微弹性形变将力(微运动)传递至微操作平台(6)，实现纳米级微操作。
本发明具备了传统平面三自由度并联机构的运动特性及平面三自由度柔性并联机构的无传动摩擦、间隙及装配误差等特性，同时在机构整体刚度上优于平面三自由度柔性并联机构，从而实现纳米级精密微操作。

Claims (3)

1.一种平面三自由度整体式全柔顺并联微操作机构，其特性在于：以平面三自由度整体式全柔顺并联微机构柔度最小为设计目标，以体积为约束，采用位移矢量连续映射拓扑优化技术对该微操作机构进行整体式设计。具体在于，引入位移矢量连续映射矩阵建立输入与输出之间的微分映射关系，通过改变平面三自由度并联机构初始参数值，采用位移矢量连续映射拓扑优化方法得出与之对应的、具有不同拓扑结构构型的平面整体式三自由度全柔顺并联微操作机构。
2.根据权利要求1所述一种平面三自由度整体式全柔顺并联微操作机构，其特性在于：三个全柔顺并联支链(4)与微操作平台(6)经连续映射拓扑优化形成一个整体。该微操作机构具有如下特性：(1)微操作机构(6)与对应的平面三自由度并联机构微运动形式一致；(2)通过对位移矢量映射矩阵解耦及各支链(4)的微弹性形变，实现微操作运动。
3.根据权利要求2所述平面三自由度整体式全柔顺并联微操作机构运动形式，其特性在于：三条全柔顺并联支链(4)的结构组成为无铰链微弹性运动传递形式。
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