CN112476373A - 空间6-rrrr柔顺并联纳米定位平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空间6‑RRRR柔顺并联纳米定位平台，包括第一固定基座、第二固定基座、末端执行器、六条运动支链、六支电容传感器和六支压电驱动器；运动支链包括安装于第一固定基座的三条第一运动支链和安装于第二固定基座的三条第二运动支链；第一运动支链与第二运动支链均包括四个由柔性铰链构成的柔性转动副，柔性铰链之间通过柔性杆件连接；第一运动支链和第二运动支链均与末端执行器连接。采用多条运动支链全并联方案，两两之间相互独立地传递纳米级位移，使得末端执行器在刚度、固有频率、速度、精度、耦合特性、抵抗变形能力等具有优势，实现更优异的性能图谱；六条运动支链组成单元相同，结构工整对称，易于精准建模。

Description

空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台
技术领域
本发明涉及纳米定位领域，更具体地，涉及空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台。
背景技术
柔性铰链，利用结构中薄弱部分易于变形的特点，以及材料自身的可逆性弹性变形特性，实现所要求的运动副功能，具有免装配、零间隙、无摩擦与免润滑等优点。使用柔性铰链替代传统的运动副，构成柔顺机构，能够实现微位移传递与导向等功能。压电驱动器具有高精度、大刚度、高频响等特性，输出位移分辨率达亚纳米级。压电驱动柔顺机构，广泛应用于空间多自由度纳米定位平台，是超精密加工机床刀具伺服装置、微纳操作样品台、原子力显微测量扫描台、纳米压印工作台、光纤对接承载台等领域关键共性基础部件。
现有空间柔顺纳米定位平台以串联或混联的构型为主，并联构型有限，其末端执行器在多个自由度的输出性能(例如刚度、速度、精度等)受到传统构型等因素的限制，性能图谱(包含末端执行器工作空间、耦合特性、带宽、输出刚度、速度、误差放大能力、抵抗变形能力等)局限性明显。依据机构学理论，在有限的设计空间内，采用全并联构型的机构，在实现高速度、高精度、大承载能力和高可靠性等方面，具有突出的优势，为优化性能图谱提供了一条可行的技术路线。
公开号为“CN108527334A”，公开日为2018年9月14日的中国专利文件，公开了一种多自由度柔顺并联机构，采用平面3RRR与竖直1RR结合的构型，实现空间纳米定位。但由于其末端执行器内嵌于平面3RRR机构内，各支链耦合系数大，末端执行器固有频率低，多支链结构的不对称性，增加了建模的复杂度，导致末端执行器性能图谱受限。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中末端执行器性能图谱受限的问题，提供空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台，在有限的设计空间内，令末端执行器的性能图谱的多个指标实现进一步的提升。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台，包括第一固定基座、第二固定基座、末端执行器、六条运动支链、六支用于测量所述末端执行器位移的电容传感器和分别驱动所述运动支链运动的六支压电驱动器；所述运动支链包括安装于所述第一固定基座的三条第一运动支链和安装于所述第二固定基座的三条第二运动支链，所述第一运动支链与所述第二运动支链呈空间正交分布；所述第一运动支链与所述第二运动支链均包括四个由柔性铰链构成的柔性转动副，依次为第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链和第四柔性铰链，柔性铰链之间通过柔性杆件进行连接；所述第一运动支链和所述第二运动支链的一端分别与所述压电驱动器连接，另一端均与所述末端执行器连接。
在上述技术方案中，每一条运动支链都连接有一支压电驱动器。压电驱动器推动运动支链的柔性杆件运动，使得第一柔性铰链产生微角度，继而沿柔性杆件与第二柔性铰链、第三柔性铰链和第四柔性铰链传递到末端执行器，使得末端执行器具备空间多个自由度的运动能力，电容传感器测量末端执行器的输出位移量。每条运动支链的运动都是独立进行的，所有的运动支链都处于并联的状态，两两之间相互独立地传递纳米级位移，使得末端执行器在耦合特性、速度、精度、刚度、抵抗变形能力、带宽等具有优势，实现更为优异的性能图谱；同时，所有的运动支链均包括四个柔性铰链，结构工整对称，易于精准建模。
优选的，所述第一运动支链与所述末端执行器一体成型，所述第二运动支链通过紧固件与所述末端执行器固定连接。平面内一体化成型，实现无间隙、免装配；平面外采用紧固件连接，降低加工成本，能够使用常规机加工方式制造。
优选的，所述第二运动支链的末端设置有连接块，并通过所述连接块与所述末端执行器连接。
优选的，所述第一运动支链水平设置，所述第二运动支链竖直设置，所述第二运动支链正交穿过所述第一运动支链，使得尺寸更加紧凑，缩减整体体积。
优选的，所述第一运动支链和所述第二运动支链均围绕所述第一固定基座的中心圆周等距分布，使得定位平台的结构工整对称，设计简洁。
优选的，所述柔性铰链为直圆型、角圆型、直梁型、双曲线型、抛物线形、V型、椭圆型、十字簧片型或混合型等可提供转动能力的柔性铰链。
优选的，所述电容传感器安装于所述第一固定基座上，包括与所述第一运动支链数量相等的水平方向电容传感器和与所述第二运动支链数量相等的竖直方向电容传感器；所述水平方向电容传感器与所述第一运动支链一一对应，所述竖直方向电容传感器与所述第二运动支链一一对应。竖直方向电容传感器测量末端执行器在竖直方向上的位移，水平方向电容传感器测量末端执行器水平方向上的位移，每支电容传感器分别对应一条运动支链，从而实现对每条运动支链带动末端执行器运动的精准测量。
优选的，所述第一固定基座通过连接板与所述第二固定基座连接。连接板通过沉槽、定位销钉与螺钉等紧固件，分别与第一固定基座和第二固定基座连接，采用这样的结构构建空间多自由度纳米定位平台，制造成本低。
优选的，所述第一运动支链靠近所述末端执行器的第四柔性铰链的转轴线平行于所述第一固定基座，所述第一运动支链的第一柔性铰链、第二柔性铰链和第三柔性铰链的转轴线均垂直于所述第一固定基座。所述第二运动支链的柔性铰链的转轴线均平行与所述第二固定基座，所述第二运动支链靠近所述末端执行器的第三柔性铰链和第四柔性铰链的转轴线呈正交关系。令末端执行器可以实现空间六自由度运动，同时使结构更紧凑。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用六条运动支链全并联方案，两两之间相互独立地传递纳米级位移，使得末端执行器在刚度、固有频率、速度、精度、耦合特性、抵抗变形能力等具有优势，实现更为优异的性能图谱；同时，运动支链均包含四个柔性转动副与三根柔性杆件，结构工整对称，易于精准建模。
附图说明
图1是本发明的空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台的机构简图。
图2是本发明的空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台的爆炸图；
图3是本发明的第一运动支链的结构示意图；
图4是本发明的第一固定基座的结构示意图；
图5是本发明的第二运动支链的结构示意图；
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，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；对于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。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
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”“长”“短”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。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例1
如图1-5所示为空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台的实施例，包括第一固定基座1、第二固定基座2、末端执行器3、六条运动支链、六个用于测量末端执行器3位移的电容传感器和分别驱动运动支链运动的六支压电驱动器5；运动支链包括安装于第一固定基座1的三条第一运动支链6和安装于第二固定基座2的三条第二运动支链7，第一运动支链6与第二运动支链7呈空间正交分布；第一运动支链6与第二运动支链7均包括四个由柔性铰链构成的柔性转动副，依次为第一柔性铰链8、第二柔性铰链9、第三柔性铰链10和第四柔性铰链11，柔性铰链之间通过柔性杆件12进行连接；第一运动支链6和第二运动支链7均与末端执行器3连接。第一固定基座1上设置有用于安装压电驱动器5的安装槽101、运动支链输入端102和运动支链导向副103，其中第二固定基座2上也设置有运动支链输入端和运动支链的导向副。其中，第一固定基座1的结构为现有结构，此处不作详细描述。
其中，第一运动支链6与末端执行器3一体成型，第二运动支链7的末端设置有连接块701，连接块701通过紧固件与末端执行器3固定连接。
具体的，第一运动支链6水平设置，第二运动支链7竖直设置，第二运动支链7正交穿过第一运动支链6，使得尺寸更加紧凑，有利于缩减整体体积。
其中，第一运动支链6和第二运动支链7均围绕第一固定基座1的中心圆周等距分布，使得定位平台的结构对称，设计更加简洁。
具体的，电容传感器安装于第一固定基座1上，包括与第一运动支链6数量相等的水平方向电容传感器13和与第二运动支链7数量相等的竖直方向电容传感器14；水平方向电容传感器13与第一运动支链6一一对应，竖直方向电容传感器14与第二运动支链7一一对应。竖直方向电容传感器14测量末端执行器3在竖直方向上的位移，水平方向电容传感器13测量末端执行器3水平方向上的位移，每支电容传感器分别对应一条运动支链，从而实现对每条运动支链带动末端执行器3运动的精准测量。
在本实施例中，空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台的另一实施例，本实施例与实施例1的区别在于，第一运动支链6靠近末端执行器3的第四柔性铰链11的转轴线平行于第一固定基座1，第一运动支链6的第一柔性铰链8、第二柔性铰链9和第三柔性铰链10的转轴线均垂直于第一固定基座1。第二运动支链7的柔性铰链的转轴线均平行与第二固定基座2，第二运动支链7靠近末端执行器3的第三柔性铰链10和第四柔性铰链11的转轴线呈正交关系。令末端执行器可以实现空间六自由度运动，同时使结构更紧凑。
另外的，第一固定基座1通过连接板4与第二固定基座2连接。连接板4通过沉槽、定位销钉与螺钉等紧固件，分别与第一固定基座1和第二固定基座2连接，采用这样的结构构建空间多自由度纳米定位平台，制造成本低。
本实施例的工作原理或工作流程：每一条运动支链都连接有一支压电驱动器5。以其中一条运动支链为例，压电驱动器5固定在安装槽101上，产生纳米级直线位移，推动运动支链输入端102向前移动。导向转动副确保运动支链输入端102的运动方向，从而推动运动支链的柔性杆件12运动，使得第一柔性铰链8产生微角度，继而沿柔性杆件12与第二柔性铰链9、第三柔性铰链10和第四柔性铰链11传递到末端执行器3，使得末端执行器3具备空间多个自由度的运动能力，电容传感器测量末端执行器3的输出位移量。每条运动支链的运动都是独立进行的，所有的运动支链都处于并联的状态，两两之间相互独立地传递纳米级位移，使得末端执行器3在耦合特性、速度、精度、刚度、抵抗变形能力、带宽等具有优势，实现更为优异的性能图谱；同时，所有的运动支链均包括四个柔性铰链和三根柔性杆件12，结构工整对称，易于精准建模。
本实施例的有益效果：本发明采用多条运动支链全并联方案，两两之间相互独立地传递纳米级位移，使得末端执行器在刚度、固有频率、速度、精度、耦合特性、抵抗变形能力等具有优势，实现更为优异的性能图谱；同时，运动支链均包含四个柔性转动副与三根柔性杆件12，结构工整对称，易于精准建模。
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 (10)

1.空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台，包括第一固定基座(1)、第二固定基座(2)、末端执行器(3)、六条运动支链、六支用于测量所述末端执行器(3)位移的电容传感器和分别驱动所述运动支链运动的六支压电驱动器(5)；所述运动支链包括安装于所述第一固定基座(1)的三条第一运动支链(6)和安装于所述第二固定基座(2)的三条第二运动支链(7)，所述第一运动支链(6)与所述第二运动支链(7)呈空间正交分布；其特征在于，所述第一运动支链(6)与所述第二运动支链(7)均包括三个柔性杆件(12)和四个由柔性铰链构成的柔性转动副，依次为第一柔性铰链(8)、第二柔性铰链(9)、第三柔性铰链(10)和第四柔性铰链(11)，柔性铰链之间通过柔性杆件(12)进行连接；所述第一运动支链(6)和所述第二运动支链(7)的一端分别与所述压电驱动器(5)连接，另一端均与所述末端执行器(3)连接。
2.根据权利要求1所述的空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台，其特征在于，所述第一运动支链(6)与所述末端执行器(3)一体成型，所述第二运动支链(7)通过紧固件与所述末端执行器(3)固定连接。
3.根据权利要求2所述的空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台，其特征在于，所述第二运动支链(7)的末端设置有连接块(701)，并通过所述连接块(701)与所述末端执行器(3)连接。
4.根据权利要求1所述的空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台，其特征在于，所述第一运动支链(6)水平设置，所述第二运动支链(7)竖直设置，所述第二运动支链(7)正交穿过所述第一运动支链(6)。
5.根据权利要求4所述的空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台，其特征在于，所述第一运动支链(6)和所述第二运动支链(7)围绕所述第一固定基座(1)的中心圆周等距分布。
6.根据权利要求5所述的空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台，其特征在于，所述柔性铰链为直圆型、角圆型、直梁型、双曲线型、抛物线形、V型、椭圆型、十字簧片型或混合型中的一种。
7.根据权利要求5所述的空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台，其特征在于，所述电容传感器安装于所述第一固定基座(1)上，包括与所述第一运动支链(6)数量相等的水平方向电容传感器(12)和与所述第二运动支链(7)数量相等的竖直方向电容传感器(13)；所述水平方向电容传感器(12)与所述第一运动支链(6)一一对应，所述竖直方向电容传感器(13)与所述第二运动支链(7)一一对应。
8.根据权利要求所述1的空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台，其特征在于，所述第一固定基座(1)通过连接板(4)与所述第二固定基座(2)连接。
9.根据权利要求1-8任一所述的空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台，其特征在于，所述第一运动支链(6)靠近所述末端执行器(3)的第四柔性铰链的转轴线平行于所述第一固定基座(1)，所述第一运动支链(6)的第一柔性铰链、第二柔性铰链和第三柔性铰链的转轴线均垂直于所述第一固定基座(1)。
10.根据权利要求9所述的空间6-RRRR柔顺并联纳米定位平台，其特征在于，所述第二运动支链(7)的柔性铰链的转轴线均平行与所述第二固定基座(2)，所述第二运动支链(7)靠近所述末端执行器(3)的第三柔性铰链和第四柔性铰链的转轴线呈正交关系。
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