CN108527334A - 一种多自由度柔顺并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳米定位装置的技术领域，更具体地，涉及一种多自由度柔顺并联机构，运动支链包括第一运动支链以及第二运动支链；所述第一运动支链的一端与第一固定基座连接，另一端与末端执行器连接；所述第二运动支链的一端与第二固定基座连接，另一端与末端执行器连接；所述末端执行器外接有用于携带不同类型负载的负载连接器，所述第一固定基座上设有用于测量预紧端位移、输入端位移、末端输出位移的电容传感器。本发明使用四个相并联的运动支链，实现末端执行器的四自由度位移的输出，具有高精度、高速度、高加速度、高刚度和高承载力，使得末端执行器在超精密加工等应用场合中具有突出优势，也适用于微纳操作、微纳测量、纳米压印等应用。

Description

一种多自由度柔顺并联机构

技术领域

本发明涉及纳米定位装置的技术领域，更具体地，涉及一种多自由度柔顺并联机构。

背景技术

柔顺机构是构成纳米定位装置机构本体的主要手段之一，是微纳操作、微纳测量以及微纳制造等技术的关键部分，在精密与超精密加工、精密操作、精密测量及微机电系统等相关领域中发挥着重要的作用。柔顺铰链利用结构中薄弱部分易于变形的特点和材料自身的可逆性弹性变形特性来实现所要求的运动副功能，具有免装配、零间隙、无摩擦及免润滑等优点。

目前，针对柔性机构大部分只是用刚体替换法来设计柔性机构，即将机构各运动支链的运动副以柔顺铰链代替，用柔性连杆将各个柔顺铰链连接在一起形成相对应的柔性支链，通过柔顺铰链将运动平台和固定基座相连接从而构成相应的柔顺机构。然而，通过这种方法设计的柔顺机构可实现所要求的运动与功能，但在一些具有更高精度要求的领域上，柔顺并联机构要求具有更高的刚度且具有更佳的运动特性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多自由度柔顺并联结构，能够满足纳米定位场合多自由度、高精度、高准确性、高稳定性、高刚度和大负载的性能要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种多自由度柔顺并联机构，包括第一固定基座、第二固定基座、末端执行器、通过柔顺铰链传递运动的运动支链，所述运动支链包括若干并联连接且位于同一平面的第一运动支链以及垂直于所述平面的第二运动支链，所述第一运动支链设于第一固定基座上，所述第二运动支链垂直连接于第一固定基座的中心；所述第一运动支链的一端与第一固定基座连接，另一端与末端执行器连接；所述第二运动支链的一端与第二固定基座连接，另一端与末端执行器连接；所述末端执行器外接有用于携带不同类型负载的负载连接器，所述第一固定基座上设有用于测量预紧端位移、输入端位移、末端输出位移的电容传感器。

本发明的多自由度柔顺并联机构，第一运动支链和第二运动支链并联连接形成多自由度柔顺并联机构，采用电容传感器测量预紧端位移、输入端位移、末端输出位移，并根据获得的数据通过运动支链控制负载连接器在不同自由度的运动量，从而实现部分纳米定位场合多自由度、高精度、高准确性、高稳定性、高刚度和大负载的性能要求。

进一步地，所述第一固定基座与第二固定基座之间设有连接板及垫板，所述第二固定基座与垫板连接，所述第一固定基座与连接板紧固连接；所述第一固定基座设有若干与第一运动支链匹配的第一滑槽，所述第二固定基座设有与第二运动支链匹配的第二滑槽。第一固定基座为第一运动支链提供固定支承，第二固定基座为第二运动支链提供固定支撑；第二固定基座和连接板、连接板和垫板、垫板和第一固定基座之间采用螺钉和销钉等紧固在一起，使得第一运动支链、第二运动支链相对第一固定基座、第二固定基座没有相对位移。

进一步地，所述第一运动支链包括压电陶瓷驱动器、输入端以及若干柔顺铰链，所述压电陶瓷驱动器的一端通过顶丝与第一固定基座连接，若干柔顺铰链顺次串联设于输入端和末端执行器之间，所述输入端与压电陶瓷驱动器无间隙连接。电容传感器测量预紧端位移、输入端位移、末端输出位移，并对测得的位移解算得到输入值，通过输入端发送到压电陶瓷驱动器中，压电陶瓷驱动器内置的应变片传感器获得驱动器伸长量，末端执行器获得多自由度的输出位移，带动末端执行器上连接的负载连接器，实现四自由度的运动，满足多种应用场合的需求。

进一步地，所述顶丝的正交方向连接有用于顶丝二次加固的预紧件。压电陶瓷驱动器通过顶丝进行预紧后，再使用预紧件对预紧之后的顶丝进行二次预紧，增强第一运动支链与第一固定基座、第二运动支链与第二固定基座之间的连接稳定性。

进一步地，所述顶丝的端面面接触设有滚珠，所述滚珠点接触设有用于测量预紧力的力传感器，所述力传感器与压电陶瓷驱动器之间设有预紧块，所述力传感器连接有控制器。预紧装置中使用滚珠来实现预紧过程中的面接触或点接触，易于确定预紧力的作用点和作用方向，保证预紧精度，避免预紧过程中产生侧向力和弯矩，同时消除顶丝转动产生的扭矩和侧向力，保护压电陶瓷驱动器等所能承受扭矩受限的驱动器。

进一步地，所述预紧块的顶部预留有用于安装测量块、反光镜支架的安装孔。 安装测量块，便于电容传感器对该测量块的测量面进行测量，也可以安装反光镜支架，使用激光干涉仪进行测量，校正或标定电容传感器，也可监测预紧块转动对电容传感器直线位移测量精度的影响。

进一步地，所述柔顺铰链包括串联连接的第一输入端导向柔顺铰链、第一转动式柔顺铰链、输入端柔顺铰链、第二转动式柔顺铰链以及第三转动式柔顺铰链，所述第一转动式柔顺铰链、第二转动式柔顺铰链、第三转动式柔顺铰链呈3-RRR构型。通过对柔顺铰链结构参数的优化设计，可以对多项性能指标进行设计。

进一步地，所述顶丝、滚珠、力传感器、预紧块、压电陶瓷驱动器、输入端、第一输入端导向柔顺铰链的轴线重合。在安装第一运动支链时，在第一滑槽中放入压电陶瓷驱动器后，采用顶丝、预紧件、滚珠、力传感器和预紧块来确保压电陶瓷驱动器与输入端的无间隙连接。

进一步地，所述第二运动支链包括顺次连接的第二压电陶瓷驱动器、第二输入端以及若干与第一运动支链匹配的第二输入端导向柔顺铰链，所述第二压电陶瓷驱动器通过第二顶丝与第二固定基座连接。第二固定基座上设有用于固定第二压电陶瓷驱动器的环形阶梯状凸出块，电容传感器测量预紧端位移、第二输入端位移、末端输出位移，并对测得的位移解算得到的输入值通过第二输入端发送到第二压电陶瓷驱动器中，第二压电陶瓷驱动器内置的应变片传感器获得驱动器名义伸长量，末端执行器获得该自由度的输出位移，带动末端执行器上连接的负载连接器，实现多维度运动，满足多种应用场合的需求。

进一步地，所述末端执行器连接有若干分别与第三转动式柔顺铰链连接的第一柔顺铰链以及一组与第二输入端导向柔顺铰链连接的第二柔顺铰链。第一运动支链及第二运动支链控制末端执行器多自由度的运动，为满足部分纳米定位场合多自由度、高精度、高准确性、高稳定性、高刚度和大负载的性能要求创设加工条件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明使用多个相并联的运动支链，实现末端执行器的多自由度位移的输出，具有高精度、高速度、高加速度、高刚度和高承载力，使得末端执行器在超精密加工等应用场合中具有突出优势。

（2）本发明使用多支柔顺铰链构成多条运动支链，能够对机构静力学、运动学和动力学等性能指标参数进行多维度充分优化，从而得到优异的解耦性、带宽、刚度、工作空间。

（3）本发明的末端执行器的多个自由度的位移均可以直接测量，便于进行全闭环实时反馈控制；通过电容传感器检测可能存在的耦合或误差，改善纳米定位的准确性和稳定性。

（4）本发明的预紧装置中使用滚珠来实现预紧过程中的面接触或点接触，易于确定预紧力作用点和作用方向，保证预紧精度，避免预紧过程中产生侧向力和弯矩，同时能消除顶丝转动产生的扭矩和侧向力，保护承受扭矩有限的压电陶瓷驱动器。

附图说明

图1为本发明的多自由度柔顺并联机构的俯视图。

图2为本发明的多自由度柔顺并联机构的正三轴测图。

图3为本发明的多自由度柔顺并联机构的仰视图。

图4为图1中的第一固定基座的俯视图。

图5为图1中的第一运动支链的结构示意图I。

图6为图1中的第一运动支链的结构示意图II。

图7为图1中的第二运动支链的结构示意图。

图8为图7中的第一柔顺铰链与第二柔顺铰链的结构示意图。

图9为图1中末端执行器的结构示意图。

图10为图1中负载连接器的结构示意图。

图11为图1中电容传感器的安装示意图。

附图中：1-第一运动支链；11-顶丝；12-预紧件；13-滚珠；14-力传感器；15-预紧块；16-压电陶瓷驱动器；17-输入端；18-第一输入端导向柔顺铰链；19-第一转动式柔顺铰链；110-输入端柔顺铰链；111-第二转动式柔顺铰链；112-第三转动式柔顺铰链；2-第二运动支链；21-第二顶丝；22-第二预紧件；23-第二滚珠；24-第二力传感器；25-第二预紧块；26-第二压电陶瓷驱动器；27-第二输入端；28-第二输入端导向柔顺铰链；3-第一固定基座；4-第二固定基座；5-连接板；6-垫板；7-末端执行器；71-第一柔顺铰链；72-第二柔顺铰链；8-负载连接器；9-电容传感器；91-第一电容传感器；92-第二电容传感器；93-第三电容传感器；94-第四电容传感器；95-第五电容传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。

实施例1

如图1至图9所示为本发明的多自由度柔顺并联机构的第一实施例，包括第一固定基座3、第二固定基座4、末端执行器7、通过柔顺铰链传递力/位移的运动支链，运动支链包括若干并联连接且位于同一平面的第一运动支链1以及垂直于平面的第二运动支链2，第一运动支链1设于第一固定基座3上，第二运动支链2垂直连接于第一固定基座3的中心；第一运动支链1的一端与第一固定基座3连接，另一端与末端执行器7连接；第二运动支链2的一端与第二固定基座4连接，另一端与末端执行器7连接；末端执行器7外接有用于携带不同类型负载的负载连接器8，第一固定基座3上设有用于测量预紧端位移、输入端位移、末端输出位移的电容传感器9。本实施例以三组第一运动支链1和一组第二运动支链2为例说明，但需要说明的是，第一运动支链1和第二运动支链2的数量并不局限于此。

如图1至图4所示，第一固定基座3与第二固定基座4之间设有连接板5及垫板6，第二固定基座4与垫板6连接，第一固定基座3与连接板5紧固连接；第一固定基座3设有若干与第一运动支链1匹配的第一滑槽，第二固定基座4设有与第二运动支链2匹配的第二滑槽。本实施例的第二固定基座4和连接板5、连接板5和垫板6、垫板6和第一固定基座3之间采用螺钉和销钉等紧固在一起，使得第一运动支链1、第二运动支链2相对第一固定基座3、第二固定基座4没有相对位移。

如图5至图6所示，第一运动支链1包括压电陶瓷驱动器16、输入端17以及若干柔顺铰链，压电陶瓷驱动器16的一端通过顶丝11与第一固定基座3连接，若干柔顺铰链顺次串联设于输入端17和末端执行器7之间，输入端17与压电陶瓷驱动器16无间隙连接。其中，顶丝11的端面面接触设有滚珠13，滚珠13点接触设有用于测量预紧力的力传感器14，力传感器14与压电陶瓷驱动器16之间设有预紧块15，力传感器14连接有控制器；预紧装置中使用滚珠13来实现预紧过程中的面接触或点接触，易于确定预紧力的作用点和作用方向，保证预紧精度，避免预紧过程中产生侧向力和弯矩，同时消除顶丝11转动产生的扭矩和侧向力，保护压电陶瓷驱动器16等所能承受扭矩受限的驱动器。顶丝11、滚珠13、力传感器14、预紧块15、压电陶瓷驱动器16、输入端17、第一输入端导向柔顺铰链18的轴线重合，采用顶丝11、预紧件12、滚珠13、力传感器14和预紧块15来确保压电陶瓷驱动器16与输入端17的无间隙连接。柔顺铰链包括串联连接的第一输入端导向柔顺铰链18、第一转动式柔顺铰链19、输入端柔顺铰链110、第二转动式柔顺铰链111以及第三转动式柔顺铰链112，第一转动式柔顺铰链19、第二转动式柔顺铰链111、第三转动式柔顺铰链112呈3-RRR构型。另外，顶丝11的正交方向连接有用于顶丝11二次加固的预紧件12；预紧块15的顶部预留有用于安装测量块、反光镜支架的安装孔，安装测量块，便于电容传感器对该测量块的测量面进行测量，也可以安装反光镜支架，使用激光干涉仪进行测量，校正或标定电容传感器，也可监测预紧块15转动对电容传感器直线位移测量精度的影响。本实施例中的力传感器14用以测量预紧力的大小，也可以分别监测压电陶瓷驱动器16在整个工作过程中输出力的值并反馈回控制器，进而结合预紧块15、输入端17的位移来计算四条运动支链对应的预紧刚度和输入刚度。

如图7所示，第二运动支链2的结构与第一运动支链1的结构相同，所不同之处在于，第二运动支链除包括第二顶丝21、第二预紧件22、第二滚珠23、第二力传感器24、第二预紧块25、第二压电陶瓷驱动器26、第二输入端27之外，还包括三组与第一运动支链1匹配的第二输入端导向柔顺铰链28。本实施例的第二固定基座4设有用于固定第二压电陶瓷驱动器26的环形阶梯状凸出块，电容传感器9测量预紧端位移、第二输入端27位移、末端输出位移，并对测得的位移解算得到的输入值通过第二输入端27发送到第二压电陶瓷驱动器26中，第二压电陶瓷驱动器26内置的应变片传感器获得驱动器名义伸长量，末端执行器7获得该自由度的输出位移，带动末端执行器7上连接的负载连接器8，实现多维度运动，满足多种应用场合的需求。

如图8所示，末端执行器7连接有若干分别与第三转动式柔顺铰链112连接的第一柔顺铰链71以及一组与第二输入端导向柔顺铰链连接的第二柔顺铰链72。第一运动支链1及第二运动支链2控制末端执行器7多自由度的运动，为满足部分纳米定位场合多自由度、高精度、高准确性、高稳定性、高刚度和大负载的性能要求创设加工条件。

如图9所示，本实施例的负载连接器8连接的负载为金刚石刀具81，末端执行器7具有四个自由度，金刚石刀具81也具有与之相同的自由度，在第一柔顺铰链71与第二柔顺铰链72的作用下，输出位移可以实现解耦，易于设计多轴联动的控制器。

如图10所示，本实施例中的传感器包括用于测量第一运动支链1预紧端位移的第一电容传感器91、用于测量第一运动支链1输入端位移的第二电容传感器92、用于在另一个相对方向测量第一运动支链1输入端位移的第三电容传感器93、用于测量末端执行器在平面三个自由度上位移的第四电容传感器94以及用于竖直方向位移的第五电容传感器95，第一电容传感器91连接于第一运动支链1的端部，第二电容传感器92、第三电容传感器93均与输入端17连接，第二电容传感器92、第三电容传感器93分别设于输入端17的两侧，第四电容传感器94与末端执行器7连接，第五电容传感器95连接于第二运动支链2的端部。第一电容传感器91、第二电容传感器92、第三电容传感器93可在实际应用场景中根据需要自行选择使用，第四电容传感器94与第一运动支链1对应是末端执行器7全闭环反馈控制的必要手段，第五电容传感器95与第二运动支链2对应也构成末端执行器7全闭环反馈控制的必要手段。其中，三组第五电容传感器95可组合使用，测量末端执行器7在平面外三个自由度的位移，可对平面外的两个转动自由度进行耦合度监测，也可用于对竖直方向的位移进行多点测量校正；三组第四电容传感器和任意一组第五电容传感器作为标准配置，直接测量和实时反馈末端执行器的四个自由度输出位移；所有电容传感器9的支架通过螺钉和销钉与第一固定基座连接，安装精度、与被测量面的平行度和初始距离使用塞尺等确定；本实施例中的电容传感器9除第五电容传感器95为片状结构外，其他电容传感器均为的柱状结构。本实施例的四自由度柔顺并联机构的静力学、运动学和动力学特性取决于四条运动支链的18组柔顺铰链，可通过对柔顺铰链结构参数的优化设计，可以对机构的多项性能指标进行设计。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多自由度柔顺并联机构，其特征在于，包括第一固定基座、第二固定基座、末端执行器、通过柔顺铰链传递运动的运动支链，所述运动支链包括若干并联连接且位于同一平面的第一运动支链以及垂直于所述平面的第二运动支链，所述第一运动支链设于第一固定基座上，所述第二运动支链垂直连接于第一固定基座的中心；所述第一运动支链的一端与第一固定基座连接，另一端与末端执行器连接；所述第二运动支链的一端与第二固定基座连接，另一端与末端执行器连接；所述末端执行器外接有用于携带不同类型负载的负载连接器，所述第一固定基座上设有用于测量预紧端位移、输入端位移、末端输出位移的电容传感器。

2.根据权利要求1所述的多自由度柔顺并联机构，其特征在于，所述第一固定基座与第二固定基座之间设有连接板及垫板，所述第二固定基座与垫板连接，所述第一固定基座与连接板紧固连接；所述第一固定基座设有若干与第一运动支链匹配的第一滑槽，所述第二固定基座设有与第二运动支链匹配的第二滑槽。

3.根据权利要求1所述的多自由度柔顺并联机构，其特征在于，所述第一运动支链包括压电陶瓷驱动器、输入端以及若干柔顺铰链，所述压电陶瓷驱动器的一端通过顶丝与第一固定基座连接，若干柔顺铰链顺次串联设于输入端和末端执行器之间，所述输入端与压电陶瓷驱动器无间隙连接。

4.根据权利要求3所述的多自由度柔顺并联机构，其特征在于，所述顶丝的正交方向连接有用于顶丝二次加固的预紧件。

5.根据权利要求4所述的多自由度柔顺并联机构，其特征在于，所述顶丝的端面面接触设有滚珠，所述滚珠点接触设有用于测量预紧力的力传感器，所述力传感器与压电陶瓷驱动器之间设有预紧块，所述力传感器连接有控制器。

6.根据权利要求5所述的多自由度柔顺并联机构，其特征在于，所述预紧块的顶部预留有用于安装测量块、反光镜支架的安装孔。

7.根据权利要求3至6任一项所述的多自由度柔顺并联机构，其特征在于，所述柔顺铰链包括串联连接的第一输入端导向柔顺铰链、第一转动式柔顺铰链、输入端柔顺铰链、第二转动式柔顺铰链以及第三转动式柔顺铰链，所述第一转动式柔顺铰链、第二转动式柔顺铰链、第三转动式柔顺铰链呈3-RRR构型。

8.根据权利要求7所述的多自由度柔顺并联机构，其特征在于，所述顶丝、滚珠、力传感器、预紧块、压电陶瓷驱动器、输入端、第一输入端导向柔顺铰链的轴线重合。

9.根据权利要求1所述的多自由度柔顺并联机构，其特征在于，所述第二运动支链包括顺次连接的第二压电陶瓷驱动器、第二输入端以及若干与第一运动支链匹配的第二输入端导向柔顺铰链，所述第二压电陶瓷驱动器通过第二顶丝与第二固定基座连接。

10.根据权利要求9所述的多自由度柔顺并联机构，其特征在于，所述末端执行器连接有若干分别与第三转动式柔顺铰链连接的第一柔顺铰链以及一组与第二输入端导向柔顺铰链连接的第二柔顺铰链。