CN106363615B - 一种卧式六自由度微纳操作器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卧式六自由度微纳操作器，包括基座、连接台和操作末端，操作末端与连接台通过三个板型柔性铰链机构连接，板型柔性铰链机构采用八边形结构，设有两个关于其中心线对称且相对设置的M型铰链，两个M型铰链的两端连接在一起，板型柔性铰链机构的中心线沿操作末端的径向设置；在连接台上设有三个沿周向均布的压电陶瓷驱动器Ⅱ；在连接台的背面设有沿其周向均布且水平设置的三个直角柔性铰链，在每个直角柔性铰链的输入端上形成有一个沿竖向设置且向下延伸的柔性铰链放大机构，柔性铰链放大机构的下端与基座连接，三个柔性铰链放大机构并列等间距设置。本发明结构简单紧凑、输出位移较大、操作空间较大。

Description

一种卧式六自由度微纳操作器

技术领域

本发明属于微纳操作技术领域，具体为一种可应用于微操作系统的卧式六自由度微纳操作器。

背景技术

随着科技的发展，在超精密加工、微电子工程、生物工程、纳米技术等领域都迫切需要亚微米级甚至纳米级的精密操作技术。精密操作技术最典型的应用在于纳米器件的制造生产。纳米器件包括纳米电子器件和纳米光电器件，可广泛应用于电子学、光学、微机械装置、新型计算机等制造领域，是当今新材料与新器件研究领域中最具有活力的，也是元器件小型化、智能化、高集成化等的主流发展方向。纳米器件由于具有潜在的巨大市场和国防价值，使得其设计和制造的方法、途径、工艺等成为众多科学家、政府和大型企业研究和投资的热点。所以大力发展精密操作技术是大势所趋，是创新科技进步的具体体现。

但是，目前微纳米级精密操作系统主要以低自由度平动居多，操作不灵活。现有的六自由度精密操作系统，结构复杂、行程较小、安装和操作困难，难以满足实际应用的需求。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种结构简单紧凑、输出位移较大、操作空间较大的卧式六自由度微纳操作器。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种卧式六自由度微纳操作器，包括基座、连接台和操作末端，所述连接台和所述操作末端沿竖向设置，所述操作末端采用圆盘结构，所述连接台采用圆环结构，所述操作末端设置在所述连接台内，所述操作末端与所述连接台通过三个板型柔性铰链机构连接，三个所述板型柔性铰链机构沿周向均布，所述板型柔性铰链机构采用八边形结构，设有两个关于其中心线对称且相对设置的M型铰链，两个所述M型铰链的两端连接在一起，所述板型柔性铰链机构的中心线沿所述操作末端的径向设置；在所述连接台上设有三个沿周向均布的压电陶瓷驱动器Ⅱ，所述压电陶瓷驱动器Ⅱ的输出端与所述操作末端接触，所述压电陶瓷驱动器Ⅱ与位于其伸出方向侧且与其靠近的所述板型柔性铰链机构的中心线垂直；在所述连接台的背面设有沿其周向均布且水平设置的三个直角柔性铰链，在每个所述直角柔性铰链的输入端上形成有一个沿竖向设置且向下延伸的柔性铰链放大机构，所述柔性铰链放大机构的下端与所述基座连接，三个所述柔性铰链放大机构并列等间距设置。

所述直角柔性铰链的输出端与所述连接台是采用螺栓Ⅰ连接的，所述柔性铰链放大机构的下端与所述基座是采用螺栓Ⅱ连接的。

所述柔性铰链放大机构是二级柔性铰链放大机构。

本发明具有的优点和积极效果是：结构简单紧凑，方便安装和操作。利用柔性铰链放大机构进行压电陶瓷驱动器Ⅰ的输出位移的放大和输出力的传递，使得直角柔性铰链发生弹性变形，从而带动连接台和圆盘操作末端运动，利用三个板型柔性铰链机构的M型对称布置，具有更好的柔性，实现压电陶瓷驱动器Ⅱ输出位移和力的转换，从而带动圆盘操作末端的微纳米位移的输出，输出位移较大，并实现了六个自由度的运动；通过操作末端的卧式设计，可作为纳米微操作系统的辅助操作器，灵活性更好，操作空间更大，安装更为方便。为纳米器件的制造生产提供了有效的辅助手段，具有非常重要的应用意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为图1的侧视图；

图4为本发明的直角柔性铰链及与其输入端相连的柔性铰链放大机构的示意图；

图5为本发明的操作末端与连接台连接的结构示意图。

图中：1、基座，2、螺栓Ⅰ，3、柔性铰链放大机构，4、压电陶瓷驱动器Ⅰ，5、螺栓Ⅱ，6、板型柔性铰链机构，7、连接台，8、压电陶瓷驱动器Ⅱ，9、操作末端，10、直角柔性铰链。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图5，一种卧式六自由度微纳操作器，包括基座1、连接台7和操作末端9，所述连接台7和所述操作末端9沿竖向设置，所述操作末端9采用圆盘结构，所述连接台7采用圆环结构，所述操作末端9设置在所述连接台7内，所述操作末端9与所述连接台7通过三个板型柔性铰链机构6连接，三个所述板型柔性铰链机构6沿周向均布，所述板型柔性铰链机构6采用八边形结构，设有两个关于其中心线对称且相对设置的M型铰链，两个所述M型铰链的两端连接在一起，所述板型柔性铰链机构6的中心线沿所述操作末端9的径向设置；在所述连接台7上设有三个沿周向均布的压电陶瓷驱动器Ⅱ8，所述压电陶瓷驱动器Ⅱ8的输出端与所述操作末端9接触，所述压电陶瓷驱动器Ⅱ8与位于其伸出方向侧且与其靠近的所述板型柔性铰链机构6的中心线垂直；在所述连接台7的背面设有沿其周向均布且水平设置的三个直角柔性铰链10，在每个所述直角柔性铰链10的输入端上形成有一个沿竖向设置且向下延伸的柔性铰链放大机构3，所述柔性铰链放大机构3的下端与所述基座1连接，三个所述柔性铰链放大机构3并列等间距设置。

在本实施例中，所述直角柔性铰链10的输出端与所述连接台7是采用螺栓Ⅰ2连接的，所述柔性铰链放大机构的下端与所述基座是采用螺栓Ⅱ5连接的。所述柔性铰链放大机构3是二级柔性铰链放大机构。直角柔性铰链10及与其输入端相连的柔性铰链放大机构3是通过电火花线切割技术一体加工出来的。柔性铰链放大机构3是根据杠杆放大原理设计的，实现输入位移的传递和输入力的过渡与缓冲。

本发明的工作原理：

由计算机输出的控制电压信号，驱使压电陶瓷驱动器Ⅰ按照指定的运动轨迹产生伸缩运动，经过柔性铰链放大机构，使得输入位移得到放大，通过克服直角柔性铰链的弹性力，达到使连接台产生位移输出的效果。通过控制三个压电陶瓷驱动器Ⅰ的伸长量，可以实现连接台的运动控制，实现沿一个方向的平动和两个方向的转动，当三个压电陶瓷驱动器Ⅰ的伸长量相同时，实现连接台一个纯平动自由度，当三个压电陶瓷驱动器Ⅰ的伸长量不同时，实现连接台两个转动自由度；而连接台和操作末端是一体加工的，之间经过板型柔性铰链机构连接，连接台能够带动操作末端产生同样的运动。同理，驱使压电陶瓷驱动器Ⅱ按照指定的运动轨迹产生伸缩运动，直接作用在操作末端上，通过克服板型柔性铰链机构的弹性力，达到使操作末端产生位移输出的效果。通过控制三个压电陶瓷驱动器Ⅱ的伸长量，可以实现操作末端的运动控制，实现两个方向的平动和一个方向的转动，当三个压电陶瓷驱动器Ⅱ的伸长量相同时，实现操作末端一个纯转动自由度，当三个压电陶瓷驱动器Ⅱ的伸长量不同时，实现操作末端两个平动自由度。所以，通过控制六个压电陶瓷驱动器，就能实现操作末端的六自由度精密操作。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种卧式六自由度微纳操作器，其特征在于，包括基座、连接台和操作末端，所述连接台和所述操作末端沿竖向设置，所述操作末端采用圆盘结构，所述连接台采用圆环结构，所述操作末端设置在所述连接台内，所述操作末端与所述连接台通过三个板型柔性铰链机构连接，三个所述板型柔性铰链机构沿周向均布，所述板型柔性铰链机构采用八边形结构，设有两个关于其中心线对称且相对设置的M型铰链，两个所述M型铰链的两端连接在一起，所述板型柔性铰链机构的中心线沿所述操作末端的径向设置；在所述连接台上设有三个沿周向均布的压电陶瓷驱动器Ⅱ，所述压电陶瓷驱动器Ⅱ的输出端与所述操作末端接触，所述压电陶瓷驱动器Ⅱ与位于其伸出方向侧且与其靠近的所述板型柔性铰链机构的中心线垂直；在所述连接台的背面设有沿其周向均布且水平设置的三个直角柔性铰链，在每个所述直角柔性铰链的输入端上形成有一个沿竖向设置且向下延伸的柔性铰链放大机构，所述柔性铰链放大机构的下端与所述基座连接，三个所述柔性铰链放大机构并列等间距设置；三个所述柔性铰链放大机构内部分别安装三个压电陶瓷驱动器I，三个所述压电陶瓷驱动器I的伸缩量分别为三个所述柔性铰链放大机构的输入位移。

2.根据权利要求1所述的卧式六自由度微纳操作器，其特征在于，所述直角柔性铰链的输出端与所述连接台是采用螺栓Ⅰ连接的，所述柔性铰链放大机构的下端与所述基座是采用螺栓Ⅱ连接的。

3.根据权利要求1所述的卧式六自由度微纳操作器，其特征在于，所述柔性铰链放大机构是二级柔性铰链放大机构。