CN107818813B

CN107818813B - 二维纳米柔性运动平台

Info

Publication number: CN107818813B
Application number: CN201711065810.5A
Authority: CN
Inventors: 张震; 刘志青; 闫鹏
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2037-11-02
Also published as: CN107818813A

Abstract

本发明公开了一种二维纳米柔性运动平台，所述二维纳米柔性运动平台包括：基座；终端平台；两个X向柔性导向件，两个X向柔性导向件均与所述基座连接；两个Y向柔性导向件，两个Y向柔性导向件均与所述基座连接；两个X向柔性解耦件，两个X向柔性解耦件分别与所述Y向导向件及所述终端平台连接；两个Y向柔性解耦件，两个Y向柔性解耦件分别与所述X向导向件及所述终端平台连接；X向T型杆和Y向T型杆,X向T型杆与所述Y向柔性解耦件连接，Y向T型杆与所述X向柔性解耦件连接；X向驱动器和Y向驱动器，X向驱动器与所述X向T型杆连接，Y向驱动器与所述Y向T型杆连接。根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台具有大行程(毫米级)，刚度非线性度小，解耦误差小，高精度(纳米级)的优点。

Description

二维纳米柔性运动平台

技术领域

本发明涉及一种二维纳米柔性运动平台。

背景技术

大行程(毫米以上)二维柔性纳米运动平台一般利用柔性板簧变形提供运动，并采用电磁执行机构，如音圈电机进行驱动，在桌面级尺寸下可实现毫米甚至厘米行程。随着行程的增加，寄生运动也随之增加，从而限制平台的运动精度。为了减少运动平台寄生运动，本专利提出柔性板簧竖直于运动平面的设计方法，通过将柔性构件沿竖直于运动平面方向设置，可有效降低平台系统刚度的非线性，从而有效抑制解耦误差，进而提高平台的运动精度。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有大行程、高精度等优点的二维纳米柔性运动平台。

根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台包括：基座；终端平台，所述终端平台位于所述基座的内侧；X向柔性导向件和Y向柔性导向件，所述X向柔性导向件沿竖直于运动平面方向延伸且与所述基座相连，所述Y向柔性导向件沿竖直于运动平面方向延伸且与所述基座相连；X向柔性解耦件和Y向柔性解耦件，所述X向柔性解耦件沿竖直于运动平面方向延伸且分别与所述Y向柔性导向件相连，所述X向柔性解耦件分别与所述终端平台相对的两侧壁相连，所述Y向柔性解耦件沿竖直于运动平面方向延伸且分别与所述X向柔性导向件相连，所述Y向柔性解耦件分别与所述终端平台相对的两侧壁相连；X向T型杆和Y向T型杆,X向T型杆与所述X向柔性导向件连接，Y向T型杆与所述Y向柔性导向件连接；X向驱动器和Y向驱动器，X向驱动器与所述X向T型杆连接，Y向驱动器与所述Y向T型杆连接。

根据本发明上述实施例的二维纳米柔性运动平台还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述X向柔性导向件为两个且两个所述X向柔性导向件相对X向对称，所述Y向柔性导向件为两个且两个所述Y向柔性导向件相对Y向对称；所述X向柔性解耦件为两个且两个所述X向柔性解耦件相对Y向对称，所述Y向柔性解耦件为两个且两个所述Y向柔性解耦件相对X向对称。由此可以提高所述基于柔性板簧的大行程纳米精度二维运动平台的运动精度。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的二维纳米柔性运动平台的结构示意图；

图2是根据本发明的另一个实施例的二维纳米柔性运动平台的结构示意图；

附图标记：

附图标记：二维纳米柔性运动平台1、基座100、基板110、凸台120、终端平台200、X向柔性导向件310、X导向外平行板簧311、X导向内平行板簧312、Y向柔性导向件320、Y导向外平行板簧321、Y导向内平行板簧322、X向柔性解耦件410、X解耦外平行板簧411、X解耦内平行板簧412、Y向柔性解耦件420、Y解耦外平行板簧421、Y解耦内平行板簧422、X向T型杆510、Y向T型杆520。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

下面参考附图描述根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1。

如图1、图2所示，二维纳米柔性运动平台1、基座100、基板110、凸台120、终端平台200、X向柔性导向件310、X导向外平行板簧311、X导向内平行板簧312、Y向柔性导向件320、Y导向外平行板簧321、Y导向内平行板簧322、X向柔性解耦件410、X解耦外平行板簧411、X解耦内平行板簧412、Y向柔性解耦件420、Y解耦外平行板簧421、Y解耦内平行板簧422、X向T型杆510、Y向T型杆520。

终端平台200位于基座100的外边沿的内侧。两个X向柔性导向件310与基座100相连。两个Y向柔性导向件320与基座100相连。两个X向柔性解耦件410分别与两个Y向柔性导向件320相连，两个X向柔性解耦件410分别与终端平台200相对的两侧壁相连。两个Y向柔性解耦件420分别与两个X向柔性导向件310相连，两个Y向柔性解耦件420分别与终端平台200相对的两侧壁相连。X向T型杆510与两个X向柔性导向件310中的一个相连，具体的，X向T型杆510与两个X导向内侧板簧312中的一个相连；Y向T型杆520与两个Y向柔性导向件320中的一个相连，具体的，Y向T型杆520与两个Y导向内侧板簧322中的一个相连。X向驱动器与X向T型杆510相连，Y向驱动器与Y向T型杆520相连。

下面参考图1、图2描述根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1的工作过程。

在需要终端平台200沿X向运动时，通过X向驱动器驱动X向柔性导向件310，并带动Y向柔性解耦件420和终端平台200沿X向运动，此时两个X向柔性导向件310同步运动，同时通过Y向柔性解耦件420的弹性形变来实现运动解耦。

在需要终端平台200沿Y向运动时，通过Y向驱动器驱动Y向柔性导向件320，并带动X向柔性解耦件410和终端平台200沿Y向运动，此时两个Y向柔性导向件320同步运动，同时通过X向柔性解耦件410的弹性形变来实现运动解耦。

在需要终端平台200同时沿X向和Y向运动时，X向驱动器和Y向驱动器一同工作，带动终端平台200在X向和Y向运动，同时通过X向柔性解耦件410和Y向柔性解耦件420的弹性形变实现运动解耦，从而实现终端平台200在平面内的自由、高精度运动。

并且，由于相关技术中的二维纳米柔性运动平台，其终端平台在运动时，解耦方向上的运动产生的轴向力使运动方向上的刚度发生变化，终端平台200产生寄生运动，使终端平台200的位移产生较大误差。

通过本方法，将X向柔性导向件310、X向柔性解耦件410沿竖直于运动平面方向设置。当终端平台200沿X向运动时，解耦方向上作用于X向柔性导向件310、X向柔性解耦件410的力由原本的轴向力转变为X向柔性导向件310、X向柔性解耦件410Z方向上的力。大大降低了Y方向上的力对X方向刚度的影响，有效抑制了二维纳米柔性运动平台1的解耦误差，提高了终端平台200在X向运动的精度。

同理，当终端平台200沿Y向运动时，由于Y向柔性导向件320、Y向柔性解耦件420沿竖直于运动平面方向设置,大大降低了X方向上的力对Y方向刚度的影响，有效抑制了二维纳米柔性运动平台1的解耦误差，提高了终端平台200在Y向运动的精度。

也就是说，二维纳米柔性运动平台1通过竖直设置X向导向件310、Y向导向件320、X向解耦件410和Y向4解耦件420可以有效降低二维纳米柔性运动平台1运动非线性，抑制终端平台200的寄生运动，提高终端平台200的运动精度。

因此，根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1具有误差小、精度高等优点。

下面参考附图描述根据本发明具体实施例的二维纳米柔性运动平台1。

在本发明的一些具体实施例中，如图1、图2所示，根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1包括，基座100、基板110、凸台120、终端平台200、X向柔性导向件310、X导向外侧板簧311、X导向内侧板簧312、Y向柔性导向件320、Y导向外侧板簧321、Y导向内侧板簧322、X向柔性解耦件410、X解耦外平行板簧411、X解耦内平行板簧412、Y向柔性解耦件420、Y解耦外平行板簧421、Y解耦内平行板簧422、X向T型杆510、Y向T型杆520、X向驱动器610、Y向驱动器620。

两个X向柔性导向件310在X向上对称设置，两个Y向柔性导向件320在Y向上对称设置，两个X向柔性解耦件410在X向上对称设置，两个Y向柔性解耦件420在Y向上对称设置。具体而言，二维纳米柔性运动平台1相对其中心轴线呈中心对称。这样可以进一步提高二维纳米柔性运动平台1各个部件的一致性，从而进一步便于提高二维纳米柔性运动平台1的运动精度。

具体地，如图1、图2所示，每个X向柔性导向件310包括X导向外侧板簧311、X导向内侧板簧312，X导向外侧板簧311与基座100相连，X导向内侧板簧312位于靠近终端平台200一侧，每个Y向柔性导向件320包括Y导向外侧板簧321、Y导向内侧板簧322，Y导向外侧板簧321与基座100相连，Y导向内侧板簧322位于靠近终端平台200一侧，这样可以实现X向柔性导向件310、Y向柔性导向件320、基座100、X向柔性解耦件410和Y向柔性解耦件420的柔性连接，便于驱动终端平台200精确移动。

更为具体地，如图2所示，X导向外平行板簧311和Y导向外平行板簧321在竖直于运动平面方向上对称，从而进一步便于提高二维纳米柔性运动平台1的运动精度。。

如图1、图2所示，根据本发明一个具体示例的二维纳米柔性运动平台1。如图1、图2所示，基座100包括基板110、八个凸台120。八个凸台120固定在基板110上，相邻的两个凸台120为一组，分成四组间隔设置，每个X导向外侧板簧311与一组凸台120相连，每个Y导向外侧板簧321与一组凸台120相连。这样可以便于板簧连接在基座100上。

具体地，如图1、图2所示，每个X向柔性解耦件410包括两个X解耦外平行板簧411、两个X解耦内平行板簧412，X解耦外平行板簧411均与终端平台200的同一侧边沿相连，两个X解耦内平行板簧412位于两个X解耦外平行板簧411的内侧且与两个X解耦外平行板簧411平行设置，两个X解耦内平行板簧412均与对应的Y向柔性导向件320相连，每个Y向柔性解耦件420包括两个Y解耦外平行板簧421、两个Y解耦内平行板簧422，Y解耦外平行板簧421均与终端平台200的同一侧边沿相连，两个Y解耦内平行板簧422位于两个Y解耦外平行板簧421的内侧且与两个Y解耦外平行板簧421平行设置，两个Y解耦内平行板簧422均与对应的X向柔性导向件310相连。这样可以保证X向柔性解耦件410和Y向柔性解耦件420具有良好的结构强度和柔性，保证X向柔性解耦件410和Y向柔性解耦件420对二维纳米柔性运动平台1的运动解耦效果。

可选地，X向驱动器和Y向驱动器可以是音圈电机或压电陶瓷。这样可以便于驱动终端平台200精确移动。

具体而言，所述X向T型杆和所述Y向T型杆均为刚性件。

有利地，二维纳米柔性运动平台1可以为一体件。由此可以进一步提高二维纳米柔性运动平台1的运动精度。

更为有利地，二维纳米柔性运动平台1进一步包括用于检测终端平台200的行程的检测器(图中未示出)，所述检测器设在基座100上。

具体而言，所述检测器可以是光栅尺传感器、激光干涉仪或电容传感器。

进一步地，二维纳米柔性运动平台1可以进一步包括控制器，所述控制器分别与所述检测器、X向驱动器和Y向驱动器相连，以便根据所述检测器的检测值对X向驱动器和Y向驱动器进行控制。由此可以进一步提高二维纳米柔性运动平台1的运动精度。

根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种二维纳米柔性运动平台，其特征在于，包括：

基座；

终端平台，所述终端平台位于所述基座的边沿的内侧；

两个X向柔性导向件，每个所述X向柔性导向件沿竖直于运动平面方向延伸且与所述基座相连；

两个Y向柔性导向件，每个所述Y向柔性导向件沿竖直于运动平面方向延伸且与所述基座相连；

两个X向柔性解耦件，所述X向柔性解耦件沿竖直于运动平面方向延伸且分别与两个所述Y向柔性导向件相连，两个所述X向柔性解耦件分别与所述终端平台相对的两侧壁相连；

两个Y向柔性解耦件，所述Y向柔性解耦件沿竖直于运动平面方向延伸且分别与两个所述X向柔性导向件相连，两个所述Y向柔性解耦件分别与所述终端平台相对的两侧壁相连；

X向T型杆和Y向T型杆，所述X向T型杆与所述两个X向柔性导向件中的一个相连，所述Y向T型杆与所述两个Y向柔性导向件中的一个相连；

X向驱动器和Y向驱动器，所述X向驱动器与所述X向T型杆相连，所述Y向驱动器与所述Y向T型杆相连。

2.根据权利要求1所述的二维纳米柔性运动平台，其特征在于，

所述X向柔性导向件为两个且两个所述X向柔性导向件在X向上对称设置，所述Y向柔性导向件为两个且两个所述Y向柔性导向件在Y向上对称设置,所述X向柔性解耦件为两个且两个所述X向柔性解耦件在Y向上对称设置，所述Y向柔性解耦件为两个且两个所述Y向柔性解耦件在X向上对称设置。

3.根据权利要求1所述的二维纳米柔性运动平台，其特征在于，每个所述X向柔性导向件的柔性板簧在竖直于运动平面方向上对称，每个所述Y向柔性导向件的柔性板簧在竖直于运动平面方向上对称，每个所述X向柔性解耦件的柔性板簧在竖直于运动平面方向上对称，每个所述Y向柔性解耦件的柔性板簧在竖直于运动平面方向上对称。

4.根据权利要求3所述的二维纳米柔性运动平台，其特征在于，所述X向柔性导向件、所述Y向柔性导向件、所述X向柔性解耦件、所述Y向柔性解耦件在竖直于运动平面方向上高度相同。

5.根据权利要求3所述的二维纳米柔性运动平台，其特征在于，每个所述X向柔性导向件包括两个X导向外侧板簧和两个X导向内侧板簧，两个所述X导向外侧板簧通过X导向刚性板相连，X导向刚性板与所述基座相连，两个所述X导向内侧板簧分别与同一侧X导向外侧板簧相连，两个所述X导向内侧板簧位于两个所述X导向外侧板簧的靠近所述的终端平台一侧且与两个所述X导向外侧板簧平行设置；每个所述Y向柔性导向件包括两个Y导向外侧板簧和两个Y导向内侧板簧，两个所述Y导向外侧板簧通过Y导向刚性板相连，Y导向刚性板与所述基座相连，两个所述Y导向内侧板簧分别与同一侧Y导向外侧板簧相连，两个所述Y导向内侧板簧位于两个所述Y导向外侧板簧的靠近所述的终端平台一侧且与两个所述Y导向外侧板簧平行设置。

6.根据权利要求5所述的二维纳米柔性运动平台，其特征在于，每个所述X向柔性解耦件包括两个X解耦外平行板簧和两个X解耦内平行板簧，两个所述X解耦外平行板簧与所述终端平台相连，两个所述X解耦内平行板簧分别与同一侧的所述X解耦外平行板簧及所述Y导向内侧板簧相连，两个所述X解耦内平行板簧位于两个所述X导向外侧板簧的内侧且与两个所述X解耦外平行板簧平行设置；每个所述Y向柔性解耦件包括两个Y解耦外平行板簧和两个Y解耦内平行板簧，两个所述Y解耦外平行板簧与所述终端平台相连，两个所述Y解耦内平行板簧分别与同一侧的所述Y解耦外平行板簧及所述X导向内侧板簧相连，两个所述Y解耦内平行板簧位于两个所述Y解耦外平行板簧的内侧且与两个所述Y导向外侧板簧平行设置。

7.根据权利要求1所述的二维纳米柔性运动平台，其特征在于，所述基座包括：

基板；

八个凸台，八个所述凸台在所述基板的上表面，相邻的两个所述凸台为一组，分成四组间隔设置，每个所述X向柔性导向件与一组凸台相连，每个所述Y向柔性导向件与一组凸台相连。

8.根据权利要求5所述的二维纳米柔性运动平台，其特征在于，所述X向T型杆和所述Y向T型杆分别与所述X导向外侧板簧和Y导向外侧板簧相连。

9.根据权利要求1所述的二维纳米柔性运动平台，其特征在于，所述X向驱动器和所述Y向驱动器为音圈电机或压电陶瓷且分别与X向T型杆和Y向T型杆相连。