CN109093598B

CN109093598B - 一种三自由度并联微动平台

Info

Publication number: CN109093598B
Application number: CN201811000643.0A
Authority: CN
Inventors: 张顺琦; 高英山; 陈敏; 孙建男; 于瀛洁; 郑华东; 王驰
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2021-10-12
Anticipated expiration: 2038-08-30
Also published as: CN109093598A

Abstract

本发明涉及一种三自由度并联微动平台，包括静平台、动平台、柔性铰链、薄壁驱动器件；所述动平台通过直角型的柔性铰链与静平台连接在一起，所述薄壁驱动器件直接黏贴在柔性铰链上，实现动平台在平面内的两个方向直线运动及平面内旋转运动。本发明由于连接动静平台的四个柔性铰链是对称分布以及驱动器为薄壁驱动器件，所以微动平台可以单独实现一维、二维和三维的运动。薄壁驱动器件直接黏贴在柔性铰链上，所以微动平台结构紧凑、尺寸较小，还可进行振动抑制。

Description

一种三自由度并联微动平台

技术领域

本发明涉及一种应用于精密定位、超精加工中的微位移机构，具体涉及一种三自由度并联微动平台。

背景技术

随着微纳米技术的发展，微动平台已然成为微操作系统的重要的组成部分，在精密机械工程、生物医学工程等领域需要高频、高精度、小转角的三自由度并联微动平台。

三自由度并联微动平台是一种通过四个柔性铰链与一个动平台来实现各运动方向上的微运动的机构，其中，柔性铰链是利用弹性材料或者通过一定的形状设计来实现工作方向刚度小、非工作方向刚度大的特性。其具有运动平稳、无机械摩擦、不需要润滑等优点，被广泛运用于各种微动机构。相对于串联压电微动平台，并联压电微动平台结构简单紧凑、反应迅速、有效工作面积大，由于采用对称结构设计，所以其运动方向上的结构参数相同，这就使其结构参数较少从而便于控制。但是，现有的并联压电微动平台，如图1所示，其柔性单元为一组圆弧形弹性薄板40，难以加工且数目较多，其驱动器50与动平台10之间通过导向铰链30连接，且结构不完全对称，不能较好的实现解耦，其转动更加难以控制。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种三自由度并联微动平台，其结构紧凑、反应灵敏且可以实现X、Y方向的平动位移和绕Z轴的转动位移。柔性铰链具有在两个移动以及转动的方向上刚度小，其余方向刚度较大的特点，通过结构对称化设计和薄壁驱动器件驱动，进一步降低了平台的机构复杂度，运动耦合低，容易控制且具有对动平台进行主动振动控制功能，实现微动平台小型化与轻量化设计。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三自由度并联微动平台，包括静平台、动平台、柔性铰链、薄壁驱动器件；所述动平台通过直角型的柔性铰链与静平台连接在一起，所述薄壁驱动器件直接黏贴在柔性铰链上，实现动平台在平面内的两个方向直线运动及平面内旋转运动。

进一步地，所述柔性铰链根据不同的应用情况，其直角薄壁结构的两边等长或不等长。

进一步地，所述柔性铰链根据不同的应用情况，其上对称或不对称的安装1~4个薄壁驱动器件。

进一步地，采用对称分布的柔性铰链和薄壁驱动器件，实现动平台关于中心轴线运动和关于中心旋转。

进一步地，所述薄壁驱动器件为具有伸缩特性的材料。如为压电材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金等。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的优点：

由于连接动静平台的四个柔性铰链是对称分布以及驱动器为薄壁驱动器件，所以微动平台可以单独实现一维、二维和三维的运动。薄壁驱动器件直接黏贴在柔性铰链上，所以微动平台结构紧凑、尺寸较小，还可进行振动抑制。

附图说明

图1为现有的三自由度并联微动平台的整体结构俯视图；

图2为本发明三自由度并联微动平台的整体结构俯视图；

图3为本发明实施例一整体结构俯视图；

图4为本发明实施例二整体结构俯视图；

图5为本发明实施例三整体结构俯视图；

图6为本发明实施例四整体结构俯视图；

图7为本发明柔性铰链变形示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步说明。

如图2所示，一种三自由度并联微动平台，包括静平台1、动平台2、柔性铰链3、薄壁驱动器件4；所述动平台2通过直角型的柔性铰链3与静平台1连接在一起，所述薄壁驱动器件4直接黏贴在柔性铰链3上，实现动平台2在平面内的两个方向直线运动及平面内旋转运动。

实施例一

如图3所示，在四个柔性铰链3的Y轴方向分别安装四个薄壁驱动器件4-1、4-4、4-5、4-8，在X轴方向不安装薄壁驱动器件；当上方的两个薄壁驱动器件4-1和4-8产生拉应力（如图7（a）所示，此时上层表示薄壁驱动器件4，下层表示贴有薄壁驱动器件4的柔性铰链3，而下方的两个薄壁驱动器件4-4和4-5产生压应力（如图7（b）所示，此时上层表示贴有薄壁驱动器件4的柔性铰链3，下层表示薄壁驱动器件4），此时动平台2向Y轴负方向运动；当薄壁驱动器件4产生的应力相反，则动平台2向Y轴正方向运动。当薄壁驱动器件4-1和4-5产生拉应力，而薄壁驱动器件4-4和4-8产生压应力，则动平台2在XY平面内顺时针转动；当薄壁驱动器件4-1和4-5产生压应力，而薄壁驱动器件4-4和4-8产生拉应力，则动平台2在XY平面内逆时针转动。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于，如图4所示，在四个柔性铰链3的X轴方向分别安装四个薄壁驱动器件4-2、4-3、4-6、4-7，在Y轴方向不安装薄壁驱动器件；从而使得微动平台实现沿X轴方向的运动与XY平面内的转动。

实施例三

本实施例与实施例一和实施例二基本相同，不同之处在于，如图5所示，在四个柔性铰链3的X轴方向分别安装四个薄壁驱动器件4-2、4-3、4-6、4-7，在Y轴方向分别安装薄壁驱动器件4-1、4-4、4-5、4-8；从而使得微动平台实现沿X轴方向、Y轴方向的运动以及XY平面内的转动。

实施例四

如图6所示，为了增加实施例三的动平台2的移动位移和转动位移，在柔性铰链3内部增加薄壁驱动器件4，即在原来安装八个薄壁驱动器件的基础上再增加八个薄壁驱动器件。当薄壁驱动器件4-1、4-8、4-12、4-13产生拉应力，薄壁驱动器件4-4、4-5、4-9、4-16产生压应力，动平台2向Y轴负方向运动，比实施例一和实施例三中在Y轴方向只有四片薄壁驱动器件驱动时产生的位移更大；同理，当薄壁驱动器件4-2、4-3、4-14、4-15产生拉应力，薄壁驱动器件4-6、4-7、4-10、4-11产生压应力，动平台2向X轴负方向运动，比实施例二和实施例三中在X轴方向只有四片薄壁驱动器件驱动时产生的位移更大；同时，所能产生的转动位移比其他情况所能产生的转动位移更大。

Claims

1.一种三自由度并联微动平台，包括静平台（1）、动平台（2）、柔性铰链（3）、薄壁驱动器件（4）；其特征在于：所述动平台（2）通过直角型的柔性铰链（3）与静平台（1）连接在一起，所述薄壁驱动器件（4）直接黏贴在柔性铰链（3）上；采用对称分布的柔性铰链（3）和薄壁驱动器件（4）；柔性铰链（3）包括4个，在4个柔性铰链（3）的X轴方向分别安装一个薄壁驱动器件（4-2、4-3、4-6、4-7），在Y轴方向分别安装一个薄壁驱动器件（4-1、4-4、4-5、4-8）；从而使得动平台实现沿X轴方向、Y轴方向的运动以及XY平面内的转动。

2.根据权利要求1所述的三自由度并联微动平台，其特征在于：所述薄壁驱动器件（4）为具有伸缩特性的材料。

3.根据权利要求2所述的三自由度并联微动平台，其特征在于：所述薄壁驱动器件（4）为压电材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金。