CN109093571B - 一种紧凑型二维纳米伺服平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型二维纳米伺服平台，属于微纳操控技术领域。包括基座；终端平台；X向驱动器和Y向驱动器；X向安装部和Y向安装部；第三X向刚性连接件、第三Y向刚性连接件、第四X向刚性连接件和第四Y向刚性连接件；还包括：X向转换放大机构和Y向转换放大机构，第一X向导向件和第一Y向导向件，第二X向导向件和第二Y向导向件，第一X向解耦件、第一Y向解耦件、第二X向解耦件和第二Y向解耦件。本发明设有转换放大机构，能够将驱动器位移进行转化放大，实现了终端平台的大行程运动，并且本发明的平台还具有结构紧凑，体积小，运动精度高，稳定性好等优点。

Description

一种紧凑型二维纳米伺服平台

技术领域

本发明属于微纳操控技术领域，具体涉及一种紧凑型二维纳米伺服平台。

背景技术

目前，伺服运动平台已经成为微纳操控领域中的一个研究热点。伺服运动平台分为串联型和并联型两类，其发展方向为大行程和高精度。串联型运动平台运动过程中存在滑动摩擦因素，因此控制精度较低。并联型运动平台利用柔性机构的变形产生轴向位移，能够实现很高的控制精度，具有很大的发展潜力。

并联型运动平台的驱动方式一般选择音圈电机或者压电陶瓷（PZT）。音圈电机行程大，但驱动力比较小。PZT驱动力很大，但相对行程较小（< 100μm）。随着加工技术的成熟，增材制造技术的应用使得运动平台设计更加开放和多样，基于3D打印技术的多层设计可以使得运动平台结构更加紧凑，同时兼具大行程。然而由于树脂材料自身特性的限制，平台轴向刚度比较低，结构对称性差，很难实现高精度运动。兼具大行程和纳米级控制精度的运动平台结构设计一直是微纳操控领域的难点。

发明内容

本发明针对现有技术存在的技术不足，提供了一种压电陶瓷驱动的紧凑型二维纳米伺服平台的技术方案，避免了刚度低、结构对称性差、行程小、控制精度低的问题，兼具大行程和控制精度高的特点。

一种紧凑型二维纳米伺服平台，包括基座；终端平台；X向驱动器和Y向驱动器；X向安装部和Y向安装部，所述X向驱动器与X向安装部紧密连接，所述Y向驱动器与Y向安装部紧密连接；第三X向刚性连接件、第三Y向刚性连接件、第四X向刚性连接件和第四Y向刚性连接件；还包括：

X向放大机构和Y向放大机构，所述X向放大机构与Y向安装部和第三Y向刚性连接件连接，所述Y向放大机构与X向安装部和第三X向刚性连接件连接；

第一X向导向件和第一Y向导向件，所述第一X向导向件一端连接终端平台，另一端连接第三Y向刚性连接件，所述第一Y向导向件一端连接终端平台，另一端连接第三X向刚性连接件；

第二X向导向件和第二Y向导向件，所述第二X向导向件一端连接终端平台，另一端连接第四Y向刚性连接件，所述第二Y向导向件一端连接终端平台，另一端连接第四X向刚性连接件；

第一X向解耦件、第一Y向解耦件、第二X向解耦件和第二Y向解耦件；所述第一X向解耦件一端连接基座，另一端连接第三X向刚性连接件，所述第一Y向解耦件一端连接基座，另一端连接第三Y向刚性连接件；所述第二X向解耦件一端连接基座，另一端连接第四X向刚性连接件，所述第二Y向解耦件一端连接基座，另一端连接第四Y向刚性连接件。

进一步的，所述的X向放大机构包括第一X向放大机构和第二X向放大机构，所述的Y向放大机构包括第一Y向放大机构和第二Y向放大机构；所述第一X向放大机构一端与Y向安装部连接，另一端与所述基座连接；所述第一Y向放大机构一端与X向安装部连接，另一端与所述基座连接；

所述第二X向放大机构通过柔性铰链与第一X向放大机构连接；所述第二Y向放大机构通过柔性铰链与第一Y向放大机构连接；所述第二X向放大机构沿Y向延伸且一端通过柔性铰链与基座相连，另一端通过柔性铰链与第三Y向刚性连接件连接；所述第二Y向放大机构沿X向延伸且一端通过柔性铰链与基座相连，另一端通过柔性铰链与第三X向刚性连接件；

进一步的，所述的第一X向放大机构包括Y向柔性桥臂机构和第二Y向刚性连接件，Y向柔性桥臂机构一端与Y向安装部连接，另一端与所述基座连接，中间嵌入所述第二Y向刚性连接件, 第二Y向刚性连接件与第二X向放大机构通过柔性铰链连接；所述的第一Y向放大机构包括X向柔性桥臂机构和第二X向刚性连接件，所述的X向柔性桥臂机构一端与X向安装部连接，另一端与所述基座连接，中间嵌入所述第二X向刚性连接件，第二X向刚性连接件与第二Y向放大机构通过柔性铰链连接。

进一步的，所述的第二X向放大机构包括Y向放大杆，Y向放大杆沿Y向延伸且一端通过柔性铰链与基座相连，另一端通过柔性铰链与第三Y向刚性连接件连接；所述第二Y向放大机构包括X向放大杆，X向放大杆沿X向延伸且一端通过柔性铰链与基座相连，另一端通过柔性铰链与第三X向刚性连接件连接。

进一步的，所述的紧凑型二维纳米伺服平台还包括第一X向驱动器平衡件、第一Y向驱动器平衡件、第二X向驱动器平衡件和第二Y向驱动器平衡件，所述的第一X向驱动器平衡件一端与基座连接，另一端与X向安装部连接，中间嵌入第一X向刚性连接件；所述的第一Y向驱动器平衡件一端与基座连接，另一端与Y向安装部连接，中间嵌入第一Y向刚性连接件；所述的第二X向驱动器平衡件一端与基座连接，另一端与X向安装部连接；所述的第二Y向驱动器平衡件一端与基座连接，另一端与Y向安装部连接。

进一步的，所述的第一Y向导向件、第二Y向导向件、第一X向解耦件、第二X向解耦件均为板簧结构，第一X向解耦件分布于第三X向刚性连接件两侧，；第二X向解耦件分布于第四X向刚性连接件两侧；所述第一X向导向件、第二X向导向件、第一Y向解耦件、第二Y向解耦件均为一组板簧结构，第一Y向解耦件分布于第三Y向刚性连接件两侧；第二Y向解耦件分布于第四Y向刚性连接件两侧。

进一步的，所述的第一X向解耦件分布于第三X向刚性连接件两侧的解耦件厚度不同；第二X向解耦件分布于第四X向刚性连接件两侧的解耦件厚度不同；第一Y向解耦件分布于第三Y向刚性连接件两侧的解耦件厚度不同；第二Y向解耦件分布于第四Y向刚性连接件两侧的解耦件厚度不同，以抑制终端平台偏转。

进一步的，所述的柔性铰链可以为正圆、椭圆、直角和三角等类型。

进一步的，所述的紧凑型二维纳米伺服平台利用慢走丝线切割方式一体成型。

进一步的，所述的X向驱动器和Y向驱动器为压电陶瓷驱动器。

本发明设有转换放大机构，能够将驱动器位移进行转化放大，实现了终端平台的大行程运动，并且本发明的平台还具有结构紧凑，体积小，运动精度高，稳定性好等优点。

附图说明

图1为本发明的俯视示意图；

图2为本发明的第一立体结构示意图；

图3为本发明的第二立体结构示意图；

图4为本发明的柔性桥臂机构放大图；

其中：10-基座；101-终端平台；1021-X向驱动器；1022-Y向驱动器；1031-X向柔性桥臂机构；1032-Y向柔性桥臂机构；1041-第一X向驱动器平衡件；1042-第一Y向驱动器平衡件；1043-第二X向驱动器平衡件；1044-第二Y向驱动器平衡件；1051-X向放大杆；1052-Y向放大杆；1061-第一X向刚性连接件；1062-第一Y向刚性连接件；1063-第二X向刚性连接件；1064-第二Y向刚性连接件；1065-第三X向刚性连接件；1066-第三Y向刚性连接件；1067-第四X向刚性连接件；1068-第四Y向刚性连接件；1071-X向安装部；1072-Y向安装部；1081-第一X向柔性铰链；1082-第一Y向柔性铰链；1083-第二X向柔性铰链； 1084-第二Y向柔性铰链；1091-第一Y向导向件；1092-第一X向导向件；1093-第二Y向导向件； 1094-第二X向导向件；10101-第一X向解耦件；10102-第一Y向解耦件；10103-第二X向解耦件； 10104-第二Y向解耦件。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步描述。

一种紧凑型二维纳米伺服平台利用慢走丝线切割方式一体成型，如图1至图4所示，包括：基座10；终端平台101；X向安装部1071和Y向安装部1072；X向驱动器1021和Y向驱动器1022；X向柔性桥臂机构1031和Y向柔性桥臂机构1032；X向放大杆1051和Y向放大杆1052；第一X向驱动器平衡件1041、第二X向驱动器平衡件1043、第一Y向驱动器平衡件1042、第二Y向驱动器平衡件1044；第一X向刚性连接件1061、第二X向刚性连接件1063、第三X向刚性连接件1065、第四X向刚性连接件1067和第一Y向刚性连接件1062、第二Y向刚性连接件1064、第三Y向刚性连接件1066、第四Y向刚性连接件1068；第一X向柔性铰链1081、第二X向柔性铰链1083和第一Y向柔性铰链1082、第二Y向柔性铰链1084；第一Y向导向件1091、第二Y向导向件1093和第一X向导向件1092、第二X向导向件1094；第一X向解耦件10101、第二X向解耦件10103和第一Y向解耦件10102、第二Y向解耦件10104。

Y向柔性桥臂机构1032和第二Y向刚性连接件1064构成第一X向放大机构， X向柔性桥臂机构1031和第二X向刚性连接件1063构成第一Y向放大机构。Y向放大杆1052构成第二X向放大机构，Y向放大杆是指沿Y向的放大杆，放大X向位移，X向放大杆1051构成第二Y向放大机构，X向放大杆是指沿X向的放大杆，放大Y向位移。第一X向放大机构和第二X向放大机构构成X向放大机构，第一Y向放大机构和第二Y向放大机构构成Y向放大机构。

X向驱动器1021与X向安装部1071紧密连接， Y向驱动器1022与Y向安装部1072紧密连接，X向驱动器1021和Y向驱动器1022为压电陶瓷驱动器。X向柔性桥臂机构1031一端与X向安装部1071连接，另一端与基座10连接，中间嵌入第二X向刚性连接件1063； Y向柔性桥臂机构1032一端与Y向安装部1072连接，另一端与所述基座10连接，中间嵌入所述第二Y向刚性连接件1064。

第一X向驱动器平衡件1041一端与基座10连接，另一端与X向安装部1071连接，中间嵌入第一X向刚性连接件1061；第一Y向驱动器平衡件1042一端与基座10连接，另一端与Y向安装部1072连接，中间嵌入第一Y向刚性连接件1062；第二X向驱动器平衡件1043一端与基座10连接，另一端与X向安装部1071连接；第二Y向驱动器平衡件1044一端与基座10连接，另一端与Y向安装部1072连接。

第一X向柔性铰链1081一端连接第二X向刚性连接件1063，另一端连接X向放大杆1051，第一Y向柔性铰链1082一端连接第二Y向刚性连接件1064，另一端连接Y向放大杆1052； X向放大杆1051沿X向延伸且一端通过柔性铰链与基座10相连， Y向放大杆1052沿Y向延伸且一端通过柔性铰链与基座10相连。

第二X向柔性铰链1083一端连接X向放大杆1051，另一端连接第三X向刚性连接件1065；第二Y向柔性铰链1084一端连接Y向放大杆1052，另一端连接第三Y向刚性连接件1066。

第一Y向导向件1091一端连接终端平台101，另一端连接第三X向刚性连接件1065；第一X向导向件1092一端连接终端平台101，另一端连接第三Y向刚性连接件1066；第二Y向导向件1093一端连接终端平台101，另一端连接第四X向刚性连接件1067；第二X向导向件1094一端连接终端平台101，另一端连接第四Y向刚性连接件1068。

第一X向解耦件10101一端连接基座10，另一端连接第三X向刚性连接件1065；第一Y向解耦件10102一端连接基座10，另一端连接第三Y向刚性连接件1066；第二X向解耦件10103一端连接基座10，另一端连接第四X向刚性连接件1067；第二Y向解耦件10104一端连接基座10，另一端连接第四Y向刚性连接件1068。

第一X向柔性铰链1081、第二X向柔性铰链1083可以为正圆、椭圆、直角和三角等类型；所述第一Y向柔性铰链1082、第二Y向柔性铰链1084可以为正圆、椭圆、直角和三角等类型；

第一Y向导向件1091、第二Y向导向件1093、第一X向解耦件10101、第二X向解耦件10103均为板簧结构，第一X向解耦件10101分布于第三X向刚性连接件1065两侧，且两侧解耦件厚度不同；第二X向解耦件10103分布于第四X向刚性连接件1067两侧，且两侧解耦件厚度不同；所述第一X向导向件1092、第二X向导向件1094、第一Y向解耦件10102、第二Y向解耦件10104均为板簧结构，第一Y向解耦件10102分布于第三Y向刚性连接件1066两侧，且两侧解耦件厚度不同；第二Y向解耦件10104分布于第四Y向刚性连接件1068两侧，两侧解耦件厚度不同；第一X向解耦件10101、第二X向解耦件10103、第一Y向解耦件10102、第二Y向解耦件10104设置为两侧厚度不对称，目的是抑制终端平台偏转。X向驱动器1021与X向安装部1071连接，X向驱动器1021产生X向微小位移，并带动X向安装部1071产生同样大小的位移，通过一组X向柔性桥臂机构1031将X向位移转换并放大成Y向位移，体现在第二X向刚性连接件1063上，第一级放大的位移再通过X向放大杆1051进行第二级放大，放大后的位移体现在终端平台101上。

Y向驱动器1022与Y向安装部1072连接，Y向驱动器1022产生Y向微小位移，并带动Y向安装部1072产生同样大小的位移，通过一组Y向柔性桥臂机构1032将Y向位移转换并放大成X向位移，体现在第二Y向刚性连接件1064上，第一级放大的位移再通过Y向放大杆1052进行第二级放大，放大后的位移体现在终端平台101上。

X向柔性桥臂机构1031和Y向柔性桥臂机构1032实现了第一级放大，所述X向放大杆1051和Y向放大杆1052实现了第二级放大。

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。

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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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 (8)

1.一种紧凑型二维纳米伺服平台，包括基座（10）；终端平台（101）；X向驱动器（1021）和Y向驱动器（1022）；X向安装部（1071）和Y向安装部（1072），所述X向驱动器（1021）与X向安装部（1071）紧密连接，所述Y向驱动器（1022）与Y向安装部（1072）紧密连接；第三X向刚性连接件（1065）、第三Y向刚性连接件（1066）、第四X向刚性连接件（1067）和第四Y向刚性连接件（1068）；其特征在于还包括：

X向放大机构和Y向放大机构，所述X向放大机构与Y向安装部（1072）和第三Y向刚性连接件（1066）连接，所述Y向放大机构与X向安装部（1071）和第三X向刚性连接件（1065）连接；

第一X向导向件（1092）和第一Y向导向件（1091），所述第一X向导向件（1092）一端连接终端平台（101），另一端连接第三Y向刚性连接件（1066），所述第一Y向导向件（1091）一端连接终端平台（101），另一端连接第三X向刚性连接件（1065）；

第二X向导向件（1094）和第二Y向导向件（1093），所述第二X向导向件（1094）一端连接终端平台（101），另一端连接第四Y向刚性连接件（1068），所述第二Y向导向件（1093）一端连接终端平台（101），另一端连接第四X向刚性连接件（1067）；

第一X向解耦件（10101）、第一Y向解耦件（10102）、第二X向解耦件（10103）和第二Y向解耦件（10104）；所述第一X向解耦件（10101）一端连接基座（10），另一端连接第三X向刚性连接件（1065），所述第一Y向解耦件（10102）一端连接基座（10），另一端连接第三Y向刚性连接件（1066）；所述第二X向解耦件（10103）一端连接基座（10），另一端连接第四X向刚性连接件（1067），所述第二Y向解耦件（10104）一端连接基座（10），另一端连接第四Y向刚性连接件（1068）；

所述的X向放大机构包括第一X向放大机构和第二X向放大机构，所述的Y向放大机构包括第一Y向放大机构和第二Y向放大机构；

所述第一X向放大机构一端与Y向安装部（1072）连接，另一端与所述基座（10）连接；所述第一Y向放大机构一端与X向安装部（1071）连接，另一端与所述基座（10）连接；

所述第二X向放大机构通过柔性铰链与第一X向放大机构连接；所述第二Y向放大机构通过柔性铰链与第一Y向放大机构连接；所述第二X向放大机构沿Y向延伸且一端通过柔性铰链与基座（10）相连，另一端通过柔性铰链与第三Y向刚性连接件（1066）连接；所述第二Y向放大机构沿X向延伸且一端通过柔性铰链与基座（10）相连，另一端通过柔性铰链与第三X向刚性连接件（1065）；

所述的第一Y向放大机构包括X向柔性桥臂机构（1031）和第二X向刚性连接件（1063），X向柔性桥臂机构（1031）一端与X向安装部（1071）连接，另一端与所述基座（10）连接，中间嵌入所述第二X向刚性连接件（1063）, 第二X向刚性连接件（1063）与第二Y向放大机构通过柔性铰链连接；所述的第一X向放大机构包括Y向柔性桥臂机构（1032）和第二Y向刚性连接件（1064），所述的Y向柔性桥臂机构（1032）一端与Y向安装部（1072）连接，另一端与所述基座（10）连接，中间嵌入所述第二Y向刚性连接件（1064），第二Y向刚性连接件（1064）与第二X向放大机构通过柔性铰链连接。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型二维纳米伺服平台，其特征在于所述的第二Y向放大机构包括X向放大杆（1051），X向放大杆（1051）沿X向延伸且一端通过柔性铰链与基座（10）相连，另一端通过柔性铰链与第三X向刚性连接件（1065）连接；所述第二X向放大机构包括Y向放大杆（1052），Y向放大杆（1052）沿Y向延伸且一端通过柔性铰链与基座（10）相连，另一端通过柔性铰链与第三Y向刚性连接件（1066）连接。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型二维纳米伺服平台，其特征在于所述的紧凑型二维纳米伺服平台还包括第一X向驱动器平衡件（1041）、第一Y向驱动器平衡件（1042）、第二X向驱动器平衡件（1043）和第二Y向驱动器平衡件（1044），所述的第一X向驱动器平衡件（1041）一端与基座（10）连接，另一端与X向安装部（1071）连接，中间嵌入第一X向刚性连接件（1061）；所述的第一Y向驱动器平衡件（1042）一端与基座（10）连接，另一端与Y向安装部（1072）连接，中间嵌入第一Y向刚性连接件（1062）；所述的第二X向驱动器平衡件（1043）一端与基座（10）连接，另一端与X向安装部（1071）连接；所述的第二Y向驱动器平衡件（1044）一端与基座（10）连接，另一端与Y向安装部（1072）连接。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型二维纳米伺服平台，其特征在于，所述的第一Y向导向件（1091）、第二Y向导向件（1093）、第一X向解耦件（10101）、第二X向解耦件（10103）均为一组板簧结构，第一X向解耦件（10101）分布于第三X向刚性连接件（1065）两侧；第二X向解耦件（10103）分布于第四X向刚性连接件（1067）两侧；所述第一X向导向件（1092）、第二X向导向件（1094）、第一Y向解耦件（10102）、第二Y向解耦件（10104）均为一组板簧结构，第一Y向解耦件（10102）分布于第三Y向刚性连接件（1066）两侧；第二Y向解耦件（10104）分布于第四Y向刚性连接件（1068）两侧。

5.根据权利要求1所述的一种紧凑型二维纳米伺服平台，其特征在于所述的第一X向解耦件（10101）分布于第三X向刚性连接件（1065）两侧的解耦件厚度不同；第二X向解耦件（10103）分布于第四X向刚性连接件（1067）两侧的解耦件厚度不同；第一Y向解耦件（10102）分布于第三Y向刚性连接件（1066）两侧的解耦件厚度不同；第二Y向解耦件（10104）分布于第四Y向刚性连接件（1068）两侧的解耦件厚度不同，以抑制终端平台偏转。

6.根据权利要求1所述的一种紧凑型二维纳米伺服平台，其特征在于，所述的柔性铰链为正圆、椭圆、直角和三角类型。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种紧凑型二维纳米伺服平台，其特征在于所述紧凑型二维纳米伺服平台是利用慢走丝线切割方式一体成型。

8.根据权利要求1所述的一种紧凑型二维纳米伺服平台，其特征在于所述的X向驱动器（1021）和Y向驱动器（1022）为压电陶瓷驱动器。

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