CN107481767B - 驱动组件及柔性精密定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驱动组件及柔性精密定位平台，涉及柔性精密定位平台技术领域。该驱动组件包括第一压电驱动器和柔性驱动体，柔性驱动体包括半桥式驱动部、第一柔性铰链件以及固定平台。固定平台和半桥式驱动部分别位于第一柔性铰链件的两侧且与其固定连接，第一压电驱动器与半桥式驱动部固定连接。柔性精密定位平台包括竖向驱动组件、支撑件以及驱动组件，竖向驱动组件与驱动组件相互垂直设置。该柔性精密定位平台具有5个解耦自由度，可实现沿X轴、Y轴、Z轴的平动，及绕X轴、Y轴的偏摆转动，具备高精度、大行程、高刚度等特点。

Description

驱动组件及柔性精密定位平台

技术领域

本发明涉及柔性精密定位平台技术领域，具体而言，涉及一种驱动组件及柔性精密定位平台。

背景技术

近年来，随着微纳米领域相关技术的迅猛发展，尤其是宇航工程、精密机械工程、生物医学工程、复合轴精密跟踪等尖端领域都迫切需要高精度、高分辨率、大行程、多自由度的精密定位技术。微米/纳米级空间精密定位台可以在三维空间内提供多自由度的纳米级运动，是纳米科学领域必备的关键仪器设备。

目前，压电陶瓷驱动的微纳定位平台存在行程较小的缺陷，其应用于显微领域的压电陶瓷管的最大行程100μm左右，无法满足大范围表面测量与表征的需求，降低了其工程应用性能。

并联式结构往往存在各个方向上的输出耦合，必须通过解耦器或者控制算法来进行位移解耦。同时，现阶段的压电定位平台大多自由度较少、运动维度有限、缺少旋转摆动能力、且行程较小，其移动量及运动的能力均难以满足复杂工况的需求。

综上所述，设计一种精度高、行程大、自由度多的柔性空间精密定位平台，是本领域的技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种驱动组件，设计合理、结构简单，加工精度高，刚度强，结构紧凑，装配简单。

本发明的目的还在于提供了一种柔性精密定位平台，具有5个解耦自由度，可实现沿X轴、Y轴、Z轴的平动，及其绕X轴、Y轴的偏摆转动，具有高精度、大行程、高刚度的优点。

本发明的实施例是这样实现的：

基于上述目的，本发明的实施例提供了一种驱动组件，包括第一压电驱动器和柔性驱动体，所述柔性驱动体包括多个半桥式驱动部、多个第一柔性铰链件以及固定平台；

所述第一柔性铰链件的数量为所述半桥式驱动部的数量的二倍，两个所述第一柔性铰链件分别与一个所述半桥式驱动部的两端一一对应连接；

所述固定平台位于所述多个第一柔性铰链件的中间且与全部所述第一柔性铰链件固定连接，所述半桥式驱动部与所述第一柔性铰链件固定连接且位于与其连接的所述第一柔性铰链件的远离所述固定平台的一侧；

所述第一压电驱动器与所述半桥式驱动部数量相同且一一对应，所述第一压电驱动器通过第一预紧件与所述半桥式驱动部固定连接。

另外，根据本发明的实施例提供的驱动组件，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的可选实施例中，所述半桥式驱动部的数量为四个，所述第一柔性铰链件的数量为八个，一个所述半桥式驱动部与两个所述第一柔性铰链件形成偏摆组；

四个所述偏摆组绕所述固定平台的中心线旋转对称。

在本发明的可选实施例中，所述第一柔性铰链件为工字型结构。

在本发明的可选实施例中，所述半桥式驱动部为U型结构且包括依次连接的第一柱、第二柱以及第三柱，所述第一柱和所述第三柱对应设置有固定孔，所述第二柱设置有连接孔；

所述第一压电驱动器位于所述第一柱与所述第三柱之间，所述第一预紧件穿过所述固定孔将所述第一压电驱动器与所述半桥式驱动部固定连接。

本发明的实施例还提供了一种柔性精密定位平台，包括竖向驱动组件、支撑件以及驱动组件，所述驱动组件为横向驱动组件；

所述竖向驱动组件的数量与所述半桥式驱动部的数量相同且一一对应连接，所述竖向驱动组件与所述横向驱动组件相互垂直，所述支撑件位于所述横向驱动组件的远离所述竖向驱动组件的一侧；

所述竖向驱动组件包括桥式放大器、第二压电驱动器以及第二柔性铰链件，所述桥式放大器为框型结构，所述第二压电驱动器设置于所述桥式放大器内，所述第二柔性铰链件设置于所述桥式放大器的背离所述支撑件的一侧。

在本发明的可选实施例中，所述竖向驱动组件还包括第二预紧件，所述桥式放大器包括相对应的第一固定部和第二固定部，所述第一固定部与所述第二固定部平行且均设置有通孔，所述第二预紧件穿过所述通孔将所述第二压电驱动器和所述桥式放大器固定连接。

在本发明的可选实施例中，所述柔性精密定位平台还包括输出平台和固定连接件；

所述桥式放大器还包括相对应的第一连接部和第二连接部，所述第一连接部与所述第二柔性铰链件固定连接，所述第二柔性铰链件的远离所述桥式放大器的一端设置有定位孔，所述固定连接件穿过所述定位孔将所述输出平台与所述第二柔性铰链件固定连接。

在本发明的可选实施例中，所述输出平台为圆环结构且设置有第一组固定连接孔和第二组固定连接孔；

所述第一组固定连接孔的数量与所述第二柔性铰链件的数量相同且一一对应，所述第二组固定连接孔与所述第一组固定连接孔交错设置。

在本发明的可选实施例中，所述柔性精密定位平台还包括底座，所述竖向驱动组件还包括第三柔性铰链件，所述第三柔性铰链件固定设置于所述第二连接部的背离所述第二压电驱动器的一侧；

所述底座与所述支撑件的远离所述输出平台的一侧固定连接，所述第三柔性铰链件与所述底座相贴设置。

在本发明的可选实施例中，所述柔性精密定位平台还包括底座，所述竖向驱动组件还包括第三柔性铰链件，所述第三柔性铰链件固定设置于所述第二连接部的背离所述第二压电驱动器的一侧；

所述底座与所述支撑件的远离所述输出平台的一侧固定连接，所述第三柔性铰链件与所述底座相贴设置。

本发明实施例的有益效果是：结构简单、设计合理，具有5个解耦自由度，可实现沿X轴、Y轴、Z轴的平动，及其绕X轴、Y轴的偏摆转动。提高了输出精度，提高了定位性能，具有高刚度、高精度、低惯量、体积小、重量轻、结构紧凑、无误差积累等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的驱动组件的示意图；

图2为图1中柔性驱动体的示意图；

图3为本发明实施例2提供的柔性精密定位平台的示意图；

图4为图3的第二视角的示意图；

图5为图4中竖向驱动组件的示意图。

图标：100-柔性精密定位平台；10-驱动组件；103-第一压电驱动器；105-柔性驱动体；1052-固定平台；1054-第一柔性铰链件；1056-半桥式驱动部；108-第一预紧件；15-横向驱动组件；20-竖向驱动组件；202-桥式放大器；203-第二压电驱动器；204-第二预紧件；205-第二柔性铰链件；207-第三柔性铰链件；22-输出平台；223-第一组固定连接孔；226-第二组固定连接孔；25-底座；28-支撑件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

其中图1—图2对应本发明的实施例1，图3—图5对应本发明的实施例2，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案进行详细描述。

实施例1

如图1所示，本发明实施例1提供的驱动组件10包括第一压电驱动器103、柔性驱动体105以及第一预紧件108，第一预紧件108将第一压电驱动器103固定设置于柔性驱动体105，当给第一压电驱动器103通电时，该第一压电驱动器103会相对应的伸长或者缩短，从而使与其连接的柔性驱动体105的半桥式驱动部1056输出位移量。

下面对该驱动组件10的各个部件的具体结构和相互之间的对应关系进行详细说明。

请参照图2所示，柔性驱动体105包括固定平台1052、多个第一柔性铰链件1054以及多个半桥式驱动部1056，由线切割工艺加工而成，固定平台1052位于多个第一柔性铰链件1054的中间位置，全部半桥式驱动部1056位于最外侧。

具体的，第一柔性铰链件1054的数量为半桥式驱动部1056的数量的二倍，两个第一柔性铰链件1054分别与一个半桥式驱动部1056的两端一一对应连接，固定平台1052与全部第一柔性铰链件1054固定连接，可选的，全部第一柔性铰链件1054分别设置于固定平台1052的周向，半桥式驱动部1056与第一柔性铰链件1054固定连接且位于与其连接的第一柔性铰链件1054的远离固定平台1052的一侧。

可选的，固定平台1052为板状矩形结构，其横截面形状为正方形，第一柔性铰链件1054的数量为八个，固定平台1052的每个侧面固定设置有两个第一柔性铰链件1054，该两个第一柔性铰链件1054分别位于侧面的两端。

可选的，该第一柔性铰链件1054的形状为工字型结构，在本发明的实施例1中，第一柔性铰链件1054的中间段为两个背对的半圆形状，全部的第一柔性铰链件1054的形状、尺寸相同。

可选的，半桥式驱动部1056的数量为四个，且与固定平台1052的四个侧面一一对应，一个半桥式驱动部1056与两个第一柔性铰链件1054形成偏摆组，在本发明的实施例1中，该偏摆组绕固定平台1052的中心线旋转对称。此处的中心线是指将固定平台1052放置于水平面且使固定平台1052相同大小的四个侧面均与水平面垂直时，该固定平台1052的垂直于水平面的中心线。

具体的，半桥式驱动部1056为U型结构，其开口端面向固定平台1052设置从而形成一个容纳区，该半桥式驱动部1056包括依次连接的第一柱、第二柱以及第三柱，其中，第一柱和第三柱相对设置，在第一柱和第三柱上设置有用于固定第一压电驱动器103的固定孔，第二柱与固定平台1052的侧面平行设置，该第二柱设置有连接孔，可选的，该第二柱上间隔的开设有多个凹槽，从而减轻重量。

可选的，第一压电驱动器103为圆柱状结构，第一压电驱动器103的数量与半桥式驱动部1056的数量相同且一一对应，第一压电驱动器103位于第一柱与第三柱之间，第一预紧件108穿过上述的固定孔将第一压电驱动器103与半桥式驱动部1056固定连接。

在本发明的实施例1中，第一预紧件108为预紧螺栓。

当其中一个第一压电驱动器103加电伸长或者缩短时，该第一压电驱动器103会带动与其连接的两个第一柔性铰链件1054产生对开的微旋转动作，从而使得与其连接的柔性驱动体105向上或者向下输出位移量。

同理，另外三个第一压电驱动器103的加电也会使得与其连接的柔性驱动体105向左或者向右输出位移量，在本发明的实施例1中，第一压电驱动器103为压电陶瓷驱动器。

本发明实施例1提供的驱动组件10具有的有益效果是：设计合理、结构简单，由于采用慢走丝线切割工艺加工柔性驱动体105，其加工精度高，刚度强，结构紧凑，装配简单。

实施例2

本发明实施例2提供了一种柔性精密定位平台100，请参照图3和图4所示，包括竖向驱动组件20、输出平台22、底座25、支撑件28以及实施例1提供的驱动组件10，其中，驱动组件10在本实施例2中为横向驱动组件15，具体说明如下：

首先，详细介绍底座25和支撑件28的结构，其中，底座25为圆板状结构，在底座25的中心开设有多个用于与支撑件28连接的固定孔，可选的，固定孔为螺纹孔。支撑件28为方形薄板结构，该支撑件28上开设有多个连接孔，连接孔的数量和位置与底座25上固定孔的数量和位置相对应，从而采用螺栓件将支撑件28与底座25固定连接。

其次，详细介绍竖向驱动组件20，请参照图5所示，竖向驱动组件20包括桥式放大器202、第二压电驱动器203、第二预紧件204、第二柔性铰链件205以及第三柔性铰链件207，其中，第二压电驱动器203设置于桥式放大器202内，第二柔性铰链件205和第三柔性铰链件207分别设置于桥式放大器202的两侧，具体的，当竖向驱动组件20和横向驱动组件15组装后，第二柔性铰链件205位于桥式放大器202的背离底座25的一侧，第三柔性铰链件207设置于桥式放大器202的靠近底座25的一侧。

具体的，桥式放大器202为框型结构，包括相对应的第一固定部和第二固定部，以及相对应的第一连接部和第二连接部，其中，第一固定部与第二固定部平行，第一连接部与第二连接部平行。

第一连接部和第二连接部均设置有相对应的通孔，第二预紧件204穿过该通孔将第二压电驱动器203和桥式放大器202固定连接。

可选的，第一连接部与第二柔性铰链件205固定连接，第二柔性铰链件205的远离桥式放大器202的一端设置有定位孔，固定连接件穿过定位孔将输出平台22与第二柔性铰链件205固定连接。

可选的，第三柔性铰链件207固定设置于第二连接部的背离第二压电驱动器203的一侧，该第三柔性铰链件207与底座25相贴设置。

可选的，第二柔性铰链件205包括固定连接的第一铰链部和第二铰链部，其中，该第一铰链部的转动轴与第二铰链部的转动轴相互垂直，铰链部均为工字型结构，这里的转动轴是指垂直于工字型结构的横截面，使得该铰链部能够绕转动轴旋转对称。

在本发明实施例1中，竖向驱动组件20的数量与半桥式驱动部1056的数量相同且一一对应连接，该竖向驱动组件20与横向驱动组件15相互垂直设置，支撑件28位于横向驱动组件15的远离竖向驱动组件20的一侧，输出平台22位于竖向驱动组件20的远离底座25的一端。

可选的，输出平台22为圆环结构且设置有第一组固定连接孔223和第二组固定连接孔226，其中，第一组固定连接孔223的数量与第二柔性铰链件205的数量相同且一一对应，通过固定连接件将输出平台22与竖向驱动组件20固定连接。

可选的，第二组固定连接孔226与第一组固定连接孔223交错设置，作为备用的功能孔，当使用该柔性精密定位平台100驱动其它零件时，可以通过第二组固定连接孔226与外接零件固定连接。在本发明的实施例1中，第一组固定连接孔223和第二组固定连接孔226均为螺纹孔。

全部竖向驱动组件20的桥式放大器202均采用线切割工艺加工而成，通过预紧螺钉来固定第二压电驱动器203，当第二压电驱动器203加电后沿X方向或者Y方向伸长或缩短时，会带动桥式放大器202沿着Z向伸长或者缩短，进而驱动输出平台22沿着Z向产生位移量。

在本发明的实施例2中，第二压电驱动器203为压电陶瓷驱动器。

本发明实施例2提供的柔性精密定位平台100的工作原理为：

当横向驱动组件15的四个第一压电驱动器103加电时会伸长或缩短。例如，当其中与X轴方向平行的两个第一压电驱动器103都伸长或者都缩短时，会驱动柔性驱动体105向Y方向伸长或缩短，进而推动与其连接的竖向驱动组件20基于第三柔性铰链件207分别绕与X轴平行的轴偏转，从而带动输出平台22沿Y方向平移；

同理，当其中与Y轴方向平行的两个第一压电驱动器103都伸长或缩短时，会驱动柔性驱动体105向X方向伸长或缩短，进而推动与其连接的竖向驱动组件20基于第三柔性铰链件207分别绕与Y轴平行的轴偏转，从而带动输出平台22沿X方向平移，基于竖向驱动组件20的正交性，X和Y方向的平移无耦合。

当竖向驱动组件20的四个第二压电驱动器203加电时会伸长或缩短，例如：当这四个第二压电驱动器203施加相同的电压时，其伸长量相同，由于四个竖向驱动组件20的结构完全相同，将会在Z向产生相同的位移量，因此输出平台22会沿Z方向产生平移。

当与X轴平行的两个竖向驱动组件20的第二压电驱动器203分别施加正负相反的电压时，会导致一个伸长一个缩短，此时其中一个竖向驱动组件20沿Z方向产生正或负位移量，另一个竖向驱动组件20沿Z方向产生负或正位移量，从而带动输出平台22基于第二柔性铰链件205产生绕与X轴平行的轴进行偏摆转动。

同理，当与Y轴平行的两个竖向驱动组件20的第二压电驱动器203分别施加正负相反的电压时，会导致一个伸长一个缩短，此时其中一个竖向驱动组件20沿Z方向产生正或负位移量，另一个竖向驱动组件20沿Z方向产生负或正位移量，从而带动输出平台22基于第三柔性铰链件207产生绕与Y轴平行的轴进行偏摆转动。

由于每个竖向驱动组件20上方的第二柔性铰链件205正交分布、无转动耦合，因此输出平台22绕X和Y方向的偏摆转动也无耦合。

本发明实施例1提供的驱动组件10具有的有益效果是：

1.横向驱动组件15的柔性驱动体105和竖向驱动组件20的四个桥式放大器202均采用慢走丝线切割工艺加工，精度较高，装配简单。

2.采用柔性铰链件并联结构，具有高刚度、高精度、低惯量、体积小、重量轻、结构紧凑、无误差积累等优点。

3.竖向驱动组件20基于桥式放大原理将第二压电驱动器203的微小伸缩量进行了放大，增大了柔性精密定位平台100沿Z向的平移输出范围，也增大了柔性精密定位平台100绕X和Y向的偏摆输出范围；横向驱动组件15基于桥式放大原理将第一压电驱动器103的微小伸缩量进行了放大，横向驱动组件15的输出端通过第一柔性铰链件1054带动竖向驱动组件20作微小角度摆动，带动X方向或者Y方向相对的两组竖向驱动组件20基于平行四边形原理进行运动，增大了柔性精密定位平台100沿X向和Y向的平移输出范围。

4.该柔性精密定位平台100具有5个解耦自由度，可实现沿X轴、Y轴、Z轴的平动，及其绕X轴、Y轴的偏摆转动。这五个自由度的运动相互解耦，互不影响，提高了输出平台22的输出精度，提高了其定位性能。

5.柔性铰链件为单自由度或两自由度，所产生的转角变化很微小，可以有效消除并联机构固有的非线性等缺点，且无摩擦损耗，使其工作寿命长，无需润滑，可免维护。

6.将压电驱动器、柔性铰链件以及并联机构相结合，使柔性精密定位平台100具备了高精度、大行程、高刚度等特点。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种驱动组件，其特征在于，包括第一压电驱动器和柔性驱动体，所述柔性驱动体包括多个半桥式驱动部、多个第一柔性铰链件以及固定平台；

所述第一柔性铰链件的数量为所述半桥式驱动部的数量的二倍，两个所述第一柔性铰链件分别与一个所述半桥式驱动部的两端一一对应连接；

所述固定平台位于所述多个第一柔性铰链件的中间且与全部所述第一柔性铰链件固定连接，所述半桥式驱动部与所述第一柔性铰链件固定连接且位于与其连接的所述第一柔性铰链件的远离所述固定平台的一侧，所述固定平台为板状矩形结构；

所述第一压电驱动器与所述半桥式驱动部数量相同且一一对应，所述第一压电驱动器通过第一预紧件与所述半桥式驱动部固定连接；

所述半桥式驱动部为U型结构且包括依次连接的第一柱、第二柱以及第三柱，所述第一柱和所述第三柱对应设置有固定孔，所述第二柱设置有连接孔；

所述第一压电驱动器位于所述第一柱与所述第三柱之间，所述第一预紧件穿过所述固定孔将所述第一压电驱动器与所述半桥式驱动部固定连接。

2.根据权利要求1所述的驱动组件，其特征在于，所述半桥式驱动部的数量为四个，所述第一柔性铰链件的数量为八个，一个所述半桥式驱动部与两个所述第一柔性铰链件形成偏摆组；

四个所述偏摆组绕所述固定平台的中心线旋转对称。

3.根据权利要求1所述的驱动组件，其特征在于，所述第一柔性铰链件为工字型结构。

4.一种柔性精密定位平台，其特征在于，包括竖向驱动组件、支撑件以及权利要求1-3任意一项所述的驱动组件，所述驱动组件为横向驱动组件；

所述竖向驱动组件的数量与所述半桥式驱动部的数量相同且一一对应连接，所述竖向驱动组件与所述横向驱动组件相互垂直，所述支撑件位于所述横向驱动组件的远离所述竖向驱动组件的一侧；

所述竖向驱动组件包括桥式放大器、第二压电驱动器以及第二柔性铰链件，所述桥式放大器为框型结构，所述第二压电驱动器设置于所述桥式放大器内，所述第二柔性铰链件设置于所述桥式放大器的背离所述支撑件的一侧。

5.根据权利要求4所述的柔性精密定位平台，其特征在于，所述竖向驱动组件还包括第二预紧件，所述桥式放大器包括相对应的第一固定部和第二固定部，所述第一固定部与所述第二固定部平行且均设置有通孔，所述第二预紧件穿过所述通孔将所述第二压电驱动器和所述桥式放大器固定连接。

6.根据权利要求4所述的柔性精密定位平台，其特征在于，所述柔性精密定位平台还包括输出平台和固定连接件；

所述桥式放大器还包括相对应的第一连接部和第二连接部，所述第一连接部与所述第二柔性铰链件固定连接，所述第二柔性铰链件的远离所述桥式放大器的一端设置有定位孔，所述固定连接件穿过所述定位孔将所述输出平台与所述第二柔性铰链件固定连接。

7.根据权利要求6所述的柔性精密定位平台，其特征在于，所述输出平台为圆环结构且设置有第一组固定连接孔和第二组固定连接孔；

所述第一组固定连接孔的数量与所述第二柔性铰链件的数量相同且一一对应，所述第二组固定连接孔与所述第一组固定连接孔交错设置。

8.根据权利要求6所述的柔性精密定位平台，其特征在于，所述柔性精密定位平台还包括底座，所述竖向驱动组件还包括第三柔性铰链件，所述第三柔性铰链件固定设置于所述第二连接部的背离所述第二压电驱动器的一侧；

所述底座与所述支撑件的远离所述输出平台的一侧固定连接，所述第三柔性铰链件与所述底座相贴设置。

9.根据权利要求4-8任意一项所述的柔性精密定位平台，其特征在于，所述第二柔性铰链件包括固定连接的第一铰链部和第二铰链部，所述第一铰链部的转动轴与所述第二铰链部的转动轴相互垂直。

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