CN109732547B - 多级联动输出的多自由度微动平台 - Google Patents

Abstract

多级联动输出的多自由度微动平台，它涉及一种微动平台，它包括工作平台、柔性放大单元结构、底座和支撑杆；工作平台由与柔性放大单元结构连接的支撑杆支撑；每个所述柔性放大单元结构包括立架和压电叠堆驱动器；所述立架包含支架一和支架二、固定杆、输出杆、输出平台、摇杆、导向杆和放大机构；所述放大机构包含放大杆一、放大杆二和放大杆三；每个所述输出平台上安装有立式布置的支撑杆，支撑杆的顶部安装有球形铰链，球形铰链与工作平台可拆卸连接，固定杆的其中一支杆与底座可拆卸连接。本发明结构简单，设计合理，拆装方便，提高了工作平台的工作位移。

Description

多级联动输出的多自由度微动平台

技术领域

本发明涉及一种微动平台，具体涉及一种多级联动输出的多自由度微动平台。

背景技术

多自由度微动平台是通过可产生弹性变形的柔性铰链机构来传递力与位移并可多自由度平动或转动的微位移机构。并采用压电致动器驱动，所以其位移分辨率高，响应速度快，驱动力大且刚度大、体积小、承载能力强。因此，它在精密加工与测量、光纤对接、微电子工程、细胞微操作等需要微/纳米定位的技术领域的作用越来越大。具体应用包括在微纳零件加工中，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接；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。

现已有的微动平台设计容易，虽有些含放大机构，但其放大倍数较小，输出行程小，而且有效的输出台面不够大，限制操作空间。且其位移输出只可沿x、y、z轴方向输出微位移，方向单一，自由度较少。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种多级联动输出的多自由度微动平台，该微动平台由压电叠堆驱动器驱动放大机构，使得级联动输出的多自由度微动平台具有更大的放大倍数，提高工作平台的工作位移；同时，使用球形铰链连接工作平台，能灵活的承受来自各异面的压力。

本发明的技术方案为：一种多级联动输出的多自由度微动平台，它包括工作平台、柔性放大单元结构、底座和支撑杆；

底座上固接有沿周向均布的结构相同的N个柔性放大单元结构，其中N≥3，N为整数；工作平台由与柔性放大单元结构连接的支撑杆支撑；

每个柔性放大单元结构包括立架和压电叠堆驱动器；

立架包含支架一和支架二、固定杆、输出杆、输出平台、摇杆、导向杆和放大机构；放大机构包含放大杆一、放大杆二和放大杆三；

支架一、支架二、固定杆、输出杆、输出平台、摇杆、导向杆、放大杆一、放大杆二和放大杆三由机架经线切割而成；

放大杆二和放大杆三通过叶状形柔性铰链连接，固定杆为L形，固定杆的两支杆分别通过导向杆连接一个放大杆三，且导向杆的两端分别通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接固定杆和放大杆三；

输出平台的四周布置有支架一，支架一与放大杆三之间通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接，支架一与放大杆二通过叶状形柔性铰链连接，输出平台的四个拐角分别通过叶状形柔性铰链与放大杆二和放大杆三连接，支架一与放大杆二之间布置有摇杆，摇杆的两端通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接支架一与放大杆二；

与固定杆的两个支杆相对设置的两个支架二分别与对应的放大杆二之间布置有放大杆一，放大杆一的两端通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接支架二和放大杆二；

放大杆一与放大杆二通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接，放大杆一通过单轴圆形截面双切口柔性铰链与输出杆连接，每个支架二上安装有能驱动输出杆运动的压电叠堆驱动器，固定杆的两个支杆与各自相对的输出杆及压电叠堆驱动器平行设置；

每个输出平台上安装有立式布置的支撑杆，支撑杆的顶部安装有球形铰链，球形铰链与工作平台可拆卸连接，固定杆的其中一个支杆与底座可拆卸连接。

进一步地，单轴圆形截面双切口柔性铰链为直圆型双切口柔性铰链。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明申请工作平台不仅可实现沿x，y，z轴方向上输出位移，还可实现沿轴线的转动。同时在每个柔性放大单元具有两个放大机构，其中一个为二级放大机构，另一个可以将前放大机构的输出位移再一次放大。最后可实现在工作平台上位移方向有大行程，还可大角度转动。而且因为有球铰的存在，所以在运动上无耦合(当平台向一方向运动时不会在另一方向产生寄生位移)，本发明申请还具有安装、预紧压电执行器方便的特点。

1、本发明是具有七个自由度，既能实现沿x、y轴平面的位移输出，又能实现多个轴线转动的多自由度微动平台；

2、本发明不仅在进行多角度旋转时可正转和反转，还可以在x、y轴平面运动时，正反方向运动。

3、块相同的柔性放大单元结构同时设有二个放大机构，进一步放大输出行程，最后在输出平台上实现沿x，y，z轴方向上的输出位移，还可实现绕多个轴线转动；

4、块相同的柔性放大单元结构机构采用柔性铰链，并通过线切割加工而成，整个柔性铰链放大机构为一个整体，具有体积小、无机械摩擦、导向精度高、加工精度易于保证和不需要装配的优点；

5、支撑杆上端具有球形铰链，不仅具有解耦作用，还可将柔性放大单元的输出位移精准传递到输出平台；

6、本发明中的柔性放大单元结构、底座、支撑杆和输出平台只通过螺钉连接，装配链接及拆卸方便。

附图说明

图1为多级联动输出的多自由度微动平台的立体结构图；

图2为含有压电叠堆驱动器的柔性放大单元结构示意图；

图3为去掉压电叠堆驱动器的柔性放大单元结构的示意图；

图4为工作平台结构示意图；

图5为底座的结构示意图；

图6为支撑杆的结构示意图；

图7为柔性放大单元结构中的立架的缝隙切割布置图；

图8为工作平台实现多自由度工作原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图6所示，一种多级联动输出的多自由度微动平台，它包括工作平台12、柔性放大单元结构2、底座13和支撑杆15；

底座13上固接有沿周向均布的结构相同的N个柔性放大单元结构2，其中N≥3，N为整数；工作平台12由与柔性放大单元结构2连接的支撑杆15支撑；

每个柔性放大单元结构2包括立架和压电叠堆驱动器20；

立架包含支架一101和支架二102、固定杆8、输出杆3、输出平台7、摇杆5、导向杆10和放大机构；所述放大机构包含放大杆一4、放大杆二6和放大杆三9；

支架一101、支架二102、固定杆8、输出杆3、输出平台7、摇杆5、导向杆10、放大杆一4、放大杆二6和放大杆三9由机架线切割而成；

放大杆二6和放大杆三9通过叶状形柔性铰链A连接，固定杆8为L形，固定杆8的两支杆分别通过导向杆10连接一个放大杆三9，且导向杆10的两端分别通过单轴圆形截面双切口柔性铰链B连接固定杆8和放大杆三9；

输出平台7的四周布置有支架一101，支架一101与放大杆三9之间通过单轴圆形截面双切口柔性铰链B连接，支架一101与放大杆二6通过叶状形柔性铰链A连接，输出平台7的四个拐角分别通过叶状形柔性铰链A与放大杆二6和放大杆三9连接，支架一101与放大杆二6之间布置有摇杆5，摇杆5的两端通过单轴圆形截面双切口柔性铰链B连接支架一101与放大杆二6；

与固定杆8的两个支杆相对设置的两个支架二102分别与对应的放大杆二6之间布置有放大杆一4，放大杆一4的两端通过单轴圆形截面双切口柔性铰链(B)连接支架二102和放大杆二6，放大杆一4与放大杆二6通过单轴圆形截面双切口柔性铰链B连接，放大杆一4通过单轴圆形截面双切口柔性铰链B与输出杆3连接，每个支架二102上安装有能驱动输出杆3运动的压电叠堆驱动器20，固定杆8的两个支杆与各自相对的输出杆3及压电叠堆驱动器20平行设置；每个输出平台7上安装有立式布置的支撑杆15，支撑杆15的顶部安装有球形铰链11，球形铰链11与工作平台12可拆卸连接，固定杆8的其中一个支杆与底座13可拆卸连接。

上述实施方案中，摇杆5起着支撑导向作用，如图4所示，工作平台12为中心开孔的正多边形平台，大大增加了平台面积。工作平台在绕圆心每120°的位置上均有开孔，以便连接图6中的支撑杆15上端的球形铰链11，将柔性放大单元结构2输出的位移传递到工作平台12，实现沿x，y，z轴上的位移输出，还可实现沿轴线的大角度转动。

同样在底座13上每隔120°的位置开孔，以便连接柔性放大单元结构上的固定杆8的支杆，将多个柔性放大单元结构2固定在水平的底座13上，以便操作。

上述中，所述单轴圆形截面双切口柔性铰链2011为直圆型双切口柔性铰链。如此选用，具有体积小、无机械摩擦，运动可靠的特点。

参见图2和图6所示，输出平台7和支撑杆15上均加工有通孔150，支撑杆15和输出平台7通过穿设在通孔150中的螺栓和螺母连接在一起。支撑杆15选用L形的支撑杆，在支撑杆15的短杆上加工通孔150，以便于与输出平台7连接。沿着竖直的细杆到上端设置球形铰链11。下端开孔连接到柔性放大单元结构2上的输出平台7的有两个开通孔的一侧，再通过球形铰链11将柔性放大单元结构2的位移传递到工作平台12，实现不仅沿x，y，z轴上的位移输出，还可实现沿轴线的大角度转动。

上述实施方式中，固定杆8的其中一个支杆和底座13上分别开设有安装孔130，底座13与其中一个支杆通过穿设在安装孔130内的螺栓和螺母连接在一起。拆装方便可靠，使用便捷。为便于说明，单轴圆形截面双切口柔性铰链分别为结构相同的第三单轴圆形截面双切口柔性铰链B3、第六单轴圆形截面双切口柔性铰链B6、第七单轴圆形截面双切口柔性铰链B7和第八单轴圆形截面双切口柔性铰链B8；叶状形柔性铰链分为结构相同的第三叶状形柔性铰链A3、第五叶状形柔性铰链A5、第六叶状形柔性铰链A6、第七叶状形柔性铰链A7、第八叶状形柔性铰链A8。

如图7和图8所示，柔性放大单元结构2中的立架1的缝隙由线切割而获得的，具体为：放大杆三9、导向杆10和固定杆8围成的区域为第一切割缝隙；立架、放大杆一4及摇杆5围成的区域为第二切割缝隙(共4处)，第二切割缝隙与压电叠堆驱动器20间隙配合；放大杆二6、摇杆5、立架及双切口柔性铰链围成的区域为第三切割缝隙(共4处)；立架、两个放大杆一4、连接的两个放大杆二6、两侧柔性铰链和输出平台7下侧围成的区域为第四切割缝隙(共2处)；固定杆8、导向杆10、放大杆三9及连接放大杆三9的两侧柔性铰链，到输出平台7左侧以及连接它们的第六单轴圆形截面双切口柔性铰链B6和第七单轴圆形截面双切口柔性铰链B7围成的区域为第五切割缝隙(共2处)；立架、放大杆三9、输出平台7以及连接它们的第五叶状形柔性铰链A5、第六叶状形柔性铰链A6以及第八单轴圆形截面双切口柔性铰链B8围成的类L型区域为第六切割缝隙(共2处)；放大杆二6、输出平台7、立架以及连接它们的第七叶状形柔性铰链A7、第八叶状形柔性铰链A8围成的类似正方形区域为第七切割缝隙；放大杆二6、立架以及连接它们的柔性铰链形成的细缝为第八切割缝隙(共4处)。

具体工作使用过程为

如图1-图8所示，本发明申请在使用时，以单个柔性放大单元结构2具体放大运动为例，为了便于说明，在这里采用的多个压电叠堆驱动器20分为第一压电叠堆驱动器21、第二压电叠堆驱动器22、第三压电叠堆驱动器23和第四压电叠堆驱动器24。

对第一压电叠堆驱动器21施加通过功率放大器放大后的电压，第一压电叠堆驱动器21伸长，作用在输入杆3上，输入一个较小的位移x₀，通过第一个放大机构(由放大杆一4、摇杆5和放大杆二6构成)，放大杆一4绕第三单轴圆形截面双切口柔性铰链B3转动，放大杆二6又因摇杆5的支撑导向作用，放大杆二6左端向下倾斜；假设放大倍率为a，则通过第一个放大机构后的输出位移即为ax₀。然后位移x₁(x₁＝ax₀)经过第六叶状形柔性铰链A6，拉动输出平台7向下运动，然后，输出平台7拉动第三叶状形柔性铰链A3，放大杆三9左端绕柔性铰链向下转动，设向第二个放大机构(放大杆三9、机架和导向杆10构成)输入的位移为x₂，其中x₂＝ax₀，通过第二个放大机构再次放大，设第二次放大倍率为b，则输出位移为x₃，其中x₃＝bx₂，推动整个柔性放大单元结构向下运动。所以当初输入位移为x₀时，通过柔性放大单元结构的二次放大，柔性放大单元结构整体可输出x₄的位移，其中x₄＝x₂+x₃，大幅增大输出行程。

多级联动输出的多自由度微动平台整体工作时具有7个自由度。当单独一个柔性放大单元结构2在x，y轴平面做位移输出时，带动工作平台12向其方向做正向位移，相反当另外两个柔性放大单元结构2在x，y轴平面做位移输出时，带动工作平台12向其方向做出反向位移，所以在同一方向运动时可以做出正反位移，带动工作平台12在x，y轴平面做同一方向的往复运动，又因为柔性放大单元结构12绕轴心120°摆放，所以在平面上可以做出3个方向的正反位移，在x、y轴平面上绕轴心每隔120°为一个方向(根据摆放位置)即可得到3个自由度。

当3块柔性放大单元结构2同时做z轴方向上的竖直位移输出时，位移通过L型的支撑杆15将位移传递到工作平台12时，工作平台12便可实现在z轴方向运动的1个自由度；

当其中2个柔性放大单元结构同时做相同z轴位移输出时，带动输出平台实现一定角度的正旋转，当只有另外1个柔性放大单元结构2沿z轴位移输出时，工作平台12则实现一定角度的反旋转，3个柔性放大单元结构2任意两两组合运动最后在工作平台12所输出的正旋转方向不同，3个单级输出平台7任意单独运动最后在工作平台12所输出的反旋转方向不同，这样的3个不同方向的正反旋转又可得到3个自由度。总共7个自由度。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (6)

1.一种多级联动输出的多自由度微动平台，其特征在于：它包括工作平台（12）、柔性放大单元结构（2）、底座（13）和支撑杆（15）；

所述底座（13）上固接有沿周向均布的结构相同的N个柔性放大单元结构（2），其中N≥3，N为整数；工作平台（12）由与柔性放大单元结构（2）连接的支撑杆（15）支撑；

每个所述柔性放大单元结构（2）包括立架和压电叠堆驱动器（20）；

所述立架包含支架一（101）和支架二（102）、固定杆（8）、输出杆（3）、输出平台（7）、摇杆（5）、导向杆（10）和放大机构；所述放大机构包含放大杆一（4）、放大杆二（6）和放大杆三（9）；

支架一（101）、支架二（102）、固定杆（8）、输出杆（3）、输出平台（7）、摇杆（5）、导向杆（10）、放大杆一（4）、放大杆二（6）和放大杆三（9）由机架经线切割而成；

放大杆二（6）和放大杆三（9）通过叶状形柔性铰链（A）连接，所述固定杆（8）为L形，固定杆（8）的两支杆分别通过导向杆（10）连接一个放大杆三（9），且导向杆（10）的两端分别通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接固定杆（8）和放大杆三（9）；

输出平台（7）的四周布置有支架一（101），支架一（101）与放大杆三（9）之间通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接，支架一（101）与放大杆二（6）通过叶状形柔性铰链（A）连接，输出平台（7）相邻的两个侧面分别布置有放大杆二（6），输出平台（7）相邻的另外两个侧面分别布置有放大杆三（9），输出平台（7）的四个角分别通过叶状形柔性铰链（A）与对应侧的放大杆二（6）和放大杆三（9）连接，支架一（101）与放大杆二（6）之间布置有摇杆（5），所述摇杆（5）的两端分别通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接支架一（101）与放大杆二（6）；

与固定杆（8）的一个支杆相对设置的支架二（102）与对应的放大杆二（6）之间布置有放大杆一（4），与固定杆（8）的另一个支杆相对设置的支架二（102）与对应的放大杆二（6）之间布置有放大杆一（4），所述放大杆一（4）的两端分别通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接支架二（102）和放大杆二（6）；

放大杆一（4）通过单轴圆形截面双切口柔性铰链与输出杆（3）连接，每个支架二（102）上安装有能驱动输出杆（3）运动的压电叠堆驱动器（20），固定杆（8）的两个支杆与各自相对的输出杆（3）及压电叠堆驱动器（20）平行设置；

每个所述输出平台（7）上安装有立式布置的支撑杆（15），支撑杆（15）的顶部安装有球形铰链（11），球形铰链（11）与工作平台（12）可拆卸连接，固定杆（8）的其中一个支杆与底座（13）可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述多级联动输出的多自由度微动平台，其特征在于：所述单轴圆形截面双切口柔性铰链（2011）为直圆型双切口柔性铰链。

3.根据权利要求2所述多级联动输出的多自由度微动平台，其特征在于：所述工作平台（12）为中心开孔的正多边形平台。

4.根据权利要求3所述多级联动输出的多自由度微动平台，其特征在于：所述输出平台（7）和支撑杆（15）上均加工有通孔（150），支撑杆（15）和输出平台（7）通过穿设在通孔（150）中的螺栓和螺母连接在一起。

5.根据权利要求4所述多级联动输出的多自由度微动平台，其特征在于：固定杆（8）的所述其中一个支杆和底座（13）上分别开设有安装孔（130），底座（13）与所述其中一个支杆通过穿设在安装孔（130）内的螺栓和螺母连接在一起。

6.根据权利要求5所述多级联动输出的多自由度微动平台，其特征在于：所述底座（13）为带有中心盘的三支叉底座。

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