CN1110122C - 微小型一体化平面精密运动机构及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微小型一体化平面精密运动机构及其装置，包括运动台面、柔性铰链杠杆机构、箝位件和固定底板。柔性铰链杠杆机构由压电/电致伸缩致动件、中心联接件、四个支撑杠杆、四个边框杠杆与四个边框架联接件通过柔性铰链连接而成。该机构由于减少驱动件的数量有利于驱动控制，适合点到点的微进给定位。对称结构有利于保证机构沿X、Y轴运动的方向性。结构简单紧凑易于微小型化，不仅可用于XYθ超精密工作台，亦可用于微小型平动机器人。
Description
本发明涉及一种微小型一体化平面精密运动机构及其装置，属精密机械及超精密运动控制技术领域。
在精密机械及超精密运动控制技术领域，当运动分辨率达到亚微米级甚或纳米级时，固体致动器特别是压电/电致伸缩致动器在进给定位机构或系统中凸现出优势。
压电/电致伸缩致动器件由于其位移分辨率高、减少中间运动传递部件、效率高、刚度大、响应快等优点，已广泛应用于微进给定位机构或系统。
采用压电/电致伸缩致动的微进给定位机构或系统，不但可以实现一维直线运动，而且通过巧妙的机构设计，还可实现旋转运动、二维平面运动甚或三维位移等。从而使压电/电致伸缩致动的微进给定位技术不断拓宽其应用范围。
在压电/电致伸缩致动的微进给定位或超精密机构或系统中，通常采用柔性铰链杠杆机构与压电/电致伸缩致动件结合以保证高分辨率的位移输出。但通常直接利用压电/电致伸缩致动变形的机构或系统有其明显的缺点，即行程小，至多数10微米。
蠕动机构的发明问世，巧妙地克服了行程小的缺点。典型的蠕动式步进马达(inchworm motor)的主要构件包括主轴、圆筒状轴向伸缩压电件及其两端的径向箝位夹紧用压电陶瓷管。当主轴为运动部件时，压电件和径向箝位夹紧件的组合体相对固定；若主轴固定，压电件和径向箝位夹紧件的组合体沿主轴轴向运动。
以主轴为运动部件，左箝位件固联于基座，压电件和右箝位件与左箝位件联接的结构为例，初始状态为左、右箝位件夹紧主轴，其运动原理如下：(1)首先使左箝位件径向松开主轴，而右箝位件此时径向收缩夹紧主轴；(2)驱动压电件沿轴向伸长，带动主轴右进一步；(3)使左箝位件径向收缩夹紧主轴，然后右箝位件径向松开；(4)使压电件沿轴向收缩；(5)再使右箝位件径向收缩夹紧主轴，回复到初始状态。循环步骤(1)-步骤(5)的操作，即可实现主轴的直线步进运动。其反向运动可通过改变轴向伸缩压电件、以及左、右径向箝位夹紧用压电陶瓷管的操作控制顺序实现。
主轴的行程仅取决于主轴的长度。移动速度可通过改变加于轴向伸缩压电件上的电压幅值以及控制压电件、左右径向箝位夹紧件的动作频率来调节。
为实现二维甚或多维微动机构，在小位移范围内，不管是分层还是一体结构，通常在每一维运动方向对应配置一压电/电致伸缩致动件进行驱动。而在实现较大运动位移输出的场合，亦导入了蠕动运动原理。其实现方法基本是一维蠕动机构的延伸，即使是一体结构，至少在每一维运动方向对应配置一个压电/电致伸缩致动件和二个辅助箝位件进行驱动。
迄今平面多维蠕动式压电/电致伸缩致动微进给机构的一体化结构设计，尽管有利于在保持高位移分辨率的同时实现较大位移行程，但压电/电致伸缩致动件和辅助箝位件在数量上的增加既不利于运动控制，又不适于结构的微小型化。
本发明的目的是设计一种微小型一体化平面精密运动机构。采用压电/电致伸缩致动与柔性铰链杠杆机构结合，基于一种新颖的平面蠕动原理，在保持高位移分辨率的同时实现大的位移行程。该机构的特点在于以1个压电/电致伸缩主致动件、辅之以4个箝位件即可实现平面三维XYθ运动。结构紧凑易于微小型化，不仅可用于XYθ超精密工作台，亦可用于微小型平动机器人。
本发明设计的微小型一体化平面精密运动机构，包括杠杆ab、oc，铰链o、a、b、c，压电/电致伸缩致动件以及中心箝位件、x方向箝位件、y方向箝位件和θ方向箝位件。杠杆和绞链组成直角三角形oab、oac、obc。伸缩致动件置于中心箝位件和x方向箝位件之间。中心箝位件与铰链o固联，x方向箝位件与铰链a固联，y方向箝位件与铰链b固联，θ方向箝位件与杠杆oc固联。
根据上述运动机构，本发明设计了平面精密运动装置，该装置包括运动台面、柔性铰链杠杆机构、箝位件和固定底板。柔性铰链杠杆机构由压电/电致伸缩致动件、中心联接件、四个支撑杠杆、四个边框杠杆与四个边框架联接件通过柔性铰链连接而成。压电/电致伸缩致动件位于中心联接件和边框架联接件之间；运动台面通过中心联接件固联于柔性铰链机构之上；箝位件包括中心箝位件、x向箝位件、y向箝位件和θ向箝位件，x向箝位件、y向箝位件分别与边框架联接件固联，中心箝位件与中心联接件固联，θ向箝位件与支撑杠杆固联；由运动台面、柔性铰链杠杆机构和箝位件相互联结构成的运动机构置于固定底板之上。
上述的平面精密运动装置中，压电/电致伸缩致动件还可以置于中心联接件之上，与两端的边框连接件相联。也可以有二个压电/电致伸缩致动件，分别对称置于中心联接件的二侧，各与中心联接件和边框连接件相联。
本发明的微小型一体化平面精密运动装置，还可以有另外一种结构形式，其中的一种为：该装置包括运动台面、柔性铰链杠杆机构、箝位件和固定底板。柔性铰链杠杆机构由压电/电致伸缩致动件、中心联接件、四个支撑杠杆、四个边框杠杆与四个边框架联接件通过柔性铰链连接而成。压电/电致伸缩致动件置于中心联接件之上，与两端的边框连接件相联；运动台面通过中心联接件固联于柔性铰链机构之上；箝位件包括中心箝位件、x向箝位件和y向箝位件，x向箝位件、y向箝位件分别与边框架联接件固联，中心箝位件与中心联接件固联；由运动台面、柔性铰链杠杆机构和箝位件相互联结构成的运动机构置于固定底板之上。
本发明的微小型一体化平面XYθ精密运动机构，采用压电/电致伸缩致动与柔性铰链杠杆机构结合，基于一种新颖的平面蠕动原理，在保持高位移分辨率的同时实现大的位移行程。该机构的特点在于以一个压电/电致伸缩主致动件、辅之以四个箝位件即可实现平面三维XYθ运动。
该机构设计由于减少驱动件的数量有利于驱动控制，适合点到点的微进给定位。对称结构有利于保证机构沿X、Y轴运动的方向性。结构简单紧凑易于微小型化，不仅可用于XYθ超精密工作台，亦可用于微小型平动机器人。
附图说明：
图1是本发明设计的运动机构结构示意图。
图2是本发明的平面精密运动装置结构示意图。
图3是图2的俯视图。
图4和图5是图2的平面精密运动装置的另外二种结构形式。
图6是本发明设计的精密运动装置的另一种结构示意图。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。
图1-图6中，1是压电/电致伸缩致动件，2是柔性铰链杠杆机构，其中21是边框架杠杆(对称4个)，22是柔性铰链(共16个)，23是支撑杠杆(对称4个)，24是边框架联接件(对称4个)，25是中心联接件，3是中心箝位件，其中31是电磁磁芯，32是电磁线圈，4是X方向箝位件，41是电磁磁芯，42是电磁线圈，5是Y方向箝位件，51是电磁磁芯，52是电磁线圈，6是θ方向箝位件，其中61是电磁磁芯，62是电磁线圈，7是运动台面，8是固定底面。
图1是本发明的微小型一体化的平面XYθ精密运动机构所基于的平面蠕动原理，其基本设计思路是利用单一的压电/电致伸缩致动件配以适当的箝位夹紧机构实现XYθ三自由度的位置调控。
如图1所示，杠杆21、23和铰链22(包括o、a、b、c)构成等腰直角三角形oab、oac、obc结构。设oa、ob分别沿X、Y轴方向，如果在o、a之间置一压电/电致伸缩致动件1，使铰链a相对铰链o沿X方向产生一正向位移，则铰链b将相对铰链o沿Y方向产生一负向等量位移，同时杠杆23将绕铰链o顺时针偏转一角度；反之，若使铰链a相对铰链o沿X方向产生一负向位移，则铰链b将相对铰链o沿Y方向产生一正向等量位移，同时杠杆23将绕铰链o逆时针偏转一角度。这就是本发明的基本运动原理。
进一步，如图1所示，在铰链22(包括o、a、b)和杠杆23上分别固联箝位夹紧机构3、4、5和6，压电/电致伸缩致动件1被放置在箝位夹紧件3和4之间，就构成了可实现大位移行程的平面蠕动机构。基本工作原理如下：
(1)X方向运动
使Y方向箝位夹紧件5和θ旋转方向箝位夹紧件6处于松位状态，依靠压电/电致伸缩致动件1、中心箝位夹紧件3和X方向箝位夹紧件4的动作控制实现。
首先使中心箝位夹紧件3箝位，X方向箝位夹紧件4松位；驱动压电/电致伸缩致动件1伸长；再使X方向箝位夹紧件4箝位，中心箝位夹紧件3松位；卸去加于压电/电致伸缩致动件1上的电压使其回复至原来长度，带动整个机构右移一步；又使中心箝位夹紧件3箝位，X方向箝位夹紧件4松位，机构回复初始状态，完成X方向的一步进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位件3、4和压电/电致伸缩致动件1的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电/电致伸缩致动件1的电压波形，亦可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
(2)Y方向运动
X方向箝位夹紧件4和θ旋转方向箝位夹紧件6松位，依靠压电/电致伸缩致动件1、中心箝位夹紧件3和Y方向箝位夹紧件5的动作控制实现。
首先使中心箝位夹紧件3箝位，Y方向箝位夹紧件5松位；驱动压电/电致伸缩致动件1伸长；再使Y方向箝位夹紧件5箝位，中心箝位夹紧件3松位；卸去加于压电/电致伸缩致动件1上的电压使其回复至原来长度，带动整个机构沿Y方向下移一步；又使中心箝位夹紧件3箝位，Y方向箝位夹紧件5松位，机构回复初始状态，完成Y方向的一步进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位机构和压电/电致伸缩致动件的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电/电致伸缩致动件的电压波形，亦可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
(3)θ方向运动
X方向箝位夹紧件4和Y方向箝位夹紧件5松位，依靠压电/电致伸缩致动件1、中心箝位夹紧件3和θ方向箝位夹紧件6的动作控制实现。
首先使中心箝位夹紧件3箝位，θ方向箝位夹紧件6松位；驱动压电/电致伸缩致动件1伸长；再使θ方向箝位夹紧件6箝位，中心箝位夹紧件3松位；卸去加于压电/电致伸缩致动件1上的电压使其回复至原来长度，带动整个机构绕铰链o沿θ方向偏转一角度；又使中心箝位夹紧件3箝位，θ方向箝位夹紧件6松位，机构回复初始状态，完成θ方向的一步旋转进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位机构和压电/电致伸缩致动件的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电/电致伸缩致动件的电压波形，亦可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
实际上，在实现上述运动原理的机构设计时，杠杆21、23和铰链22(包括o、a、b、c)构成的等腰直角三角形oab、oac、obc结构的条件还可以放宽，只要保证杠杆23的延长线与经a、b点且分别平行于X、Y轴的直线交于一点d即可。
基于上述平面蠕动原理，本发明的微小型一体化平面精密运动装置的基本结构如图2所示。主要由柔性铰链杠杆机构2，箝位夹紧件3、4、5和6，工作台面7以及固定底板8构成。
对应图1所示的平面蠕动原理结构，压电/电致伸缩致动件1内嵌于包含杠杆21、23和柔性铰链22的柔性铰链杠杆机构2中，而在柔性铰链杠杆机构2的下方位置固连箝位夹紧件3、4、5和6。图2所示为沿Y方向的侧视图，图中仅示出中心箝位件3和X方向箝位件4。箝位件的动作控制可采用电磁驱动，由磁芯和线圈构成。当控制电流通过线圈时，电磁引力使磁芯和底板8构成闭合磁路，箝位夹紧于底板8上；不通电时，处于松位状态。
工作台面7固连于柔性铰链杠杆机构2中的中心联接件25上。这样压电/电致伸缩致动件1，柔性铰链杠杆机构2，箝位夹紧件3、4、5和6与工作台面7固连于一体，构成的XYθ精密运动机构在固定底板8上平动。
若使整个机构倒放，工作台7作为固定底板，这时底板8亦可作为运动台面进行XYθ精密运动。
图3是本发明的微小型一体化平面XYθ精密运动装置的第一种结构示意图。图中所示为包含压电/电致伸缩致动件1的柔性铰链杠杆机构2的具体结构俯视图，在其下方固连的中心箝位夹紧件3、X方向箝位夹紧件4、Y方向箝位夹紧件5和θ方向箝位夹紧件6分别用虚线框示出。
作为机构主驱动件的压电/电致伸缩致动件1通过与铰链杠杆机构的过盈配合予紧嵌于铰链杠杆机构2内，位于中心箝位夹紧件3和X方向箝位夹紧件4之间，两端分别与中心联接件25和边框架联接件24联结。铰链杠杆机构2呈对称结构，由四个边框架杠杆21，四个支撑杠杆23，中心联接件25，四个边框架联接件24通过十六个柔性铰链22联结而成。该结构设计有利于保证机构沿X、Y轴运动的方向性。
该机构的平面蠕动原理如下：
(1)X方向运动
使Y方向箝位夹紧件5和θ旋转方向箝位夹紧件6处于松位状态，依靠压电/电致伸缩致动件1、中心箝位夹紧件3和X方向箝位夹紧件4的动作控制实现。
首先使中心箝位夹紧件3箝位，X方向箝位夹紧件4松位；驱动压电/电致伸缩致动件1伸长；再使X方向箝位夹紧件4箝位，中心箝位夹紧件3松位；卸去加于压电/电致伸缩致动件1上的电压使其回复至原来长度，带动整个机构右移一步；又使中心箝位夹紧件3箝位，X方向箝位夹紧件4松位，机构回复初始状态，完成X方向的一步进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位件3、4和压电/电致伸缩致动件1的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电/电致伸缩致动件1的电压波形，亦可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
(2)Y方向运动
X方向箝位夹紧件4和θ旋转方向箝位夹紧件6松位，依靠压电/电致伸缩致动件1、中心箝位夹紧件3和Y方向箝位夹紧件5的动作控制实现。
首先使中心箝位夹紧件3箝位，Y方向箝位夹紧件5松位；驱动压电/电致伸缩致动件1伸长；再使Y方向箝位夹紧件5箝位，中心箝位夹紧件3松位；卸去加于压电/电致伸缩致动件1上的电压使其回复至原来长度，带动整个机构沿Y方向下移一步；又使中心箝位夹紧件3箝位，Y方向箝位夹紧件5松位，机构回复初始状态，完成Y方向的一步进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位机构和压电/电致伸缩致动件的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电/电致伸缩致动件的电压波形，亦可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
(3)θ方向运动
X方向箝位夹紧件4和Y方向箝位夹紧件5松位，依靠压电/电致伸缩致动件1、中心箝位夹紧件3和θ方向箝位夹紧件6的动作控制实现。
首先使中心箝位夹紧件3箝位，θ方向箝位夹紧件6松位；驱动压电/电致伸缩致动件1伸长；再使θ方向箝位夹紧件6箝位，中心箝位夹紧件3松位；卸去加于压电/电致伸缩致动件1上的电压使其回复至原来长度，带动整个机构绕铰链o沿θ方向偏转一角度；又使中心箝位夹紧件3箝位，θ方向箝位夹紧件6松位，机构回复初始状态，完成θ方向的一步旋转进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位机构和压电/电致伸缩致动件的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电/电致伸缩致动件的电压波形，亦可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
图4是本发明的微小型一体化平面XYθ精密运动装置的第二种结构示意图。图中所示为包含压电/电致伸缩致动件1的柔性铰链杠杆机构2的具体结构俯视图，在其下方固连的中心箝位夹紧件3、X方向箝位夹紧件4、Y方向箝位夹紧件5和θ方向箝位夹紧件6分别用虚线框示出。该XYθ精密运动机构的基本结构原理与图3类同，不同特征是使用二个压电/电致伸缩致动件1，沿X轴方向予紧嵌于铰链杠杆机构2中。这样使结构更趋对称，从而提高机构沿X、Y轴的运动方向性。但在该机构中每步位移输出量仍是一个压电/电致伸缩致动件1的变形量。
作为机构主驱动件的两个压电/电致伸缩致动件1通过与铰链杠杆机构的过盈配合予紧嵌于铰链杠杆机构2内，两端分别与中心联接件25和边框架联接件24联结。铰链杠杆机构2呈对称结构，由四个边框架杠杆21，四个支撑杠杆23，中心联接件25，四个边框架联接件24通过十六个柔性铰链22联结而成。
该机构的平面蠕动原理如下：
(1)X方向运动
使Y方向箝位夹紧件5和θ旋转方向箝位夹紧件6处于松位状态，依靠压电/电致伸缩致动件1、中心箝位夹紧件3和X方向箝位夹紧件4的动作控制实现。
首先使中心箝位夹紧件3箝位，X方向箝位夹紧件4松位；驱动压电/电致伸缩致动件1伸长；再使X方向箝位夹紧件4箝位，中心箝位夹紧件3松位；卸去加于压电/电致伸缩致动件1上的电压使其回复至原来长度，带动整个机构右移一步；又使中心箝位夹紧件3箝位，X方向箝位夹紧件4松位，机构回复初始状态，完成X方向的一步进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位件3、4和压电/电致伸缩致动件1的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电/电致伸缩致动件1的电压波形，亦可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
(2)Y方向运动
X方向箝位夹紧件4和θ旋转方向箝位夹紧件6松位，依靠压电/电致伸缩致动件1、中心箝位夹紧件3和Y方向箝位夹紧件5的动作控制实现。
首先使中心箝位夹紧件3箝位，Y方向箝位夹紧件5松位；驱动压电/电致伸缩致动件1伸长；再使Y方向箝位夹紧件5箝位，中心箝位夹紧件3松位；卸去加于压电/电致伸缩致动件1上的电压使其回复至原来长度，带动整个机构沿Y方向下移一步；又使中心箝位夹紧件3箝位，Y方向箝位夹紧件5松位，机构回复初始状态，完成Y方向的一步进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位机构和压电/电致伸缩致动件的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电/电致伸缩致动件的电压波形，亦可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
(3)θ方向运动
X方向箝位夹紧件4和Y方向箝位夹紧件5松位，依靠压电/电致伸缩致动件1、中心箝位夹紧件3和θ方向箝位夹紧件6的动作控制实现。
首先使中心箝位夹紧件3箝位，θ方向箝位夹紧件6松位；驱动压电/电致伸缩致动件1申长；再使θ方向箝位夹紧件6箝位，中心箝位夹紧件3松位；卸去加于压电/电致伸缩致动件1上的电压使其回复至原来长度，带动整个机构绕铰链o沿θ方向偏转一角度；又使中心箝位夹紧件3箝位，θ方向箝位夹紧件6松位，机构回复初始状态，完成θ方向的一步旋转进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位机构和压电/电致伸缩致动件的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电/电致伸缩致动件的电压波形，亦可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
图5所示是本发明的微小型一体化平面XYθ精密运动装置的第三种结构示意图。图中所示为包含压电/电致伸缩致动件1的柔性铰链杠杆机构2的具体结构俯视图，在其下方固连的中心箝位夹紧件3、X方向箝位夹紧件4、Y方向箝位夹紧件5和θ方向箝位夹紧件6分别用虚线框示出。
作为机构主驱动件的压电/电致伸缩致动件1通过与铰链杠杆机构的过盈配合予紧嵌于铰链杠杆机构2内，位于中心联接件25上方，两端分别与对称的两个边框架联接件24联结。铰链杠杆机构2呈对称结构，由四个边框架杠杆21，四个支撑杠杆23，中心联接件25，四个边框架联接件24通过十六个柔性铰链22联结而成。该结构设计的压电/电致伸缩致动件1横穿中心联接件25且不与中心联接件25联接，使机构的每步位移输出量是压电/电致伸缩致动件的变形量的一半。
该机构的平面蠕动原理如下：
(1)X方向运动
使Y方向箝位夹紧件5和θ旋转方向箝位夹紧件6处于松位状态，依靠压电/电致伸缩致动件1、中心箝位夹紧件3和X方向箝位夹紧件4的动作控制实现。
首先使中心箝位夹紧件3箝位，X方向箝位夹紧件4松位；驱动压电/电致伸缩致动件1伸长；再使X方向箝位夹紧件4箝位，中心箝位夹紧件3松位；卸去加于压电/电致伸缩致动件1上的电压使其回复至原来长度，带动整个机构右移一步；又使中心箝位夹紧件3箝位，X方向箝位夹紧件4松位，机构回复初始状态，完成X方向的一步进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位件3、4和压电/电致伸缩致动件1的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电/电致伸缩致动件1的电压波形，亦可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
(2)Y方向运动
X方向箝位夹紧件4和θ旋转方向箝位夹紧件6松位，依靠压电/电致伸缩致动件1、中心箝位夹紧件3和Y方向箝位夹紧件5的动作控制实现。
首先使中心箝位夹紧件3箝位，Y方向箝位夹紧件5松位；驱动压电/电致伸缩致动件1伸长；再使Y方向箝位夹紧件5箝位，中心箝位夹紧件3松位；卸去加于压电/电致伸缩致动件1上的电压使其回复至原来长度，带动整个机构沿Y方向下移一步；又使中心箝位夹紧件3箝位，Y方向箝位夹紧件5松位，机构回复初始状态，完成Y方向的一步进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位机构和压电/电致伸缩致动件的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电/电致伸缩致动件的电压波形，亦可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
(3)θ方向运动
X方向箝位夹紧件4和Y方向箝位夹紧件5松位，依靠压电/电致伸缩致动件1、中心箝位夹紧件3和θ方向箝位夹紧件6的动作控制实现。
首先使中心箝位夹紧件3箝位，θ方向箝位夹紧件6松位；驱动压电/电致伸缩致动件1伸长；再使θ方向箝位夹紧件6箝位，中心箝位夹紧件3松位；卸去加于压电/电致伸缩致动件1上的电压使其回复至原来长度，带动整个机构绕铰链o沿θ方向偏转一角度；又使中心箝位夹紧件3箝位，θ方向箝位夹紧件6松位，机构回复初始状态，完成θ方向的一步旋转进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位机构和压电/电致伸缩致动件的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电/电致伸缩致动件的电压波形，亦可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
图6是本发明的用于微小型平动机器人的平面精密运动装置的结构示意图。图中所示为包含压电/电致伸缩致动件1的柔性铰链杠杆机构2的具体结构俯视图，在其下方固连的中心箝位夹紧件3、X方向箝位夹紧件4和Y方向箝位夹紧件5分别用虚线框示出。该精密运动机构的设计力求整个柔性铰链杠杆机构2的结构紧凑、易于微小型化，省去了θ旋转方向箝位夹紧件6。与图5相比，不同之处是将四根支撑杠杆23的配置角度改变。配置角度须满足的条件是：当机构运动时，杠杆21的瞬时旋转中心与沿杠杆23方向的延长线交于d点。
作为机构主驱动件的压电/电致伸缩致动件1通过与铰链杠杆机构的过盈配合予紧嵌于铰链杠杆机构2内，位于中心联接件25上方，两端分别与对称的两个边框架联接件24联结。铰链杠杆机构2呈对称结构，由四个边框架杠杆21，四个支撑杠杆23，中心联接件25，四个边框架联接件24通过十六个柔性铰链22联结而成。该结构设计的压电/电致伸缩致动件1横穿中心联接件25且不与中心联接件25联接，使机构的每步位移输出量是压电/电致伸缩致动件的变形量的一半。
该机构的平面蠕动原理如下：
(1)X方向运动
使Y方向箝位夹紧件5和θ旋转方向箝位夹紧件6处于松位状态，依靠压电/电致伸缩致动件1、中心箝位夹紧件3和X方向箝位夹紧件4的动作控制实现。
首先使中心箝位夹紧件3箝位，X方向箝位夹紧件4松位；驱动压电/电致伸缩致动件1伸长；再使X方向箝位夹紧件4箝位，中心箝位夹紧件3松位；卸去加于压电/电致伸缩致动件1上的电压使其回复至原来长度，带动整个机构右移一步；又使中心箝位夹紧件3箝位，X方向箝位夹紧件4松位，机构回复初始状态，完成X方向的一步进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位件3、4和压电/电致伸缩致动件1的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电/电致伸缩致动件1的电压波形，亦可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
(2)Y方向运动
X方向箝位夹紧件4和θ旋转方向箝位夹紧件6松位，依靠压电/电致伸缩致动件1、中心箝位夹紧件3和Y方向箝位夹紧件5的动作控制实现。
首先使中心箝位夹紧件3箝位，Y方向箝位夹紧件5松位；驱动压电/电致伸缩致动件1伸长；再使Y方向箝位夹紧件5箝位，中心箝位夹紧件3松位；卸去加于压电/电致伸缩致动件1上的电压使其回复至原来长度，带动整个机构沿Y方向下移一步；又使中心箝位夹紧件3箝位，Y方向箝位夹紧件5松位，机构回复初始状态，完成Y方向的一步进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位机构和压电/电致伸缩致动件的控制顺序，即可实现反向运动。控制加于压电/电致伸缩致动件的电压波形，亦可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
Claims (5)
1、一种微小型一体化平面精密运动机构，其特征在于，该机构包括第一杠杆(ab)、第二杠杆(oc)，第一铰链(o)、第二铰链(a)、第三铰链(b)、第四铰链(c)，压电/电致伸缩致动件以及中心箝位件、x方向箝位件、y方向箝位件和θ方向箝位件；所述的杠杆和绞链组成第一直角三角形(oab)、第二直角三角形(oac)、第三直角三角形(obc)；所述的伸缩致动件置于中心箝位件和x方向箝位件之间；所述的中心箝位件与第一铰链(o)固联，x方向箝位件与第二铰链(a)固联，y方向箝位件与第三铰链(b)固联，θ方向箝位件与第二杠杆(oc)固联。
2、一种微小型一体化平面精密运动装置，其特征在于该装置包括运动台面、柔性铰链杠杆机构、箝位件和固定底板；所述的柔性铰链杠杆机构由压电/电致伸缩致动件、中心联接件、四个支撑杠杆、四个边框杠杆与四个边框架联接件通过柔性铰链连接而成，所述的压电/电致伸缩致动件位于中心联接件和边框架联接件之间；运动台面通过中心联接件固联于柔性铰链机构之上；箝位件包括中心箝位件、x向箝位件、y向箝位件和θ向箝位件，x向箝位件、y向箝位件分别与边框架联接件固联，中心箝位件与中心联接件固联，θ向箝位件与支撑杠杆固联；由运动台面、柔性铰链杠杆机构和箝位件相互联结构成的运动机构置于固定底板之上。
3、如权利要求2所述的平面精密运动装置，其特征在于，其中所述的压电/电致伸缩致动件有二个，分别对称置于中心联接件的二侧，各与中心联接件和边框连接件相联。
4、如权利要求2所述的平面精密运动装置，其特征在于，其中所述的压电/电致伸缩致动件与两端的边框连接件相联。
5、一种微小型一体化平面精密运动装置，其特征在于该装置包括运动台面、柔性铰链杠杆机构、箝位件和固定底板；所述的柔性铰链杠杆机构由压电/电致伸缩致动件、中心联接件、四个支撑杠杆、四个边框杠杆与四个边框架联接件通过柔性铰链连接而成，所述的压电/电致伸缩致动件置于中心联接件之上，与两端的边框连接件相联；运动台面通过中心联接件固联于柔性铰链机构之上；箝位件包括中心箝位件、x向箝位件和y向箝位件，x向箝位件、y向箝位件分别与边框架联接件固联，中心箝位件与中心联接件固联；由运动台面、柔性铰链杠杆机构和箝位件相互联结构成的运动机构置于固定底板之上。
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