CN109687757B - 六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台，包括底座、动台面、第二平台和第一平台；第一导向单元、第二导向单元、第三导向单元、第四导向单元、第五导向单元和第六导向单元分别顺次连接第二平台和第一平台；第一导向单元内设有第一驱动单元，第二导向单元内设有第二驱动单元，第三导向单元内设有第三驱动单元；底座设有呈矩形顺次排布且垂直伸缩作用于第二平台的第四驱动单元、第五驱动单元、第六驱动单元和第七驱动单元，第五驱动单元设于第二驱动单元的下方，第六驱动单元设于第三驱动单元的下方。本发明的优点是结构简单紧凑、工作台面大、位移行程大、无位移耦合、固有频率高、易于集成位移传感器。

Description

六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台

技术领域

本发明属于纳米定位技术领域，涉及纳米定位系统中的微位移机构，特别涉及一种六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台。

背景技术

压电微动平台是一种通过压电执行器驱动可产生弹性变形的柔性机构来传递位移与力的微位移机构。由于它没有铰链和轴承，所以不需要装配，不存在传动间隙，不产生摩擦与磨损；由于采用压电执行器驱动，故其位移分辨率可达到纳米级，响应时间可达到毫秒级，且刚度大、体积小、承载能力强。因此，它被广泛应用于精密加工与测试、光纤对接、微零件装配、细胞微操作等需要微/纳米定位的技术领域中。如，在精密及超精密加工中，可实现刀具的微进给或加工误差的补偿；在精密测量中，可实现传感器的微调节；在扫描探针显微镜中，同微扫描探针相结合，可实现对微结构形貌的测量；在光纤对接中，可实现直径为几微米至十几微米的两光纤的精密对准；在MEMS（微机电系统）装配中，同微夹钳相结合，可将微轴、微齿轮装配成微部件；在生物工程中，同微冲击探针相结合，可向细胞注入或从细胞中提取相应成分。

现有六自由度（沿x、y、z向移动以及绕x、y、z轴旋转）压电微动平台大都基于Stewart 并联平台结构，通过六个实现驱动功能的连杆将动平台和定平台相连接来实现。这种实现方式平台刚度高，响应快，但也存在以下不足：由于连杆较长，使动平台远离定平台，进而使平台结构庞大、不紧凑；由于未采用位移放大机构，平台位移行程小；沿一个方向移动时会产生沿另两个方向的耦合移动，而绕一个轴旋转时会产生绕另两个轴的耦合转角，从而使动平台的运动学求解及运动控制极其复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供一种结构简单紧凑、工作台面大、位移行程大、无位移耦合、固有频率高、易于集成位移传感器的六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台，包括底座和间隙设于底座上方的用作实验台的动台面，动台面与底座之间间隙设有第二平台，第二平台的中央间隙设有螺固于动台面的第一平台；第一平台包括沿自身逆时针方向顺次垂直设置的第一边缘、第二边缘、第三边缘和第四边缘；第二平台与第一边缘之间连有能弹性形变的第一导向单元；第二平台与第二边缘之间分别连有能弹性形变的第二导向单元和第三导向单元；第二平台与第三边缘之间连有能弹性形变的第四导向单元；第二平台与第四边缘之间分别连有能弹性形变的第五导向单元和第六导向单元；第一导向单元内设有能向第一平台方向伸缩的第一驱动单元，第二导向单元内设有能向第一平台方向伸缩的第二驱动单元，第三导向单元内设有能向第一平台方向伸缩的第三驱动单元；

底座设有垂直伸缩作用于第二平台的第四驱动单元、第五驱动单元、第六驱动单元和第七驱动单元。第四驱动单元、第五驱动单元、第六驱动单元和第七驱动单元呈矩形顺次排布，设于第二平台的四角下方，同第二平台螺固连接，且第五驱动单元设于第二驱动单元的下方，第六驱动单元设于第三驱动单元的下方。设垂直于动台面为z轴，第五驱动单元到第六驱动单元为x轴，第五驱动单元到第四驱动单元为y轴

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

上述的第二平台设有水平朝向第三边缘的第一传感器组件，水平朝向第四边缘的第二传感器组件和第三传感器组件；

第四驱动单元和第五驱动单元之间设有垂直朝向第二平台的第四传感器组件；第五驱动单元和第六驱动单元之间设有垂直朝向第二平台的第五传感器组件；第六驱动单元和第七驱动单元之间设有垂直朝向第二平台的第六传感器组件。

上述的第一导向单元、第二导向单元、第三导向单元、第四导向单元、第五导向单元和第六导向单元这六个导向单元的结构相同，包括连于第一平台的第五刚性部，呈半框状罩设在第五刚性部外侧的框体，连于框体末端和第五刚性部之间的第一柔性薄板，设于框体上的第一凸部，连于第一凸部且垂直于第一柔性薄板的第二柔性薄板，设于第二平台且连于第二柔性薄板另一端的第二凸部，第二凸部位于第一凸部和第一平台之间；

第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元的结构相同，包括第一桥式放大机构，以及设于第一桥式放大机构内的第一压电执行器，所述的第一压电执行器平行于所述的第一柔性薄板；所述的第一桥式放大机构包括分设于第一压电执行器两端的第一刚性部和第三刚性部，间隙设于第一压电执行器两侧的第二刚性部和第四刚性部；第一刚性部、第二刚性部、第三刚性部和第四刚性部之间相邻连有第三柔性薄板；第三柔性薄板的一端与第一压电执行器中段之间的距离小于第三柔性薄板的另一端与第一压电执行器端部之间的距离；

第二刚性部螺固于框体，第四刚性部螺固于第五刚性部；

第四驱动单元、第五驱动单元、第六驱动单元和第七驱动单元的结构相同，包括第二压电执行器，以及分别呈环状的第二桥式放大机构和第三桥式放大机构，第二桥式放大机构平行于底座，第二压电执行器的两端顶设于第二桥式放大机构内，第三桥式放大机构套设于第二桥式放大机构的外围，且第三桥式放大机构所在的平面垂直于第二压电执行器的伸缩方向，第三桥式放大机构螺固于第二平台和底座。

上述的第二桥式放大机构包括顶设于第二压电执行器两端的第六刚性部和第七刚性部，以及间隙分设于第二压电执行器两侧的第八刚性部和第九刚性部，使第六刚性部、第八刚性部、第七刚性部和第九刚性部两两连接的第五柔性薄板；第三桥式放大机构包括螺固于第八刚性部的第十刚性部，螺固于第九刚性部的第十一刚性部，螺固于第二平台的第十二刚性部，螺固于底座的第十三刚性部；使第十刚性部、第十二刚性部、第十一刚性部和第十三刚性部两两连接的第七柔性薄板，第二桥式放大机构和第三桥式放大机构分别呈菱形。第一桥式放大机构能将第一压电执行器的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大第一平台的位移行程。第二桥式放大机构和第三桥式放大机构能将第二压电执行器的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大第二平台2的位移行程。

在上层平台中，第一桥式放大机构中一对平行设置的第三柔性薄板、第四柔性薄板同第二刚性部、第一刚性部构成单平行四连杆机构，而位于第二刚性部另一侧的一对平行设置的第三柔性薄板、第四柔性薄板同第二刚性部、第三刚性部也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性部两侧的第三柔性薄板、第四柔性薄板同第四刚性部、第一刚性部、第三刚性部也构成双平行四连杆机构，在第一压电执行器受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使驱动单元通过第四刚性部输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

上述的第一传感器组件、第二传感器组件和第三传感器组件的结构相同，包括螺固于框体的基座以及螺固于基座上的传感器探头 其传感器探头正对第五刚性部。

第四传感器组件、第五传感器组件和第六传感器组件的结构相同，包括螺固于底座的基座以及螺固于基座上的传感器探头 其传感器探头正对第二平台。

上述的基座包括与底座或框体相固定的第一板体，平行于第一板体且固连于传感器探头的第二板体，第一板体和第二板体之间连有一对柔性折叠梁，第一板体的中央设有第一螺纹孔，第一螺纹孔内旋设有末端顶于第二板体的第一螺钉。

上述的第二平台设置有间隙容纳第一平台的第一容纳槽，位于第一容纳槽的边缘用于容纳第一导向单元、第二导向单元、第三导向单元、第四导向单元、第五导向单元和第六导向单元的第二容纳槽，框体和第二柔性薄板间隙设于第二容纳槽内。

上述的第一平台高出第二平台、第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元的上表面；第一桥式放大机构还包括顺次连接第一刚性部、第二刚性部、第三刚性部和第四刚性部的第四柔性薄板，第四柔性薄板间隙设于第三柔性薄板与第一压电执行器之间；

第二桥式放大机构还包括顺次连接使第六刚性部、第八刚性部、第七刚性部和第九刚性部相邻连接的第六柔性薄板，第六柔性薄板间隙设于第二压电执行器和第五柔性薄板之间。在下层平台中，第二桥式放大机构中一对平行设置的第五柔性薄板、第六柔性薄板同第八刚性部、第六刚性部构成单平行四连杆机构，而位于第八刚性部另一侧的一对平行设置的第五柔性薄板、第六柔性薄板同第八刚性部、第七刚性部也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第九刚性部两侧的第五柔性薄板、第六柔性薄板同第九刚性部、第六刚性部、第七刚性部也构成双平行四连杆机构，在第二压电执行器受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使第八刚性部和第九刚性部沿该两刚性部上第三螺纹孔的轴线输出严格的平动位移，从而使第十二刚性部沿z轴输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

在下层平台中，第三桥式放大机构中的第七柔性薄板使第十二刚性部既能绕x轴旋转，又能绕y轴旋转，并且使第十二刚性部在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角，进而使第二平台在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角。

上述的底座的外围设有围挡，中央设有贯通底座的管状体，围挡间隙设于第二平台的下方，管状体间隙设于第一平台的下方，动台面设有与管状体轮廓相适配的第一中空孔，第一平台设有与管状体轮廓相适配的第二中空孔。

上述的所述的第一平台、第二平台、第一导向单元、第二导向单元、第三导向单元、第四导向单元、第五导向单元和第六导向单元为一体成型结构，即第一平台、第二平台和柔性导向件为一体切割成型；底座、第一桥式放大机构、第二桥式放大机构、第三桥式放大机构、基座分别为一体成型结构。

第二桥式放大机构第三桥式放大机构第二桥式放大机构第二桥式放大机构第三桥式放大机构第二桥式放大机构第三桥式放大机构第三桥式放大机构第二桥式放大机构第三桥式放大机构第二桥式放大机构第三桥式放大机构第二桥式放大机构与现有技术相比，本发明的六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台，包括底座和间隙设于底座上方的用作实验台的动台面，动台面与底座之间间隙设有第二平台，第二平台的中央间隙设有螺固于动台面的第一平台；第一平台包括沿自身逆时针方向顺次垂直设置的第一边缘、第二边缘、第三边缘和第四边缘；第二平台与第一边缘之间连有能弹性形变的第一导向单元；第二平台与第二边缘之间分别连有能弹性形变的第二导向单元和第三导向单元；第二平台与第三边缘之间连有能弹性形变的第四导向单元；第二平台与第四边缘之间分别连有能弹性形变的第五导向单元和第六导向单元；第一导向单元内设有能向第一平台方向伸缩的第一驱动单元，第二导向单元内设有能向第一平台方向伸缩的第二驱动单元，第三导向单元内设有能向第一平台方向伸缩的第三驱动单元；底座设有垂直伸缩作用于第二平台的第四驱动单元、第五驱动单元、第六驱动单元和第七驱动单元。第四驱动单元、第五驱动单元、第六驱动单元和第七驱动单元呈矩形顺次排布，设于第二平台的四角下方，同第二平台螺固连接，且第五驱动单元设于第二驱动单元的下方，第六驱动单元设于第三驱动单元的下方。与现有六自由度压电微动平台相比，本发明的优点是：

1) 整个微动平台由上下两层串联构成，而每层又为并联结构，其中上层平台由第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元驱动一个动平台即第一平台来实现动台面沿x、y向的平动及绕z轴的转动，下层平台由第四驱动单元、第五驱动单元、第六驱动单元、第七驱动单元驱动另一个动平台即第二平台来实现动台面沿z向的平动及绕x、y轴的转动，驱动单元的输出方向垂直于压电执行器的轴线，这就使得上层平台中压电执行器的轴线平行于第一平台与第二平台的边缘，驱动单元能同第一平台与第二平台紧密结合，同时使得下层平台中压电执行器的轴线平行于第二平台与底座的底面，动台面靠近底座底面，这些都使得微动平台整体结构简单紧凑、工作台面大。

3) 驱动单元中的桥式放大机构能将压电执行器的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大动台面的位移行程。

3) 在上层平台中，每个导向单元中的一对第二柔性薄板、框体同第二平台构成单平行四连杆机构，进而相对的两个导向单元通过各自的一对第二柔性薄板、框体同第二平台构成双平行四连杆机构，在给第一驱动单元施加电压以及在给第二驱动单元和第三驱动单元同时施加相同的电压时，动台体和动台面沿x向和y向输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

4) 在上层平台中，第一桥式放大机构中一对平行设置的第三柔性薄板、第四柔性薄板同第二刚性部、第一刚性部构成单平行四连杆机构，而位于第二刚性部另一侧的一对平行设置的第三柔性薄板、第四柔性薄板同第二刚性部、第三刚性部也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性部两侧的第三柔性薄板、第四柔性薄板同第四刚性部、第一刚性部、第三刚性部也构成双平行四连杆机构，在第一压电执行器受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使驱动单元通过第四刚性部输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

5) 在下层平台中，第二桥式放大机构中一对平行设置的第五柔性薄板、第六柔性薄板同第八刚性部、第六刚性部构成单平行四连杆机构，而位于第八刚性部另一侧的一对平行设置的第五柔性薄板、第六柔性薄板同第八刚性部、第七刚性部也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第九刚性部两侧的第五柔性薄板、第六柔性薄板同第九刚性部、第六刚性部、第七刚性部也构成双平行四连杆机构，在第二压电执行器受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使第八刚性部和第九刚性部沿该两刚性部上第三螺纹孔的轴线输出严格的平动位移，从而使第十二刚性部也沿z向输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

6) 在下层平台中，第三桥式放大机构中的第七柔性薄板使第十二刚性部既能绕x轴旋转，又能绕y轴旋转，并且使第十二刚性部在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角，进而使第二平台在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角。

7) 上层平台在实现动台面沿x、y向平动及绕z轴转动时运动无耦合，下层平台在实现动台面沿z向平动及绕x、y轴转动时运动也无耦合，从而使动台面的运动学求解及运动控制变得简单容易。

8) 在上层平台中，导向单元具有较大的长方形通孔，为上层平台集成位移传感器（如电容式位移传感器）预留出了足够的空间，而在下层平台中，驱动单元整体结构紧凑，使其能够设置于底座四角，为底座集成位移传感器（如电容式位移传感器）预留出了足够的空间，这些都使得位移传感器（如电容式位移传感器）的集成易于实现。

9) 在上层平台中，每个导向单元的一对第二柔性薄板位于第一平台之外，驱动单元和位移传感器位于导向单元中，而在下层平台中，驱动单元靠近底座的四角，位移传感器靠近底座的围挡，这些都使得动台面及管状体具有大中空，这不仅能显著减小动台体及动台面的质量，大大提高平台的固有频率，而且当平台用作光学系统的调节机构时，这种大中空孔可以作为大通光孔径。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是图1的分解示意图图；

图3是图2中第一平台和第二平台结合在一起后的结构示意图；

图4是图3的全剖示意图；

图5是图3的分解示意图；

图6是图4的分解示意图；

图7是图6中第一驱动单元的结构示意图；

图8是图6中第一传感器组件的结构示意图；

图9是图5中第一平台、第二平台和导向单元的配装结构示意图；

图10是图9的分解示意图；

图11是图4中A部的放大示意图；

图12是图4中B部的放大示意图；

图13是图10中导向单元的结构示意图；

图14是图5中第一传感器组件的结构示意图；

图15是图2中第一驱动单元的立体结构示意图；

图16是图15的分解示意图；

图17是图16中第二桥式放大机构的立体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1至图17为本发明的结构示意图，其中的附图标记为：底座1、第一导向单元101、第二导向单元102、第三导向单元103、第四导向单元104、第五导向单元105、第六导向单元106、围挡11、管状体12、第二平台2、第一容纳槽21、第二容纳槽22、第一驱动单元31、第二驱动单元32、第三驱动单元33、第四驱动单元34、第五驱动单元35、第六驱动单元36、第七驱动单元37、第一传感器组件41、第二传感器组件42、第三传感器组件43、第四传感器组件44、第五传感器组件45、第六传感器组件46、第一平台5、第一边缘51、第二边缘52、第三边缘53、第四边缘54、第二中空孔55、动台面6、第一中空孔602、第二桥式放大机构61、第六刚性部611、第七刚性部612、第八刚性部613、第九刚性部614、第五柔性薄板615、第六柔性薄板616、第三桥式放大机构62、第二压电执行器63、第十刚性部621、第十一刚性部622、第十二刚性部623、第十三刚性部624、第七柔性薄板625、第五刚性部71、第一柔性薄板72、框体73、第一凸部74、第二柔性薄板75、第二凸部76、第一桥式放大机构8、第一刚性部81、第二刚性部82、第三刚性部83、第四刚性部84、第一压电执行器85、第三柔性薄板86、第四柔性薄板87、第一板体91、第一螺纹孔911、第一螺钉912、柔性折叠梁92、第二板体93、传感器探头94、基座95。

图1至图17为本发明的结构示意图，如图2所示，本发明的六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台，包括底座1和间隙设于底座1上方的用作实验台的动台面6，动台面6与底座1之间间隙设有第二平台2，第二平台2的中央间隙设有螺固于动台面6的第一平台5；第一平台5包括沿自身逆时针方向顺次垂直设置的第一边缘51、第二边缘52、第三边缘53和第四边缘54；第二平台2与第一边缘41之间连有能弹性形变的第一导向单元101；第二平台2与第二边缘42之间分别连有能弹性形变的第二导向单元102和第三导向单元103；第二平台2与第三边缘41之间连有能弹性形变的第四导向单元104；第二平台2与第四边缘41之间分别连有能弹性形变的第五导向单元105和第六导向单元106；第一导向单元101内设有能向第一平台5方向伸缩的第一驱动单元31，第二导向单元102内设有能向第一平台5方向伸缩的第二驱动单元32，第三导向单元103内设有能向第一平台5方向伸缩的第三驱动单元33；底座1设有垂直伸缩作用于第二平台2的第四驱动单元34、第五驱动单元35、第六驱动单元36和第七驱动单元37。第四驱动单元34、第五驱动单元35、第六驱动单元36和第七驱动单元37呈矩形顺次排布，设于第二平台2的四角下方，同第二平台2螺固连接，且第五驱动单元35设于第二驱动单元32的下方，第六驱动单元36设于第三驱动单元33的下方。非工作状态下第一驱动单元31、第二驱动单元32和第三驱动单元33连接在第一平台5的边缘。第一驱动单元31、第二驱动单元32和第三驱动单元33、第四驱动单元34、第五驱动单元35、第六驱动单元36和第七驱动单元37为任一直线电机，优选具有压电执行器的直线电机。

设垂直于动台面6为z轴，第五驱动单元35到第六驱动单元36为x轴。第五驱动单元35到第四驱动单元34为y轴。，通过协调控制第一驱动单元31、第二驱动单元32和第三驱动单元33的运动能使动台面6产生两平动一转动；而通过协调控制第四驱动单元34、第五驱动单元35、第六驱动单元36和第七驱动单元37的运动则能使动台面6另外的三个运动，即两转动一平动。

实施例中，如图2、3、4、5和图6所示，第四导向单元104内设有朝向第三边缘53的第一传感器组件41，第五导向单元105内设有朝向第四边缘54的第二传感器组件42，第六导向单元106内设有朝向第四边缘54的第三传感器组件43；第一传感器组件41能检测第三边缘53的位移量，第二传感器组件42和第三传感器组件43能检测第四边缘54的位移量，包括检测第一平台5绕z轴转动的角度。

如图2所示，第四驱动单元34和第五驱动单元35之间设有垂直朝向第二平台2的第四传感器组件44；第五驱动单元35和第六驱动单元36之间设有垂直朝向第二平台2的第五传感器组件45；第六驱动单元36和第七驱动单元37之间设有垂直朝向第二平台2的第六传感器组件46。第四传感器组件44、第五传感器组件45、第六传感器组件46能检测第二平台2的位移量，包括沿z轴抬升的位移量、沿着x轴转动的位移量，以及沿着y轴转动的位移量。

实施例中，如图2、3、4、5、6、7和图11所示，第一导向单元101、第二导向单元102、第三导向单元103、第四导向单元104、第五导向单元105和第六导向单元106这六个导向单元的结构相同，包括连于第一平台5的第五刚性部71，呈半框状罩设在第五刚性部71外侧的框体73，连于框体73末端和第五刚性部71之间的第一柔性薄板72，设于框体73上的第一凸部74，连于第一凸部74且垂直于第一柔性薄板72的第二柔性薄板75，设于第二平台2且连于第二柔性薄板75另一端的第二凸部76，第二凸部76位于第一凸部74和第一平台5之间；

如图7和图11所示，第一驱动单元31、第二驱动单元32和第三驱动单元33的结构相同，包括第一桥式放大机构8，以及设于第一桥式放大机构8内的第一压电执行器85，所述的第一压电执行器85平行于所述的第一柔性薄板72；所述的第一桥式放大机构8包括分设于第一压电执行器85两端的第一刚性部81和第三刚性部83，间隙设于第一压电执行器85两侧的第二刚性部82和第四刚性部84；第一刚性部81、第二刚性部82、第三刚性部83和第四刚性部84之间相邻连有第三柔性薄板86；第三柔性薄板86的一端与第一压电执行器85中段之间的距离小于第三柔性薄板86的另一端与第一压电执行器85端部之间的距离；当第一压电执行器85通电伸长时，第一压电执行器85推动第一刚性部81和第三刚性部83彼此远离，第三柔性薄板86被第一刚性部81和第三刚性部83拉直，继而第二刚性部82和第四刚性部84彼此远离，最终由第四刚性部84通过第五刚性部71推动动台体4移动；由第三柔性薄板86、第一刚性部81、第二刚性部82、第三刚性部83和第四刚性部84所构成的桥式放大机构能将第一压电执行器85的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大第一平台5及动台面6的位移行程。第二刚性部82螺固于框体73，第四刚性部84螺固于第五刚性部71；

第四驱动单元34、第五驱动单元35、第六驱动单元36和第七驱动单元37的结构相同，包括第二压电执行器63，以及分别呈环状的第二桥式放大机构61和第三桥式放大机构62，第二桥式放大机构61平行于底座1，第二压电执行器63的两端顶设于第二桥式放大机构61内，第三桥式放大机构62套设于第二桥式放大机构61的外围，且第三桥式放大机构62所在的平面垂直于第二压电执行器63的伸缩方向，第三桥式放大机构62螺固于第二平台2和底座1。第一桥式放大机构8能将第一压电执行器85的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大第一平台5的位移行程。第二桥式放大机构61和第三桥式放大机构62能将第二压电执行器63的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大第二平台2的位移行程。

当第一压电执行器85通电压后，第一压电执行器85会伸长并将第一刚性部81和第三刚性部83撑开，原本向第一压电执行器85倾斜的第三柔性薄板86会被拉直，继而第二刚性部82和第四刚性部84会被拉开距离，第四刚性部84会通过第五刚性部71推动第一平台5移动。导向单元为第一桥式放大机构8提供支撑。在同一个导向单元中，所有的第一凸部74、第二凸部76和第二柔性薄板75构成平行四连杆机构，而对向设置的两个导向单元则构成双平行四连杆机构；双平行四连杆机构能防止平台在平移的过程中产生耦合转角。由于第一平台5沿某方向输出位移时受到该方向导向单元的导向作用，所以第一平台5沿该方向平动时将产生严格的直线位移，而不会在其他方向产生耦合位移，从而使动台面6的运动精度大大提高。

如图15、16和图17所示，第四驱动单元34、第五驱动单元35、第六驱动单元36和第七驱动单元37的结构相同，包括第二压电执行器63，以及分别呈环状的第二桥式放大机构61和第三桥式放大机构62，第二桥式放大机构61平行于底座1，第二压电执行器63的两端顶设于第二桥式放大机构61内，第三桥式放大机构62套设于第二桥式放大机构61的外围，且第三桥式放大机构62所在的平面垂直于第二压电执行器63的伸缩方向，第三桥式放大机构62螺固于第二平台2和底座1。当第二压电执行器63通电，第二压电执行器63会撑开第二桥式放大机构61，第二桥式放大机构61变窄并拖动第二压电执行器63横向变窄，第二压电执行器63的高度增大，最终使第二平台2的对应部位抬升。

实施例中，如图15、16和图17所示，第二桥式放大机构61包括顶设于第二压电执行器63两端的第六刚性部611和第七刚性部612，以及间隙分设于第二压电执行器63两侧的第八刚性部613和第九刚性部614，使第六刚性部611、第八刚性部613、第七刚性部612和第九刚性部614两两连接的第五柔性薄板615；

第三桥式放大机构62包括螺固于第八刚性部613的第十刚性部621，螺固于第九刚性部614的第十一刚性部622，螺固于第二平台2的第十二刚性部623，螺固于底座1的第十三刚性部624；使第十刚性部621、第十二刚性部623、第十一刚性部622和第十三刚性部624两两连接的第七柔性薄板625，第二桥式放大机构61和第三桥式放大机构62分别呈菱形。当第二压电执行器63通电，第二压电执行器63会撑开第六刚性部611和第七刚性部612，第五柔性薄板615从倾斜状态被第六刚性部611和第七刚性部612和拉直，第八刚性部613和第九刚性部614彼此靠近，第十刚性部621和第十一刚性部622也被第八刚性部613和第九刚性部614同步牵拉靠近，第七柔性薄板625从倾斜状态被拉直，并撑开第十二刚性部623和第十三刚性部624，最终使第二平台2的对应部位抬升。

在下层平台中，第二桥式放大机构61中一对平行设置的第五柔性薄板615、第六柔性薄板616同第八刚性部613、第六刚性部611构成单平行四连杆机构，而位于第八刚性部613另一侧的一对平行设置的第五柔性薄板615、第六柔性薄板616同第八刚性部613、第七刚性部612也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第九刚性部614两侧的第五柔性薄板615、第六柔性薄板616同第九刚性部614、第六刚性部611、第七刚性部612也构成双平行四连杆机构，在第二压电执行器63受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使第八刚性部613和第九刚性部614沿该两刚性部上第三螺纹孔631的轴线输出严格的平动位移，从而使第十二刚性部也沿z轴输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

在下层平台中，第三桥式放大机构62中的第七柔性薄板625使第十二刚性部623既能绕x轴旋转，又能绕y轴旋转，并且使第十二刚性部623在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角，进而使第二平台2在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角。

实施例中，如图2、3、4、5、6和图12所示，第一传感器组件41、第二传感器组件42和第三传感器组件43的结构相同，包括螺固于框体73的基座95以及螺固于基座95上的传感器探头94 其传感器探头94正对第五刚性部71。检测第四传感器组件44、第五传感器组件45和第六传感器组件46的结构相同，包括螺固于底座1的基座95以及螺固于基座95上的传感器探头94 其传感器探头94正对第二平台2。实施例中，如图12和图14所示，基座95包括与底座1或框体73相固定的第一板体91，平行于第一板体91且固连于传感器探头94的第二板体93，第一板体91和第二板体93之间连有一对柔性折叠梁92，第一板体91的中央设有第一螺纹孔911，第一螺纹孔911内旋设有末端顶于第二板体93的第一螺钉912。旋紧第一螺钉912，能使第二板体93与第一板体91之间的距离扩大，从而减小传感器探头94与第五刚性部71之间的距离；在旋松第一螺钉912时，柔性折叠梁92能减小第二板体93和第一板体91之间的距离，从而增大传感器探头94与第五刚性部71之间的距离。旋拧第一螺钉912，通过柔性折叠梁92的弹性变形能调节第二板体93与第一板体91之间的距离，从而调节传感器探头94与第五刚性部71之间的距离。

实施例中，如图9和图10所示，第二平台2设置有间隙容纳第一平台5的第一容纳槽21，位于第一容纳槽21的边缘用于容纳第一导向单元101、第二导向单元102、第三导向单元103、第四导向单元104、第五导向单元105和第六导向单元106的第二容纳槽22，框体73和第二柔性薄板75间隙设于第二容纳槽22内。第一容纳槽21容纳了第一驱动单元31、第二驱动单元32、第三驱动单元33、第一传感器组件41、第二传感器组件42和第三传感器组件43，第二容纳槽22容纳了第一平台5，从而使本发明产品的整体厚度比第一平台5叠加在第二平台2之上的要薄。

实施例中，如图7所示，第一平台5高出第二平台2、第一驱动单元31、第二驱动单元32和第三驱动单元33的上表面；第一桥式放大机构8还包括顺次连接第一刚性部81、第二刚性部82、第三刚性部83和第四刚性部84的第四柔性薄板87，第四柔性薄板87间隙设于第三柔性薄板86与第一压电执行器85之间。在上层平台中，第一桥式放大机构101中一对平行设置的第三柔性薄板86、第四柔性薄板87同第二刚性部82、第一刚性部81构成单平行四连杆机构，而位于第二刚性部82另一侧的一对平行设置的第三柔性薄板86、第四柔性薄板87同第二刚性部82、第三刚性部83也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性部84两侧的第三柔性薄板86、第四柔性薄板87同第四刚性部84、第一刚性部84、第三刚性部83也构成双平行四连杆机构，在第一压电执行器85受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使驱动单元通过第四刚性部输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

如图15、16和图17所示，第二桥式放大机构61设有使第六刚性部611、第八刚性部613、第七刚性部612和第九刚性部614相邻连接的第六柔性薄板616，第六柔性薄板616间隙设于第二压电执行器63和第五柔性薄板615之间。第六柔性薄板616能增强第二桥式放大机构61的复位能力。

实施例中，如图2所示，底座1的外围设有围挡11，中央设有贯通底座1的管状体12，围挡11间隙设于第二平台2的下方，管状体12间隙设于第一平台5的下方，动台面6设有与管状体12轮廓相适配的第一中空孔602，第一平台5设有与管状体12轮廓相适配的第二中空孔55。围挡11和管状体12能防止异物进入设备内。第一中空孔602和第二中空孔55不仅能减小第一平台5及动台面1的质量，而且当平台用作光学系统的调节机构是，还能当作通光孔径。

实施例中，如图7所示，第一桥式放大机构(8)为一体成型结构。第一刚性部81、第二刚性部82、第三刚性部83、第四刚性部84、第三柔性薄板86和第四柔性薄板87为一体成型结构。

如图5、6和图9所示，第一平台5、第二平台2、第一导向单元101、第二导向单元102、第三导向单元103、第四导向单元104、第五导向单元105和第六导向单元106为一体成型结构，即第一平台5、第二平台2和导向单元为一体切割成型。

底座1、第一桥式放大机构8、第二桥式放大机构61、第三桥式放大机构62、基座95分别为一体成型结构。

本发明能使动平台实现六自由度移动,具体的工作原理为：

设垂直于动台面6为z轴，第五驱动单元35到第六驱动单元36为x轴，第五驱动单元35到第四驱动单元34为y轴，则本发明的工作原理为：

若仅第四驱动单元34、第五驱动单元35、第六驱动单元36和第七驱动单元37同时施加相同电压，输出相同的垂直位移量，则动台面6沿着z轴抬升，从而实现动台面6沿z轴移动，并且不产生其他方向的耦合位移；

若仅第一驱动单元31施加电压，则第一驱动单元31会推动第一平台5，最终使动台面6沿着x轴移动，从而实现动台面6沿x轴移动，而不产生其他方向的耦合位移；

若仅第二驱动单元32和第三驱动单元33同时施加相同电压，输出相同的水平位移量，则第一平台5连同动台面6沿着y轴移动, 从而实现动台面6沿y轴移动，而不产生其他方向的耦合位移；

若仅第六驱动单元36和第七驱动单元37同时施加相同电压，输出相同的垂直位移量，则动台面6绕着y轴转动，从而实现动台面6绕y轴转动，而不产生其他方向的耦合位移；

若仅第四驱动单元34和第七驱动单元37同时施加相同电压，输出相同的垂直位移量，则动台面6绕着x轴转动，从而实现动台面6绕x轴转动，而不产生其他方向的耦合位移；

若仅第二驱动单元32或第三驱动单元33施加电压，则第一平台5连同动台面6绕着z轴转动，从而实现动台面6绕z轴转动，并且不产生其他方向的耦合位移。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台，包括底座(1)和间隙设于底座(1)上方的用作实验台的动台面(6)，其特征是：所述的动台面(6)与所述的底座(1)之间间隙设有第二平台(2)，所述的第二平台(2)的中央间隙设有螺固于所述的动台面(6)的第一平台(5)；所述的第一平台(5)包括沿自身逆时针方向顺次垂直设置的第一边缘(51)、第二边缘(52)、第三边缘(53)和第四边缘(54)；所述的第二平台(2）与所述的第一边缘(51 ）之间连有能弹性形变的第一导向单元(101）；所述的第二平台(2）与所述的第二边缘(52 ）之间分别连有能弹性形变的第二导向单元(102）和第三导向单元(103）；所述的第二平台(2）与所述的第三边缘(53 ）之间连有能弹性形变的第四导向单元(104）；所述的第二平台(2）与所述的第四边缘(54 ）之间分别连有能弹性形变的第五导向单元(105）和第六导向单元(106）；所述的第一导向单元(101）内设有能向第一平台(5）方向伸缩的第一驱动单元(31），所述的第二导向单元(102）内设有能向第一平台(5）方向伸缩的第二驱动单元(32），所述的第三导向单元(103）内设有能向第一平台(5）方向伸缩的第三驱动单元(33）；

所述的底座(1)设有垂直伸缩作用于第二平台(2)的第四驱动单元(34)、第五驱动单元(35)、第六驱动单元(36)和第七驱动单元(37)，所述的第四驱动单元(34)、第五驱动单元(35)、第六驱动单元(36)和第七驱动单元(37)呈矩形顺次排布，设于第二平台(2）的四角下方，同第二平台(2）螺固连接，且所述的第五驱动单元(35)设于所述的第二驱动单元(32)的下方，所述的第六驱动单元(36)设于所述的第三驱动单元(33)的下方；

上层平台由第一驱动单元(31）、第二驱动单元(32）、第三驱动单元(33）驱动第一平台(5)来实现动台面(6)沿x、y向的平动及绕z轴的转动，下层平台由第四驱动单元(34)、第五驱动单元(35)、第六驱动单元(36)、第七驱动单元(37)驱动第二平台(2)来实现动台面(6)沿z向的平动及绕x、y轴的转动。

2.根据权利要求1所述的六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台，其特征是：所述的第四导向单元(104）内设有朝向第三边缘(53）的第一传感器组件(41），所述的第五导向单元(105）内设有朝向第四边缘(54）的第二传感器组件(42），所述的第六导向单元(106）内设有朝向第四边缘(54）的第三传感器组件(43）；所述的第四驱动单元(34)和所述的第五驱动单元(35)之间设有垂直朝向所述的第二平台(2)的第四传感器组件(44)；所述的第五驱动单元(35)和所述的第六驱动单元(36)之间设有垂直朝向所述的第二平台(2)的第五传感器组件(45)；所述的第六驱动单元(36)和所述的第七驱动单元(37)之间设有垂直朝向所述的第二平台(2)的第六传感器组件(46)。

3.根据权利要求2所述的六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台，其特征是：所述的第一导向单元(101)、第二导向单元(102)、第三导向单元(103)、第四导向单元(104)、第五导向单元(105)和第六导向单元(106)的结构相同，包括连于第一平台(5)的第五刚性部(71)，呈半框状罩设在第五刚性部(71)外侧的框体(73)，连于框体(73)末端和第五刚性部(71)之间的第一柔性薄板(72)，设于所述的框体(73)上的第一凸部(74)，连于第一凸部(74)且垂直于第一柔性薄板(72)的第二柔性薄板(75)，设于所述的第二平台(2)且连于第二柔性薄板(75)另一端的第二凸部(76)，所述的第二凸部(76)位于所述的第一凸部(74)和第一平台(5)之间；

所述的第一驱动单元(31)、第二驱动单元(32)和第三驱动单元(33)的结构相同，包括第一桥式放大机构(8)，以及设于第一桥式放大机构(8)内的第一压电执行器(85)，所述的第一压电执行器(85)平行于所述的第一柔性薄板(72)；所述的第一桥式放大机构(8)包括分设于所述的第一压电执行器(85)两端的第一刚性部(81)和第三刚性部(83)，间隙设于所述的第一压电执行器(85)两侧的第二刚性部(82)和第四刚性部(84)；所述的第一刚性部(81)、第二刚性部(82)、第三刚性部(83)和第四刚性部(84)之间相邻连有第三柔性薄板(86)；所述的第三柔性薄板(86)的一端与所述的第一压电执行器(85)中段之间的距离小于第三柔性薄板(86)的另一端与所述的第一压电执行器(85)端部之间的距离；

所述的第二刚性部(82)螺固于所述的框体(73)，所述的第四刚性部(84)螺固于所述的第五刚性部(71)；

所述的第四驱动单元(34)、第五驱动单元(35)、第六驱动单元(36)和第七驱动单元(37)的结构相同，包括第二压电执行器(63)，以及分别呈环状的第二桥式放大机构(61)和第三桥式放大机构(62)，所述的第二桥式放大机构(61)平行于所述的底座(1)，所述的第二压电执行器(63)的两端顶设于所述的第二桥式放大机构(61)内，所述的第三桥式放大机构(62)套设于第二桥式放大机构(61)的外围，且所述的第三桥式放大机构(62)所在的平面垂直于所述的第二压电执行器(63)的伸缩方向，所述的第三桥式放大机构(62)螺固于所述的第二平台(2)和所述的底座(1)。

4.根据权利要求3所述的六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台，其特征是：所述的第二桥式放大机构(61)包括顶设于第二压电执行器(63)两端的第六刚性部(611)和第七刚性部(612)，以及间隙分设于所述的第二压电执行器(63)两侧的第八刚性部(613)和第九刚性部(614)，使所述的第六刚性部(611)、第八刚性部(613)、第七刚性部(612)和第九刚性部(614)两两连接的第五柔性薄板(615)；所述的第三桥式放大机构(62)包括螺固于所述的第八刚性部(613)的第十刚性部(621)，螺固于所述的第九刚性部(614)的第十一刚性部(622)，螺固于所述的第二平台(2)的第十二刚性部(623)，螺固于所述的底座(1)的第十三刚性部(624)；使第十刚性部(621)、第十二刚性部(623)、第十一刚性部(622)和第十三刚性部(624)两两连接的第七柔性薄板(625)，所述的第二桥式放大机构(61)和所述的第三桥式放大机构(62)分别呈菱形。

5.根据权利要求4所述的六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台，其特征是：所述的第一传感器组件(41)、第二传感器组件(42)和第三传感器组件(43)的结构相同，包括螺固于所述的框体(73)的基座(95)以及螺固于所述的基座(95)上的传感器探头(94)其传感器探头(94)正对第五刚性部(71)；

所述的第四传感器组件(44)、第五传感器组件(45)和第六传感器组件(46)的结构相同，包括螺固于所述的底座(1)的基座(95)以及螺固于所述的基座(95)上的传感器探头(94) 其传感器探头(94)正对第二平台(2)。

6.根据权利要求5所述的六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台，其特征是：所述的基座(95)包括与所述的底座(1)或框体(73)相固定的第一板体(91)，平行于所述的第一板体(91)且固连于所述的传感器探头(94)的第二板体(93)，所述的第一板体(91)和所述的第二板体(93)之间连有一对柔性折叠梁(92)，第一板体(91)的中央设有第一螺纹孔(911)，所述的第一螺纹孔(911)内旋设有末端顶于第二板体(93)的第一螺钉(912)。

7.根据权利要求5所述的六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台，其特征是：所述的第二平台(2)设置有间隙容纳所述的第一平台(5)的第一容纳槽(21)，位于第一容纳槽(21)的边缘用于容纳所述的第一导向单元(101)、第二导向单元(102)、第三导向单元(103)、第四导向单元(104)、第五导向单元(105)和第六导向单元(106)的第二容纳槽(22)，所述的框体(73)和所述的第二柔性薄板(75)间隙设于所述的第二容纳槽(22)内。

8.根据权利要求7所述的六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台，其特征是：所述的第一平台(5)高出所述的第二平台(2)、第一驱动单元(31)、第二驱动单元(32)和第三驱动单元(33)的上表面；所述的第一桥式放大机构(8)还包括顺次连接第一刚性部(81)、第二刚性部(82)、第三刚性部(83)和第四刚性部(84)的第四柔性薄板(87)，所述的第四柔性薄板(87)间隙设于所述的第三柔性薄板(86)与所述的第一压电执行器(85)之间；

所述的第二桥式放大机构(61)还包括使所述的第六刚性部(611)、第八刚性部(613)、第七刚性部(612)和第九刚性部(614)相邻连接的第六柔性薄板(616)，所述的第六柔性薄板(616)间隙设于第二压电执行器(63)和所述的第五柔性薄板(615)之间。

9.根据权利要求8所述的六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台，其特征是：所述的底座(1)的外围设有围挡(11)，中央设有贯通所述的底座(1)的管状体(12)，所述的围挡(11)间隙设于所述的第二平台(2)的下方，所述的管状体(12)间隙设于所述的第一平台(5)的下方，所述的动台面(6)设有与所述的管状体(12)轮廓相适配的第一中空孔(602)，所述的第一平台(5)设有与所述的管状体(12)轮廓相适配的第二中空孔(55)。

10.根据权利要求9所述的六自由度大行程无耦合大中空串并联压电微动平台，其特征是： 所述的第一平台(5)、第二平台(2)、第一导向单元(101)、第二导向单元(102)、第三导向单元(103)、第四导向单元(104)、第五导向单元(105)和第六导向单元(106)为一体成型结构；所述的底座(1)、第一桥式放大机构(8)、第二桥式放大机构(61)、第三桥式放大机构(62)、基座(95)分别为一体成型结构。

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