CN105904443A - 一种运动解耦的两自由度柔顺并联机构 - Google Patents

一种运动解耦的两自由度柔顺并联机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种运动解耦的两自由度柔顺并联机构，包括基座、动平台、X轴支链和Y轴支链，所述的基座和所述的动平台通过X轴支链和Y轴支链连接；所述X轴支链和Y轴支链成正交分布，结构相同，均包括有第一平行四杆导向机构、第二平行四杆导向机构和位移放大机构，所述第一平行四杆导向机构连接所述的基座，所述第二平行四杆导向机构连接所述的动平台，所述的位移放大机构连接在所述第一平行四杆导向机构和所述第二平行四杆导向机构之间。本发明采用了并联结构，结构紧凑，每个支链包含两个平行四杆导向机构和一个位移放大机构，可将压电陶瓷驱动器的输入位移放大，得到较大的工作行程，同时避免了X轴和Y轴运动之间的耦合。

Description

一种运动解耦的两自由度柔顺并联机构
技术领域
本发明涉及精密定位、精密操作领域，特别涉及一种运动解耦的两自由度柔顺并联机构。
背景技术
精密定位平台广泛应用于一些需要亚微米级甚至纳米级定位精度的工作场合，比如，超精密加工、微电子工程、生物工程、纳米技术等领域，是精密定位技术的核心。
柔顺机构是一种通过机构本体的弹性变形来实现运动的新型机构，可避免传统刚性机构中的铰链间隙和装配误差等问题，使得这类机构的运动精度可达亚微米级甚至纳米级，因此广泛作为精密定位平台的本体，特别是柔顺并联机构。通常情况下，精密定位平台由压电陶瓷驱动器驱动，这类驱动器相较于传统驱动方式具有精度高、响应快和驱动力大等优点，但行程较小。为此，常采用放大机构将输入位移放大，以实现较大的工作行程。放大机构包括杠杆放大机构和桥式放大机构，例如，专利CN201210518329.8公开的两自由度定位平台采用了杠杆放大机构。柔顺并联机构的自由度数一般在两个以上，各自由度之间容易产生耦合运动，这样会增加精密定位平台控制和精度提高的难度，所以，实际应用倾向于使用运动解耦的精密定位平台。为推动精密定位技术的发展，开发运动解耦的新型柔顺并联机构具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种运动解耦的两自由度柔顺并联机构，可实现平面内X和Y轴方向上的平移运动。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种运动解耦的两自由度柔顺并联机构，包括基座、动平台、X轴支链和Y轴支链，所述的基座和所述的动平台通过X轴支链和Y轴支链连接；
所述的X轴支链和Y轴支链成正交分布，结构相同，均包括有第一平行四杆导向机构、第二平行四杆导向机构和位移放大机构，所述的第一平行四杆导向机构连接所述的基座，所述的第二平行四杆导向机构连接所述的动平台，所述的位移放大机构连接在所述的第一平行四杆导向机构和所述的第二平行四杆导向机构之间。
进一步地，所述的第一平行四杆导向机构为对称结构，包括T字形第一连杆、相互平行的垂直设置在所述第一连杆两端的第二连杆，所述第一连杆的居中设有用于放置压电陶瓷驱动器的U型凹槽，所述的压电陶瓷驱动器第一平行四杆导向机构的对称中心线指向动平台，所述的第二连杆一端通过柔性铰链连接基座，另一端通过柔性铰链连接第一连杆。
进一步地，所述的第二平行四杆导向机构为关于第一平行四杆导向机构对称中心线的对称结构，包括第三连杆和两根平行设置的第四连杆，两根第四连杆的一端通过柔性铰链连接动平台，另一端通过柔性铰链连接第三连杆。
进一步地，所述的位移放大机构为关于第一平行四杆导向机构对称中心线的对称结构，包括第一连架杆、第二连架杆、驱动杆、第五连杆、第六连杆和V型柔性单元；
所述的第一连架杆和所述的第二连架杆的一端分别通过柔性铰链连接在所述第一平行四杆导向机构的第一连杆上，另一端通过柔性铰链分别连接所述的第五连杆和所述的第六连杆，所述的第五连杆和所述的第六连杆呈T字形；
所述的驱动杆与所述的压电陶瓷驱动器相互垂直，其相对第一连杆的一侧中间点为所述的压电陶瓷驱动器的驱动点，两端分别通过柔性铰链连接所述的第五连杆和所述的第六连杆；
所述的V型柔性单元为关于第一平行四杆导向机构对称中心线的对称结构，其中部与第二平行四杆导向机构相连接，两侧各通过一个柔性薄板结构连接第五连杆和所述第六连杆。
进一步地，每个所述的柔性薄板结构均包括一块或一块以上相互平行且尺寸一致的柔性薄板。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
柔顺并联机构相较于串联机构，具有高刚度、高精度、结构紧凑和无误差累计等优点；采用了特殊结构的位移放大机构和复合的平行四杆导向机构，X和Y方向的运动能够有效解耦，便于后续的机构建模和精密定位平台的控制；所设计的柔顺并联机构可利用线切割技术一体化加工而成，减少了装配工序，避免了铰链间隙、润滑和摩擦，利于实现亚微米级或纳米级的高精度定位。
附图说明
图1为本发明实施例的平面示意图；
图2为本发明实施例的X轴支链的示意图；
图3为本发明实施例的立体示意图。
图中所示为：1-基座；2-动平台；3-X轴支链；4-Y轴支链；5-第一平行四杆导向机构；501-第一连杆；502-U型凹槽；503-第二连杆；504-第一柔性铰链；505-第二柔性铰链；6-第二平行四杆导向机构；601-第三连杆；602-第四连杆；7-位移放大机构；701-第一连架杆；702-第二连架杆；703-驱动杆；704-第五连杆；705-第六连杆；706-第三柔性铰链；707-第四柔性铰链；708-第五柔性铰链；709-第六柔性铰链；710-第七柔性铰链；711-第八柔性铰链；712-第一柔性薄板；713-第二柔性薄板；714-第三柔性薄板；715-第四柔性薄板； 8-压电陶瓷驱动器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
参照图1至图3，一种运动解耦的两自由度柔顺并联机构，包括基座1、动平台2、X轴支链3和Y轴支链4，所述的基座1和所述的动平台2通过X轴支链3和Y轴支链4连接；所述的X轴支链3和Y轴支链4成正交分布，结构相同，均包括有第一平行四杆导向机构5、第二平行四杆导向机构6和位移放大机构7。所述的第一平行四杆导向机构5连接所述的基座1，所述的第二平行四杆导向机构6连接所述的动平台2，所述的位移放大机构7连接在所述的第一平行四杆导向机构5和所述的第二平行四杆导向机构6之间。
具体而言，在本发明的一个实施例中，所述的第一平行四杆导向机构5为对称结构，包括T字形第一连杆501、相互平行的垂直设置在所述第一连杆501两端的第二连杆503，所述第一连杆501的中间设有用于放置压电陶瓷驱动器8的U型凹槽502，所述的压电陶瓷驱动器8沿X轴线设置，所述的第二连杆503一端通过第一柔性铰链504连接基座1，另一端通过第二柔性铰链505连接第一连杆501。
具体而言，在本发明的一个实施例中，所述的第二平行四杆导向机构6为关于第一平行四杆导向机构5对称中心线的对称结构，包括第三连杆601和两根平行设置的第四连杆602，两根第四连杆602的一端通过柔性铰链连接动平台2，另一端通过柔性铰链连接第三连杆601。
具体而言，在本发明的一个实施例中，所述的位移放大机构7的结构为关于第一平行四杆导向机构5对称中心线的对称结构，包括第一连架杆701、第二连架杆702、驱动杆703、第五连杆704、第六连杆705和V型柔性单元；所述的第一连架杆701和所述的第二连架杆702的一端分别通过第三柔性铰链706和第四柔性铰链707连接在所述第一平行四杆导向机构5的第一连杆501上，另一端通过第五柔性铰链708和第六柔性铰链709分别连接所述的第五连杆704和所述的第二连杆705，所述的第五连杆704和所述的第六连杆705呈T字形状；所述的驱动杆703与所述的压电陶瓷驱动器8相互垂直，其相对第一连杆501的一侧中间点为所述的压电陶瓷驱动器8的驱动点，两端分别通过第七柔性铰链710和第八柔性铰链711连接所述的第五连杆704和所述的第六连杆705。所述的V型柔性单元为关于第一平行四杆导向机构对称中心线的对称结构，其中部与第二平行四杆导向机构6相连接，两侧各通过一个柔性薄板结构连接第五连杆704和所述第六连杆705。
具体而言，在本发明的一个实施例中，每个所述的柔性薄板结构均包括两块相互平行且尺寸一致的柔性薄板，所述V型柔性单元的一侧包括平行且尺寸一致的第一柔性薄板712和第二柔性薄板713，所述的第一柔性薄板712和所述的第二柔性薄板713连接在所述的第五连杆704和所述的第二平行四杆导向机构6的第三连杆601之间，所述V型柔性单元的另一侧包含平行且尺寸一致的第三柔性薄板714和第四柔性薄板715，所述的第三柔性薄板714和所述的第四柔性薄板715连接在所述的第六连杆705和所述的第二平行四杆导向机构6的第三连杆601之间。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种运动解耦的两自由度柔顺并联机构，其特征在于：包括基座(1)、动平台(2)、X轴支链(3)和Y轴支链(4)，所述的基座(1)和所述的动平台(2)通过X轴支链(3)和Y轴支链(4)连接；
所述的X轴支链(3)和Y轴支链(4)成正交分布，结构相同，均包括有第一平行四杆导向机构(5)、第二平行四杆导向机构(6)和位移放大机构(7)，所述的第一平行四杆导向机构(5)连接所述的基座(1)，所述的第二平行四杆导向机构(6)连接所述的动平台(2)，所述的位移放大机构(7)连接在所述的第一平行四杆导向机构(5)和所述的第二平行四杆导向机构(6)之间。
2.根据权利要求1所述的运动解耦的两自由度柔顺并联机构，其特征在于：
所述的第一平行四杆导向机构(5)为对称结构，包括T字形第一连杆(501)、相互平行的垂直设置在所述第一连杆(501)两端的第二连杆(503)，所述第一连杆(501)的居中设有用于放置压电陶瓷驱动器(8)的U型凹槽(502)，所述的压电陶瓷驱动器(8)沿第一平行四杆导向机构(5)的对称中心线指向动平台(2)，所述的第二连杆(503)一端通过柔性铰链连接基座(1)，另一端通过柔性铰链连接第一连杆(501)。
3.根据权利要求1所述的运动解耦的两自由度柔顺并联机构，其特征在于：
所述的第二平行四杆导向机构(6) 为关于第一平行四杆导向机构(5)对称中心线的对称结构，包括第三连杆(601)和两根平行设置的第四连杆(602)，两根第四连杆(602)的一端通过柔性铰链连接动平台(2)，另一端通过柔性铰链连接第三连杆(601)。
4.根据权利要求2所述的运动解耦的两自由度柔顺并联机构，其特征在于：
所述的位移放大机构(7)为关于第一平行四杆导向机构(5)对称中心线的对称结构，包括第一连架杆(701)、第二连架杆(702)、驱动杆(703)、第五连杆(704)、第六连杆(705)和V型柔性单元；
所述的第一连架杆(701)和所述的第二连架杆(702)的一端分别通过柔性铰链连接在所述第一平行四杆导向机构(5)的第一连杆(501)上，另一端通过柔性铰链分别连接所述的第五连杆(704)和所述的第六连杆(705)，所述的第五连杆(704)和所述的第六连杆(705)呈T字形；
所述的驱动杆(703)与所述的压电陶瓷驱动器(8)相互垂直，且其相对第一连杆(501)的一侧中间点为所述的压电陶瓷驱动器(8)的驱动点，两端分别通过柔性铰链连接所述的第五连杆(704)和所述的第六连杆(705)；
所述的V型柔性单元为关于第一平行四杆导向机构(5)对称中心线的对称结构，其中部与第二平行四杆导向机构(6)相连接，两侧各通过一个柔性薄板结构连接第五连杆(704)和所述第六连杆(705)。
5.根据权利要求1所述的运动解耦的两自由度柔顺并联机构，其特征在于：
每个所述的柔性薄板结构均包括一块或一块以上相互平行且尺寸一致的柔性薄板。
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