CN105945904B - 一种基于柔性机构的三自由度平台 - Google Patents

Abstract

一种基于柔性机构的三自由度平台，其包括内外两个同圆心的圆环，其中外圆环为定环，与指向定位设备的基体固连；内圆环为动环，通过n个柔性杆与定环连接，动环沿Z轴方向上下移动，沿X轴方向和Y轴方向转动；XOY面为定环所在平面，O为圆心；其中，n个柔性杆与动环连接点中的任意相邻2个连接点之间的连线距离相同，n大于或等于3，且圆心O与每个柔性杆之间的垂直距离大于0。本发明具有结构简单、装配容易、疲劳寿命高的优势，可用于搭建高频摆动的指向定位设备。

Description

一种基于柔性机构的三自由度平台

技术领域

本发明属于三自由度平台技术领域，尤其涉及一种基于柔性机构的三自由度平台。

背景技术

三自由度平台在指向、定位、运动仿真领域有重要的应用。Stewart运动平台已广泛运用于运动仿真领域，国内外学者也先后研制了多款三自由度平台。

传统的三自由度平台是通过并联机构搭建的，含有大量轴系结构，因此三自由度平台相对尺寸较大，结构较为复杂，成本较高，且有间隙和摩擦，难于保证精度，在高频领域应用困难。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于柔性机构的三自由度平台，具有结构简单、装配容易、疲劳寿命高的优势，可用于搭建高频摆动的指向定位设备。

一种基于柔性机构的三自由度平台，其包括内外两个同圆心的圆环，其中外圆环为定环，与指向定位设备的基体固连；内圆环为动环，通过n个柔性杆与定环连接，动环沿Z轴方向上下移动，沿X轴方向和Y轴方向转动；XOY面为定环所在平面，O为圆心；其中，n个柔性杆与动环连接点中的任意相邻2个连接点之间的连线距离相同，n大于或等于3，且圆心O与每个柔性杆之间的垂直距离大于0。

效果较佳的，n个柔性杆均与动环相切。

效果较佳的，n为3，3个切点构成正三角形。

效果较佳的，n为4，4个切点构成正四边形。

效果较佳的，n为5，5个切点构成正五边形。

效果较佳的，n个柔性杆与动环不相切。

有益效果：

本发明基于柔性机构的三自由度平台无间隙和摩擦，可实现高精度运动；疲劳寿命高，且可免于润滑，避免污染环境；动态性能好，可应用于高频高速场合；可以进行整体化(或一体化)设计和加工，故可简化结构、减小体积和重量、免于装配。

附图说明

图1是本发明具有三连杆的三自由度平台的结构图。

图2是本发明具有四连杆的三自由度平台的结构图。

图3是本发明具有五连杆的三自由度平台的结构图。

具体实施方式

柔性机构和传统的刚性机构不同，它用自身的变形来传递或转化位移、力和能量。柔性机构的优点主要是：大大减少零件数目、缩减装配时间、同时将制造过程简化，从性能上来说可以提高精度、增加可靠性、减少磨损、减轻重量、减少维护。具体体现在：

(1)可以整体化(或一体化)设计和加工，故可简化结构、减小体积和重量、免于装配；

(2)无间隙和摩擦，可实现高精度运动；

(3)免于磨损，可提高寿命；

(4)免于润滑，避免污染；

(5)可增大结构刚度。

机构学的发展方向是宏观到微观，串联到并联，刚性到柔性。本发明采用柔性机构来设计三自由度平台，针对的是小运动范围和高频应用领域。

下述定环、动环均共圆心，均记为O。

请参见图1所示，本发明是一种基于柔性机构的具有三连杆的三自由度平台，该平台为一体化零件，包括定环Aa、动环Ab、第一柔性杆A1、第二柔性杆A2、第三柔性杆A3；第一柔性杆A1与动环Ab的连接点为A01，第二柔性杆A2与动环Ab的连接点为A02，第三柔性杆A3与动环Ab的连接点为A03，依次连接连接点A01、A02、A03构成一等边三角形；柔性杆A1、A2、A3均与动环Ab相切，且动环圆心O与柔性杆A1、A2、A3的距离均为d0。柔性杆的数量可以是4、5或者更多，且柔性杆与动环圆心O的垂直距离越大越好。该平台的动环Ab有三个自由度，一个沿Z轴方向的移动自由度，一个绕X轴方向的转动自由度和一个绕Y轴方向的转动自由度。该平台的结构简单、装配容易、疲劳寿命高，可用于搭建高频摆动的指向定位设备。

本发明的三自由度平台，定环Aa用来与指向定位设备的基体固连，为三自由度平台的固定部分。柔性杆A1、A2、A3为一种柔性机构，受力可以产生形变。动环Ab为三自由度平台的运动部分，可以沿Z轴方向移动，沿X轴方向和Y轴方向转动，动环Ab可以根据实际需求设计成其他的结构形式。

另外，当柔性杆A1、A2、A3与动环Ab不相切时，动环圆心O与柔性杆A1、A2、A3的垂直距离d0应大于0，即柔性杆A1、A2、A3不穿过动环圆心O。下述原理相同，在此不再赘述。

请参见图2所示，本发明是一种基于柔性机构的具有四连杆的三自由度平台，该平台为一体化零件，包括定环Ba、动环Bb、第一柔性杆B1、第二柔性杆B2、第三柔性杆B3、第四柔性杆B4；第一柔性杆B1与动环Bb的连接点为B01，第二柔性杆B2与动环Bb的连接点为B02，第三柔性杆B3与动环Bb的连接点为B03，第四柔性杆B4与动环Bb的连接点为B04，依次连接连接点B01、B02、B03、B04构成一正四边形；柔性杆B1、B2、B3、B4均与动环Bb相切，且动环圆心O与柔性杆B1、B2、B3、B4的距离均为d0，该值越大越好。该平台的动环Bb有三个自由度，一个沿Z轴方向的移动自由度，一个绕X轴方向的转动自由度和一个绕Y轴方向的转动自由度。

请参见图3所示，本发明是一种基于柔性机构的具有五连杆的三自由度平台，该平台为一体化零件，包括定环Ca、动环Cb、第一柔性杆C1、第二柔性杆C2、第三柔性杆C3、第四柔性杆C4、第五柔性杆C5；第一柔性杆C1与动环Cb的连接点为C01，第二柔性杆C2与动环Cb的连接点为C02，第三柔性杆C3与动环Cb的连接点为C03，第四柔性杆C4与动环Cb的连接点为C04，第五柔性杆C5与动环Cb的连接点为C05，依次连接连接点C01、C02、C03、C04、C05构成一正五边形；柔性杆C1、C2、C3、C4、C5均与动环Cb相切，且动环圆心O与柔性杆C1、C2、C3、C4、C5的距离均为d0，该值越大越好。该平台的动环Cb有三个自由度，一个沿Z轴方向的移动自由度，一个绕X轴方向的转动自由度和一个绕Y轴方向的转动自由度。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于柔性机构的三自由度平台，其特征在于，包括内外两个同圆心的圆环，其中外圆环为定环，与指向定位设备的基体固连；内圆环为动环，通过n个柔性杆与定环连接，动环沿Z轴方向上下移动，沿X轴方向和Y轴方向转动；XOY面为定环所在平面，O为圆心；其中，n个柔性杆与动环连接点中的任意相邻2个连接点之间的连线距离相同，n大于或等于3，且圆心O与每个柔性杆之间的垂直距离大于0。

2.如权利要求1所述的基于柔性机构的三自由度平台，其特征在于，

n个柔性杆均与动环相切。

3.如权利要求2所述的基于柔性机构的三自由度平台，其特征在于，n为3，3个切点构成正三角形。

4.如权利要求2所述的基于柔性机构的三自由度平台，其特征在于，n为4，4个切点构成正四边形。

5.如权利要求2所述的基于柔性机构的三自由度平台，其特征在于，n为5，5个切点构成正五边形。

6.如权利要求1所述的基于柔性机构的三自由度平台，其特征在于，

n个柔性杆与动环不相切。