CN110010190A - 三维恒力并联柔性微定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维恒力并联柔性微定位平台，其包括主框架以及位于主框架内的力输入机构、力输出机构、恒力机构，恒力机构包括并联板簧机构以及与并联板簧机构分别连接的X向恒力机构、Y向恒力结构、Z向恒力机构，X向恒力机构、Y向恒力机构、Z向恒力机构之间相互正交，X向恒力机构包括相互串联的第一负刚度机构和第一板簧柔性结构，Y向恒力机构包括相互串联的第二负刚度机构和第二板簧柔性结构，Z向恒力机构包括相互串联的第三负刚度机构和第三板簧柔性结构。本发明采用并联结构实现运动解耦，使该定位平台具有三维的XYZ方向三个独立的自由度，同时利用柔性铰链连接避免了传统连接的缺点，以实现高精度定位。

Description

三维恒力并联柔性微定位平台

【技术领域】

本发明涉及微纳精密驱动与定位技术领域，具体的，涉及一种基于柔性机构的三维恒力并联柔性微定位平台。

【背景技术】

微定位平台技术是现代精密工程中的研究与应用热点。目前，微定位平台已被广泛应用于微纳米尺度物体的快速抓放操作、高精密制造和组装、生物细胞显微注射等领域。由于一维、二维微定位平台存在自由度少等方面的局限性，多维微定位平台受到了广泛关注。

申请号为201810029943.5的中国发明专利申请公开了一种串联式压电驱动微纳平台，其三维定向移动是由三个模块相串联，采用粘滑运动原理和杠杆放大原理来实现。然而，串联机构具有惯性大、累计误差大等缺点。

申请号为201410734788.9的中国发明专利公开了一种并联式空间三维微位移精密定位装置，其由压电陶瓷驱动器经由杠杆放大机构来驱动。然而，它的输出行程小(低于毫米级)，不适用于大行程应用场合。

申请号为201610231524.0的中国发明专利公开了一种并联式三自由度微定位平台，其用于实现大行程(毫米级以上)输出。由于上述发明采用传统柔性机构设计方法，需要采用较大的驱动器来实现大行程输出，增大了平台的尺寸大小和硬件成本。

此外，为了使用较小驱动器产生大行程输出，申请号为20161084395.3的中国发明专利申请公开了一种二维恒力微定位平台，其用于降低驱动力，产生恒力输出。然而，该发明只实现了二维的恒力微定位运动。

因此，现有三维大行程微定位平台需要采用体积较大的驱动器来实现大行程输出，增大了平台的物理尺寸和硬件成本。另外，现有的恒力微定位平台只能实现二维平面内的恒力微定位运动。

【发明内容】

本发明的主要目的是提供一种采用板簧式柔性铰链和双稳态柔性梁相组合并实现恒力输出的三维恒力并联柔性微定位平台。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的一种三维恒力并联柔性微定位平台，用于在三维空间内的指定方向提供恒力输出，包括主框架以及位于主框架内的力输入机构、力输出机构、用于连接力输入机构和力输出机构并传导作用力的恒力机构，恒力机构包括并联板簧机构以及与并联板簧机构分别连接的X向恒力机构、Y向恒力结构、Z向恒力机构，X向恒力机构、Y向恒力机构、Z向恒力机构之间相互正交，X向恒力机构包括相互串联的第一负刚度机构和第一板簧柔性结构，Y向恒力机构包括相互串联的第二负刚度机构和第二板簧柔性结构，Z向恒力机构包括相互串联的第三负刚度机构和第三板簧柔性结构。

进一步的方案是，力输入机构包括X轴方向设置的第一驱动电机、Y轴方向设置的第二驱动电机、Z轴方向设置的第三驱动电机。

更进一步的方案是，第一板簧柔性结构具有第一驱动开口，第一驱动电机的驱动部位于第一驱动开口内并且与第一板簧柔性结构的从动部相抵接，第一板簧柔性结构与第一负刚度机构相抵接，第一负刚度机构与并联板簧机构连接。

更进一步的方案是，第二板簧柔性结构具有第二驱动开口，第二驱动电机的驱动部位于第二驱动开口内并且与第二板簧柔性结构的从动部相抵接，第二板簧柔性结构与第二负刚度机构相抵接，第二负刚度机构与并联板簧机构连接。

更进一步的方案是，第三板簧柔性结构具有第三驱动开口，第三驱动电机的驱动部位于第三驱动开口内并且与第三板簧柔性结构的从动部相抵接，第三板簧柔性结构与第三负刚度机构相抵接，第三负刚度机构与并联板簧机构连接。

更进一步的方案是，第一板簧柔性结构、第二板簧柔性结构均为一个折叠式板簧柔性铰链，第三板簧柔性结构为对称设置的两个折叠式板簧柔性铰链。

更进一步的方案是，第一负刚度机构、第二负刚度机构均为一个倾斜板簧柔性结构，第三负刚度机构为对称设置的两个倾斜板簧柔性结构。

更进一步的方案是，并联板簧机构包括五个相互连接的并联板簧式柔性铰链。

更进一步的方案是，第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机均为线性音圈电机。

更进一步的方案是，X向恒力机构还包括第四负刚度机构，第四负刚度机构的一端与主框架的一侧连接，第四负刚度机构的另一端与并联板簧机构连接；Y向恒力机构还包括第五负刚度机构，第五负刚度机构的一端与主框架的另一侧连接，第五负刚度机构的另一端与并联板簧机构连接。

由此可见，本发明提供的新型三维恒力并联柔性微定位平台，采用并联结构实现运动解耦，使该定位平台具有三维的XYZ方向三个独立的自由度。同时，利用柔性铰链连接避免了传统连接的缺点，以实现高精度定位。

另外，采用普通梁和双稳态梁的组合实现平台的恒力输出，减小了物理尺寸大小，减轻了对电机驱动力的需求，大大降低了制造成本。

【附图说明】

图1是本发明三维恒力并联柔性微定位平台实施例的结构示意图。

图2是本发明三维恒力并联柔性微定位平台实施例的主视图。

图3是本发明三维恒力并联柔性微定位平台实施例的俯视图。

图4是本发明三维恒力并联柔性微定位平台实施例的侧视图。

图5是本发明三维恒力并联柔性微定位平台实施例中第一板簧柔性结构的结构示意图。

图6是本发明三维恒力并联柔性微定位平台实施例中第一负刚度机构的结构示意图。

图7是本发明三维恒力并联柔性微定位平台实施例中恒力机构的刚度示意图。

【具体实施方式】

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限用于本发明。

参见图1至图5，本发明的一种三维恒力并联柔性微定位平台包括用于在三维空间内的指定方向提供恒力输出，包括主框架以及位于主框架内的力输入机构、力输出机构2、用于连接力输入机构和力输出机构2并传导作用力的恒力机构，恒力机构包括并联板簧机构3以及与并联板簧机构3分别连接的X向恒力机构、Y向恒力结构、Z向恒力机构，X向恒力机构、Y向恒力机构、Z向恒力机构之间相互正交，X向恒力机构包括相互串联的第一负刚度机构13和第一板簧柔性结构12，Y向恒力机构包括相互串联的第二负刚度机构23和第二板簧柔性结构22，Z向恒力机构包括相互串联的第三负刚度机构33和第三板簧柔性结构32。

其中，力输入机构包括X轴方向设置的第一驱动电机11、Y轴方向设置的第二驱动电机21、Z轴方向设置的第三驱动电机31。优选的，第一驱动电机11、第二驱动电机21、第三驱动电机31均为线性音圈电机。本发明的微定位平台采用正交的三个线性音圈电机驱动实现三自由度微运动定位，所采用的音圈电机尺寸小，定位精度高，其输入电压与输出力之间呈线性关系，便于控制器的设计与实现。然而，由于所采用的音圈电机整体尺寸较小、输出力有限，因此需要适当地减少平台的刚度以输出大行程。

进一步的，第一板簧柔性结构12具有第一驱动开口，第一驱动电机11的驱动部位于第一驱动开口内并且与第一板簧柔性结构12的从动部相抵接，第一板簧柔性结构12与第一负刚度机构13相抵接，第一负刚度机构13与并联板簧机构3连接。

进一步的，第二板簧柔性结构22具有第二驱动开口，第二驱动电机21的驱动部位于第二驱动开口内并且与第二板簧柔性结构22的从动部相抵接，第二板簧柔性结构22与第二负刚度机构23相抵接，第二负刚度机构23与并联板簧机构3连接。

进一步的，第三板簧柔性结构32具有第三驱动开口，第三驱动电机31的驱动部位于第三驱动开口内并且与第三板簧柔性结构32的从动部相抵接，第三板簧柔性结构32与第三负刚度机构33相抵接，第三负刚度机构33与并联板簧机构3连接。

作为优选，第一板簧柔性结构12、第二板簧柔性结构22均为一个折叠式板簧柔性铰链，第三板簧柔性结构32为对称设置的两个折叠式板簧柔性铰链。

作为优选，第一负刚度机构13、第二负刚度机构23均为一个倾斜板簧柔性结构，第三负刚度机构33为对称设置的两个倾斜板簧柔性结构。

X向恒力机构还包括第四负刚度机构41，第四负刚度机构41的一端与主框架1的一侧连接，第四负刚度机构41的另一端与并联板簧机构3连接；Y向恒力机构还包括第五负刚度机构51，第五负刚度机构51的一端与主框架1的另一侧连接，第五负刚度机构51的另一端与并联板簧机构3连接。

其中，并联板簧机构3包括五个相互连接的并联板簧式柔性铰链，第一个并联板簧式柔性铰链与第一负刚度机构13连接，第二个并联板簧式柔性铰链与第二负刚度机构23连接，第三个并联板簧式柔性铰链与第三负刚度机构33连接，第四个并联板簧式柔性铰链与第四负刚度机构41连接，第五个并联板簧式柔性铰链与第五负刚度机构51连接。

在本实施例中，板簧柔性结构和并联板簧机构3组成正刚度机构，如第一板簧柔性结构12和第一个并联板簧式柔性铰链组成X轴方向的第一正刚度机构，第二板簧柔性结构22和第二个并联板簧式柔性铰链组成Y轴方向的第二正刚度机构，第三板簧柔性结构32和第三个并联板簧式柔性铰链组成Z轴方向的第三正刚度机构。

其中，Z轴方向的第三负刚度机构33为X-Y平面内中心对称式设计的两个倾斜板簧柔性结构，第三板簧柔性结构32与第三个并联板簧式柔性铰链构成Z轴方向的第三正刚度机构，第三板簧柔性结构32为X-Y平面内中心对称式设计的两个折叠式板簧柔性铰链。Z轴方向的正刚度机构、负刚度机构均采用X-Y对称式设计，使该平台在X轴和Y轴上的刚度保持一致。

可见，为了使Z轴方向上的机构在X轴，Y轴方向的解耦程度保持一致，其中的第三负刚度机构采用了X-Y平面内中心对称式设计。并且，采用折叠式板簧柔性铰链可以为音圈电机提供支撑和驱动导向，且降低了平台的驱动刚度。其次，并联板簧柔性铰链的使用减小了X轴、Y轴和Z轴运动之间的耦合误差。通过对正刚度机构和负刚度机构参数的调节，最终使该平台的刚度在一定区间内近似于零，从而获得了恒力特性。

如图6所示，图6是本发明三维恒力并联柔性微定位平台实施例中为所采用的负刚度机构的结构示意图。通过调节负刚度机构的尺寸参数，可以平衡该平台的整体刚度，从而获得恒力特性。另外，负刚度机构大都通过在柔性铰链的末端增加严格的约束来获得良好的屈曲特性，而约束的添加使机构变得冗杂。本发明采用对称式双屈曲倾斜板簧柔性铰链结构，提供较好的负刚度特性，且无需施加其他约束，其结构简单紧凑、易于实现。

另外，作为三维并联柔性平台的柔性解耦机构，并联板簧机构为五个并联板簧式柔性铰链相正交连接，实现三维运动解耦功能。

所以，该恒力平台由三组正交的恒力机构组成，且每个恒力机构由正刚度机构和负刚度机构叠加构成。在每个运动方向上，如X轴方向、Y轴方向或Z轴方向，其正刚度机构包含板簧柔性结构和并联板簧式柔性铰链，其负刚度机构是由倾斜板簧柔性结构构成。恒力机构是由正刚度机构和负刚度机构相串联构成。因此，平台的恒力特性与机构的刚度有关。当正、负刚度机构叠加之后和为零时，就产生了如图7所示的恒力区间，如点A和点B之间所示的恒力区间。

在本实施例中，当驱动电机开始驱动板簧柔性结构的从动部时，其驱动部周期性施力于从动部，板簧柔性结构施力于负刚度机构，负刚度机构施力于并联板簧机构，通过对正刚度机构和负刚度机构参数的调节，最终使该平台的刚度在一定区间内近似于零，从而获得了恒力特性。

因此，本发明通过引入恒力机构，扩大了微定位平台的行程；提出了全并联机构，实现三自由度微定位；Z轴方向的正刚度机构、负刚度机构均采用X-Y对称式设计，使该平台在X轴和Y轴上的刚度保持一致；提出了一种不需要其他外加约束方法的主动式恒力机构的设计方案；提出了一种三自由度并联柔性微定位平台的实现方案；获得了比传统并联柔性平台更大的运动位移；不需使用传感器就可实现力的控制；降低了三自由度定位运动之间的耦合误差，采用柔性机构使定位精度可达纳米级。

由此可见，本发明提供的新型三维恒力并联柔性微定位平台，采用并联结构实现运动解耦，使该定位平台具有三维的X-Y-Z方向三个独立的自由度。同时，利用柔性铰链连接避免了传统连接的缺点，以实现高精度定位。

另外，采用普通梁和双稳态梁的组合实现平台的恒力输出，减小了物理尺寸大小，减轻了对电机驱动力的需求，大大降低了制造成本。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.三维恒力并联柔性微定位平台，用于在三维空间内的指定方向提供恒力输出，包括主框架以及位于所述主框架内的力输入机构、力输出机构、用于连接所述力输入机构和所述力输出机构并传导作用力的恒力机构，其特征在于：

所述恒力机构包括并联板簧机构以及与所述并联板簧机构分别连接的X向恒力机构、Y向恒力结构、Z向恒力机构，所述X向恒力机构、Y向恒力机构、Z向恒力机构之间相互正交，所述X向恒力机构包括相互串联的第一负刚度机构和第一板簧柔性结构，所述Y向恒力机构包括相互串联的第二负刚度机构和第二板簧柔性结构，所述Z向恒力机构包括相互串联的第三负刚度机构和第三板簧柔性结构。

2.根据权利要求1所述的三维恒力并联柔性微定位平台，其特征在于：

所述力输入机构包括X轴方向设置的第一驱动电机、Y轴方向设置的第二驱动电机、Z轴方向设置的第三驱动电机。

3.根据权利要求2所述的三维恒力并联柔性微定位平台，其特征在于：

所述第一板簧柔性结构具有第一驱动开口，所述第一驱动电机的驱动部位于所述第一驱动开口内并且与所述第一板簧柔性结构的从动部相抵接，所述第一板簧柔性结构与所述第一负刚度机构相抵接，所述第一负刚度机构与所述并联板簧机构连接。

4.根据权利要求2所述的三维恒力并联柔性微定位平台，其特征在于：

所述第二板簧柔性结构具有第二驱动开口，所述第二驱动电机的驱动部位于所述第二驱动开口内并且与所述第二板簧柔性结构的从动部相抵接，所述第二板簧柔性结构与所述第二负刚度机构相抵接，所述第二负刚度机构与所述并联板簧机构连接。

5.根据权利要求2所述的三维恒力并联柔性微定位平台，其特征在于：

所述第三板簧柔性结构具有第三驱动开口，所述第三驱动电机的驱动部位于所述第三驱动开口内并且与所述第三板簧柔性结构的从动部相抵接，所述第三板簧柔性结构与所述第三负刚度机构相抵接，所述第三负刚度机构与所述并联板簧机构连接。

6.根据权利要求1至5任一项所述的三维恒力并联柔性微定位平台，其特征在于：

所述第一板簧柔性结构、所述第二板簧柔性结构均为一个折叠式板簧柔性铰链，所述第三板簧柔性结构为对称设置的两个折叠式板簧柔性铰链。

7.根据权利要求1至5任一项所述的三维恒力并联柔性微定位平台，其特征在于：

所述第一负刚度机构、所述第二负刚度机构均为一个倾斜板簧柔性结构，所述第三负刚度机构为对称设置的两个倾斜板簧柔性结构。

8.根据权利要求1至5任一项所述的三维恒力并联柔性微定位平台，其特征在于：

所述并联板簧机构包括五个相互连接的并联板簧式柔性铰链。

9.根据权利要求2所述的三维恒力并联柔性微定位平台，其特征在于：

所述第一驱动电机、所述第二驱动电机、所述第三驱动电机均为线性音圈电机。

10.根据权利要求8所述的三维恒力并联柔性微定位平台，其特征在于：

所述X向恒力机构还包括第四负刚度机构，所述第四负刚度机构的一端与所述主框架的一侧连接，所述第四负刚度机构的另一端与所述并联板簧机构连接；所述Y向恒力机构还包括第五负刚度机构，所述第五负刚度机构的一端与所述主框架的另一侧连接，所述第五负刚度机构的另一端与所述并联板簧机构连接。