CN109502542B - 一种基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微纳加工与制造装置的技术领域，更具体地，涉及一种基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台，运动支链包括第一运动支链以及第二运动支链；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；第二运动支链的一端与第一固定基座连接，由第二固定基座提供支点，另一端与末端执行器连接。本发明的末端执行器在竖直方向可由多轴第二运动支链实现单自由度输出，通过纳米级精度的冗余驱动，实现竖直方向上高输出刚度、高作用力、大负载能力、高带宽和高精度，可作为微纳加工与制造等领域的主轴使用。

Description

一种基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台

技术领域

本发明涉及微纳米定位、运动、点位操作、测量与加工/制造装置的技术领域，更具体地，涉及一种基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台。

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，主要是用刚体替换法来设计柔顺机构，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。

多自由度纳米定位平台具有广阔的应用前景，包括微纳米测量、微纳操作、纳米压印、原子力显微镜、纳米数控加工、微纳三维打印等。对于需要大输出刚度、大负载或者高带宽等应用场合，现有多自由度纳米定位平台难以满足。以纳米数控加工装备的刀具伺服装置和微纳三维打印装备的多轴收集板为例，需要纳米定位平台在某一直线位移方向提供大输出刚度、大输出力、高承载力和高带宽等，在其他若干直线位移或角度上具有多自由度，同时保持结构的紧凑，以便于集成到精密测量/加工/制造装备中。这就要求在单位空间中，设计满足特定单自由度性能突出的多自由度纳米自由平台。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台，能够满足微纳加工与制造等领域特定单自由度高刚度、大负载、高带宽、高精确度、高准确度和高稳定性的多自由度纳米定位需求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台，包括第一固定基座、连接板、第二固定基座、末端执行器以及通过柔顺铰链传递力/位移/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若干力/位移/运动的传递方向与所述平面垂直的第二运动支链，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；所述第二运动支链一端贯穿连接板与第一固定基座连接，由第二固定基座提供支点，另一端与末端执行器连接；

所述连接板设于第一固定基座与第二固定基座之间，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，第二固定基座设有若干与第一运动支链匹配的第二滑槽，所述第二滑槽贯穿第一固定基座和连接板设置；

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；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。

本发明的基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台，第一运动支链和第二运动支链并联连接形成多自由度纳米定位平台，采用电容传感器测量各运动支链预紧端位移量、输入端位移量、末端输出位移量，并根据获得的数据通过运动支链控制末端执行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。本发明若干第二运动支链既可实现多自由度输出，也可实现单自由度输出；在单自由度输出时，通过纳米级精度的冗余驱动，实现竖直方向上高输出刚度、高输出力、大负载能力、高带宽和高精度，可以在微纳加工领域作为主轴使用。

进一步地，所述第一运动支链包括第一压电陶瓷驱动器、第一平面内输入端以及若干第一柔顺铰链，所述第一压电陶瓷驱动器的一端通过第一轴向顶丝与第一固定基座连接，若干第一柔顺铰链顺次串联设于第一平面内输入端和末端执行器之间，所述第一平面内输入端与第一压电陶瓷驱动器无间隙连接。电容传感器测量预紧端位移量、输入端位移量、末端输出位移量，并对测得的位移量解算得到输入值，通过第一平面内输入端发送到第一压电陶瓷驱动器中，第一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，实现多自由度的运动，满足多种应用场合的需求。

进一步地，所述第一轴向顶丝的正交方向连接有用于二次加固的第一正交顶丝。第一压电陶瓷驱动器通过第一轴向顶丝进行预紧后，再使用第一正交顶丝对预紧之后的第一轴向顶丝进行二次预紧，增强第一运动支链与第一固定基座、第二运动支链与第一固定基座及第二固定基座之间的连接稳定性。

进一步地，所述第一轴向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，所述力传感器与第一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，同时消除第一轴向顶丝转动产生的扭矩和侧向力，保护第一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量测量精度的影响。

进一步地，所述第一柔顺铰链包括顺次串联连接的第一导向型柔顺铰链、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以及第四转动式柔顺铰链，所述第一转动式柔顺铰链、第三转动式柔顺铰链、第四转动式柔顺铰链呈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，所述第一轴向顶丝、滚珠、力传感器、预紧块、第一压电陶瓷驱动器、第一平面内输入端、第一导向型柔顺铰链、第二转动式柔顺铰链的轴线重合。在安装第一运动支链时，在第一滑槽中放入第一压电陶瓷驱动器后，采用第一轴向顶丝、第一正交顶丝、滚珠、力传感器和预紧块来确保第一压电陶瓷驱动器与第一平面内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、第一平面外输入端以及若干第二柔顺铰链，所述第二压电陶瓷驱动器通过第二轴向顶丝和第二正交顶丝与第一固定基座连接。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。

进一步地，所述第二柔顺铰链包括顺次串联连接的第一平面外转动式柔顺铰链、第二平面外转动式柔顺铰链、第三平面外转动式柔顺铰链、第二平面外输入端、第二平面外导向型柔顺铰链、第三平面外导向型柔顺铰链，所述第三平面外导向型柔顺铰链与末端执行器连接。与第一柔顺铰链不同的是，第二柔顺铰链还包括第二平面外输入端、第二平面外导向型柔顺铰链、第三平面外导向型柔顺铰链，将水平方向的力/位移/运动转换为竖直方向的力/位移/运动，能够很好地改善Z向输出力、承载力以及带宽。

进一步地，所述第一压电陶瓷驱动器在第一固定基座上呈正三角形分布，所述第二压电陶瓷驱动器与所述第一压电陶瓷驱动器垂直交叉设置。这样设置使得整个纳米定位平台结构紧凑，适用面宽，易于集成到精密的装备中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（2）本发明的末端执行器在竖直方向可由多轴第二运动支链实现单自由度输出，通过纳米级精度的冗余驱动，实现竖直方向上高输出刚度、高输出力、大负载能力、高带宽和高精度，可作为微纳加工与制造等领域的主轴使用；

（1）本发明的竖直方向的第二运动支链与水平方向的第一运动支链相互垂直、交叉和贯穿，保持多自由度纳米定位平台的整体结构紧凑，适用面宽，易于集成到精密测量/加工/制造装备中；

（3）本发明使用若干相并联的运动支链，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扫描、测量、加工、制造等应用场合中具有突出优势；

（4）本发明使用多支柔顺铰链构成第一运动支链和第二运动支链，通过对机构静力学、运动学和动力学等性能指标参数进行多维度充分优化，可以得到优异的解耦性、带宽、刚度、工作空间等；

（5）本发明的末端执行器的多自由度通过多组柔顺铰链的组合优化实现解耦；对应位移量均可以直接测量，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；

（6）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为本发明的基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台的正三轴测图。

图2为本发明的第二固定基座的正三轴测图。

图3为本发明的第二固定基座的仰视图。

图4为图1中的驱动器及电容传感器的安装示意图。

图5为图1中的第一运动支链的结构示意图。

图6为图1中的第二运动支链的结构示意图。

图7为图1中的末端执行器及负载连接器的位置示意图。

附图中：1-第一固定基座；2-连接板；3-第二固定基座；4-压电陶瓷驱动器；41-第一压电陶瓷驱动器；42-第二压电陶瓷驱动器；5-电容传感器；51-第一电容传感器；52-第二电容传感器；53-第三电容传感器；54-第四电容传感器；6-第一运动支链；61-第一轴向顶丝；62-第一正交顶丝；63-滚珠；64-力传感器；65-预紧块；66-第一平面内输入端；67-第一平面内导向型柔顺铰链；68-第一平面内转动式柔顺铰链；69-第二平面内转动式柔顺铰链；610-第三平面内转动式柔顺铰链；611-第四平面内转动式柔顺铰链；612-第二平面内导向型柔顺铰链；7-第二运动支链；71-第二轴向顶丝；76-第一平面外输入端；77-第一平面外导向型柔顺铰链；78-第一平面外转动式柔顺铰链；79-第二平面外转动式柔顺铰链；710-第三平面外转动式柔顺铰链；711-第二平面外输入端；712-第二平面外导向型柔顺铰链；713-第三平面外导向型柔顺铰链；8-末端执行器；9-负载连接器。

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。

实施例一

如图1至图7所示为本发明的基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台的第一实施例，包括第一固定基座1、连接板2、第二固定基座3、电容传感器5、通过柔顺铰链传递力/位移/运动的运动支链、末端执行器8以及负载连接器9，运动支链包括若干并联连接且位于平面内的第一运动支链6以及位于平面外的第二运动支链7；第一运动支链6设于第一固定基座1上，第二运动支链7设于第一固定基座1和第二固定基座3上；第一运动支链6的一端与第一固定基座1连接，另一端与末端执行器8连接；第二运动支链7的一端与第一固定基座1连接，由第二固定基座3提供支点，另一端与末端执行器8连接；末端执行器8外接有用于携带不同类型负载的负载连接器9，第一固定基座1上设有用于测量预紧端位移量、输入端位移量、末端输出位移量的电容传感器5。本实施例以三组第一运动支链1和三组第二运动支链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。本实施例三组第二运动支链以单自由度输出，通过纳米级精度的冗余驱动，实现竖直方向上高输出刚度、高输出力、大负载能力、高带宽和高精度。

如图1至图3所示，第一固定基座1与第二固定基座3之间设有连接板2；第一固定基座1设有若干与第一运动支链6匹配的第一滑槽和与第二运动支链7匹配的第二滑槽；连接板2和第二固定基座3设有与第二运动支链7匹配的第二滑槽；第二滑槽贯穿第一固定基座1和连接板2。本实施例的第一固定基座1和连接板2、连接板2和第二固定基座3之间采用螺钉和销钉等紧固在一起，使得第一运动支链6、第二运动支链7相对第一固定基座1、第二固定基座3没有相对位移。其中，第一滑槽与设于第一固定基座上的第二滑槽垂直交叉设置。

如图4至图5所示，第一运动支链1包括第一压电陶瓷驱动器41、第一平面内输入端66以及若干第一柔顺铰链，第一压电陶瓷驱动器41的一端通过第一轴向顶丝61及第一正交顶丝62与第一固定基座1连接，若干第一柔顺铰链顺次串联设于第一平面内输入端66和末端执行器8之间，第一平面内输入端66与第一压电陶瓷驱动器41无间隙连接。第一轴向顶丝61的端面面接触设有滚珠63，滚珠63点接触设有用于测量预紧力的力传感器64，力传感器64与第一压电陶瓷驱动器41之间设有预紧块65，力传感器64连接有控制器；预紧装置中使用滚珠63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，同时消除第一轴向顶丝61转动产生的扭矩和侧向力，保护第一压电陶瓷驱动器41等所能承受扭矩受限的驱动器。第一轴向顶丝61、滚珠63、力传感器64、预紧块65、第一压电陶瓷驱动器41、第一平面内输入端66、第一平面内导向型柔顺铰链67、第二平面内转动式柔顺铰链69的轴线重合，采用第一轴向顶丝61、第一正交顶丝62、滚珠63、力传感器64和预紧块65来确保第一压电陶瓷驱动器41与第一平面内输入端66的无间隙连接。柔顺铰链包括串联连接的第一平面内导向型柔顺铰链67、第一平面内转动式柔顺铰链68、第二平面内转动式柔顺铰链69、第三平面内转动式柔顺铰链610、第四平面内转动式柔顺铰链611和第二平面内导向型柔顺铰链612，第一平面内转动式柔顺铰链68、第三平面内转动式柔顺铰链610、第四平面内转动式柔顺铰链611呈3-RRR构型。

另外，第一轴向顶丝61的正交方向连接有用于二次加固的第一正交顶丝62；预紧块65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，便于第四电容传感器54对该测量块65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，校正或标定第四电容传感器54，也可监测预紧块65转动对第四电容传感器54直线位移量测量精度的影响。本实施例中的力传感器64用以测量预紧力的大小，也可以分别监测第一压电陶瓷驱动器41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65、第一平面内输入端66的位移量来计算第一运动支链6对应的预紧刚度和输入刚度。

如图4至图5所示，本实施例中的电容传感器包括用于测量末端执行器8在平面内三个自由度上位移量的第一电容传感器51、测量末端执行器8在平面外三个自由度上位移量的第二电容传感器52、测量第一运动支链6输入端位移量的第三电容传感器53、测量第一运动支链6预紧端位移量的第四电容传感器54，所有电容传感器5的支架通过螺钉和销钉与第一固定基座1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；除第二电容传感器52为片状结构外，本实施例中的其他电容传感器均为柱状结构；三个第一电容传感器51和任意一个第二电容传感器52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量；三个第二电容传感器52可组合使用，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量进行多点测量校正；第三电容传感器53、第四电容传感器54可在实际应用场景中根据需要自行选择使用。

如图6和图7所示，本实施例的第二运动支链7的结构与第一运动支链6的结构相同：包括顺次连接的第二压电陶瓷驱动器42、第一平面外输入端76以及若干第二柔顺铰链，所述第二压电陶瓷驱动42通过第二轴向顶丝71和第二正交顶丝与第一固定基座1连接，若干第二柔顺铰链顺次串联设于第一平面外输入端76和末端执行器8之间，其中，所述第二柔顺铰链包括顺次串联连接的第一平面外转动式柔顺铰链77、第二平面外转动式柔顺铰链78、第三平面外转动式柔顺铰链79。所不同之处在于，第二运动支链还包括第二平面外输入端711、第二平面外导向型柔顺铰链712、第三平面外导向型柔顺铰链713。本实施例的第一固定基座1设有用于固定第二压电陶瓷驱动器42的连接端，第二压电陶瓷驱动器42内置的应变片传感器获得驱动器名义伸长量，末端执行器8获得该自由度的输出位移量。末端执行器8具有四个自由度，负载连接器9也具有与之相同的自由度。通过对柔顺铰链优化设计，末端执行器8及负载连接器9输出位移可以实现解耦，易于设计多轴联动的控制器。本实施例的多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六条柔性运动支链的柔顺铰链，可通过对柔顺铰链结构参数的优化设计，实现机构多项性能指标的优化设计。

实施例二

本实施例与实施例一类似，所不同之处在于，三组第二运动支链以多自由度输出，可形成五自由度或六自由度的纳米定位平台。

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 (6)

1.一种基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台，其特征在于，包括第一固定基座、连接板、第二固定基座、末端执行器以及通过柔顺铰链传递力/位移/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若干力/位移/运动的传递方向与所述平面垂直的第二运动支链，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；所述第二运动支链一端贯穿连接板与第一固定基座连接，由第二固定基座提供支点，另一端与末端执行器连接；

所述连接板设于第一固定基座与第二固定基座之间，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，第二固定基座设有若干与第二运动支链匹配的第二滑槽，所述第二滑槽贯穿第一固定基座和连接板设置；

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；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；所述第一运动支链包括顺次串联连接的第一压电陶瓷驱动器、第一平面内输入端和若干第一柔顺铰链，所述第一压电陶瓷驱动器的一端通过第一轴向顶丝与第一固定基座连接，若干第一柔顺铰链顺次串联设于第一平面内输入端和末端执行器之间，所述第一平面内输入端与第一压电陶瓷驱动器无间隙连接；

所述第一轴向顶丝的正交方向连接有用于二次加固的第一正交顶丝；

所述第一轴向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，所述力传感器与第一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；

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。

2.根据权利要求1所述的基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台，其特征在于，所述第一柔顺铰链包括顺次串联连接的第一导向型柔顺铰链、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以及第四转动式柔顺铰链，所述第一转动式柔顺铰链、第三转动式柔顺铰链、第四转动式柔顺铰链呈3-RRR构型。

3.根据权利要求2所述的基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台，其特征在于，所述第一轴向顶丝、滚珠、力传感器、预紧块、第一压电陶瓷驱动器、第一平面内输入端、第一导向型柔顺铰链、第二转动式柔顺铰链的轴线重合。

4.根据权利要求2所述的基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台，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、第一平面外输入端以及若干第二柔顺铰链，所述第二压电陶瓷驱动器通过第二轴向顶丝和第二正交顶丝与第一固定基座连接，若干第二柔顺铰链顺次串联设于第一平面外输入端和末端执行器之间。

5.根据权利要求4所述的基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台，其特征在于，所述第二柔顺铰链包括顺次串联连接的第一平面外转动式柔顺铰链、第二平面外转动式柔顺铰链、第三平面外转动式柔顺铰链、第二平面外输入端、第二平面外导向型柔顺铰链、第三平面外导向型柔顺铰链，所述第三平面外导向型柔顺铰链与末端执行器连接。

6.根据权利要求4所述的基于柔顺并联机构的多自由度纳米定位平台，其特征在于，所述第一压电陶瓷驱动器在第一固定基座上呈正三角形分布，所述第二压电陶瓷驱动器与所述第一压电陶瓷驱动器垂直交叉设置。

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