CN112720461B

CN112720461B - 可实现高精度、大行程和高频响的二自由度运动解耦柔顺机构

Info

Publication number: CN112720461B
Application number: CN202011425878.1A
Authority: CN
Inventors: 李海洋
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2040-12-09
Also published as: CN112720461A

Abstract

一种可实现高精度、大行程和高频响的二自由度运动解耦柔顺机构，包括主体运动模块、X向运动同步保持模块和Y向运动同步保持模块三部分模块，三部分分层布置。各层之间除连接位置外均设置有空隙以防止发生运动干涉；各层模块之间的连接采用螺钉连接、胶水粘结或焊接等方式，也可以通过3D打印的方式将整个三层结构一体化打印成型。本发明提供的二自由度运动解耦柔顺机构可在X和Y两个方向的运动解耦，每个运动方向上的两个输入模块运动一致性好，控制复杂度和难度相对比较低；各个解耦方向上的刚度相互独立，能够减少集中质量块的数量、几何结构对称，利于降低惯性力提高动态响应频率、驱动器热影响；便于对各个方向上的刚度进行独立调节。

Description

可实现高精度、大行程和高频响的二自由度运动解耦柔顺机构

技术领域

本发明属于先进制造和精密工程技术领域，涉及一种可实现高精度、大行程和高频响的二自由度运动解耦柔顺机构。

背景技术

随着科学和技术的不断发展，微电子制造、超精密机械制造、微机器人操作、精密测量光学仪器及生物医学操作等领域飞速发展，迫切需要能够在纳米级精度上进行定位和操作的系统和装备，另外还要求这些精密运动装备具有大行程和高频响等特性。

柔顺机构是没有刚性关节或刚性铰链的运动机构。与传统刚性机构相比，柔顺机构具有如下优点：免于装配，可以整体化设计和加工，故便于微型化制造；无回程误差，无间隙和磨损，因此可以实现高精度运动；无摩擦，无噪声，寿命高；无需润滑，避免污染；运动刚度可调，可用于能量存贮和转化。基于以上优点，柔顺机构是实现高精度、大行程和高频响运动的潜在解决方案。

具有平面二自由度平移运动的柔顺机构是一种非常重要的柔顺机构，其在精密工程，特别是微纳操作领域有着非常广泛的应用需求。然而，目前已经公开的平面二自由度运动柔顺机构还很难同时实现高精度、大行程和快速度的运动要求。因此，需要一种新的技术方案同时解决平面二自由度运动柔顺机构的高精度、大行程和快速度问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本申请提供一种具有运动解耦特性的二自由度平动柔顺机构，具备同时实现高精度、大行程和快速度的运动要求。本发明主要解决了二自由度微动柔顺机构的运动耦合问题，以及运动部分质量集中容易产生较大惯性力问题。

为了实现上述发明，本申请提出了如下解决方案：

一种可实现高精度、大行程和高频响的二自由度运动解耦柔顺机构，如图1所示，包括主体运动模块、X向运动同步保持模块和Y向运动同步保持模块三部分模块，三部分分层布置。从上到下依次为主体运动模块、X向运动同步保持模块、Y向运动同步保持模块，或者主体运动模块、Y向运动同步保持模块、X向运动同步保持模块。各层之间除连接位置外均设置有空隙以防止发生运动干涉。各层模块之间的连接采用螺钉连接、胶水粘结或焊接等方式，也可以通过3D打印的方式将整个三层结构一体化打印成型。

所述的二自由度运动解耦柔顺机构的整体结构为对X轴和Y轴都具备轴对称特征的方形结构，由刚性模块和柔性薄片组成。

所述的主体运动模块如图2所示，为一体化方形中空框架结构，包括位于1个中心位置的方形输出模块1、4个位于方形结构四个顶角处的基础模块、2个X向输入模块(6A、7B)的上半部分、2个Y向输入模块(8A、9B)的上半部分、多个与X向输入模块连接的X向柔性薄片和多个与Y向输入模块连接的Y向柔性薄片，其中，四个基础模块作为整个结构对外部的接口模块。所有柔性薄片的最窄边均在XY平面内或平行于XY平面，其中，XY平面为输出模块1上表面所在平面。所述的输出模块1平行于X轴的两个侧面通过X向柔性薄片与X向输入模块连接，输出模块1平行于Y轴的两个侧面通过Y向柔性薄片与Y向输入模块连接。所述两个X向输入模块在X运动方向对称布置，两个Y向输入模块在Y运动方向对称布置，且每个X向输入模块、Y向输入模块均设于与其相邻的两个基础模块中间。所述的X向输入模块与其相邻的两个基础模块之间通过X向柔性薄片连接，Y向输入模块与其相邻的基础模块之间通过Y向柔性薄片连接。

所述的X向运动同步保持模块如图3所示，Y向运动同步保持模块如图4所示，两个模块结构形式类似，但尺寸不同。所述尺寸的不同，是为了让X向运动同步保持模块或Y向运动同步保持模块能够分层连接到主体运动模块上，并保证X向运动同步保持模块中的两个X向柔性薄片(18、19)与Y向运动同步保持模块中的两个Y向柔性薄片(28、29)之间有间隙。两个模块具体结构描述如下：

所述的X向运动同步保持模块为一体化中空结构，包括两个结构相同的X向输入模块(6A、7B)的下半部分，及连接两个X向输入模块的两个X向柔性薄片(18、19)。其中，X向输入模块垂直方向的高度大于X向柔性薄片，X向输入模块底部两侧面与X向柔性薄片连接，顶部与主体运动模块的X向输入模块的上半部分对接为一体结构。所述X向输入模块厚，受力时在各个方向上均不变形；两个X向柔性薄片为薄片结构，受力时可在其自由度方向上变形。

所述的Y向运动同步保持模块为一体化中空结构，包括两个结构相同的Y向输入模块(8A、9B)的下半部分，及连接两个Y向输入模块的两个Y向柔性薄片(28、29)。其中，Y向输入模块垂直方向的高度大于Y向柔性薄片，Y向输入模块底部两侧面与Y向柔性薄片连接，顶部与主体运动模块的Y向输入模块的上半部分对接为一体结构。所述Y向输入模块较厚，受力时在各个方向上均不变形；两个Y向柔性薄片为薄片结构，受力时在其自由度方向上可变形。

本发明的整体结构较大比例采用薄片结构，能够显著降低具有集中质量零件的数量，以此降低整体结构的质量——刚度比，进而提高整体结构的固有频率，有利于提高系统的运动速度。XY平面或与XY平面平行的平面，所用薄片的厚度可以相同也可以不同，所用薄片的长度要能保证整体结构关于水平和竖直中心线轴对称。在XY平面的法向方向，主体结构上所有薄片的高度相同，X向运动同步保持模块上所有薄片的高度相同，Y向运动同步保持模块上所有薄片的高度相同；三个模块上薄片的高度无需全部相同。

进一步的，所述的X向输入模块(6A、7B)的上半部分与X向输入模块(6A、7B)的下半部分为一体化结构，分属于不同的模块结构；所述的Y向输入模块(8A、9B)的上半部分与Y向输入模块(8A、9B)的下半部分为一体化结构，分属于不同的模块结构。

进一步的，所述的主体运动模块、X向运动同步保持模块和Y向运动同步保持模块可以利用不同或相同的材料加工而成。

进一步的，所述的X向输入模块、Y向输入模块均为板状结构。

进一步的，所述的X向柔性薄片、Y向柔性薄片均为长条状结构。

进一步的，本发明中所有X向柔性薄片均与X向输入模块连接，所有Y向柔性薄片均与Y向输入模块连接。

与现有技术汇中已经公布的二自由度平动柔顺机构，本发明提出的二自由度运动解耦柔顺机构的有益效果为：1)X和Y两个方向的运动解耦，每个运动方向上的两个输入模块运动一致性好，控制复杂度和难度相对比较低；2)减少了集中质量块的数量，有利于降低惯性力提高动态响应频率；3)几何结构对称，有利于降低驱动器热影响；4)各个解耦方向上的刚度相互独立，便于对各个方向上的刚度进行独立调节。

附图说明

图1是本申请提出的二自由度运动解耦柔顺机构的结构及组成示意图。

图2是本申请提出的二自由度运动解耦柔顺机构的主体运动模块结构示意图。

图3是本申请提出的二自由度运动解耦柔顺机构的X向运动同步保持模块的结构示意图。

图4是本申请提出的二自由度运动解耦柔顺机构的Y向运动同步保持模块的结构示意图。

图中：1输出模块，2基础模块A，3基础模块B，4基础模块C，5基础模块D，6X向输入模块A，7X向输入模块B，8Y向输入模块A，9Y向输入模块B，10X向柔性薄片A，11X向柔性薄片B，12X向柔性薄片C，13X向柔性薄片D，14X向柔性薄片E，15X向柔性薄片F，16X向柔性薄片G，17X向柔性薄片H，18X向柔性薄片I，19X向柔性薄片J，20Y向柔性薄片A，21Y向柔性薄片B，22Y向柔性薄片C，23Y向柔性薄片D，24Y向柔性薄片E，25Y向柔性薄片F，26Y向柔性薄片G，27Y向柔性薄片H，28Y向柔性薄片I，29Y向柔性薄片J。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步描述:

图1是本申请提出的二自由度运动解耦柔顺机构的一种具体实施方式。包括主体运动模块、X向运动同步保持模块和Y向运动同步保持模块三部分模块，三部分分层布置。从上到下依次为主体运动模块、Y向运动同步保持模块、X向运动同步保持模块。各层之间除连接位置外均设置有空隙以防止发生运动干涉。本发明提供的结构可以拆分成如图2、图3和图4的三个部分，分别进行加工，然后再组装成一体。由刚性模块和柔性薄片组成，整体结构对X轴和Y轴都具备轴对称特征的方形结构。具体的，所述的二自由度运动解耦柔顺机构包括一个输出模块1，四个基础模块A2、B3、C4、D5，两个X向输入模块A6、B7，两个Y向输入模块A8、B9，十个个X向柔性薄片A10～J19，十个Y向柔性薄片A20～J29。所有柔性薄片的最窄边均在XY平面内或平行于XY平面。

图2是本申请提出的二自由度运动解耦柔顺机构的主体运动模块，为一体化方形中空框架结构此部分可以实现一体化机械加工，包括位于1个中心位置的方形输出模块1，4个位于方形结构四个顶角处的基础模块A2、B3、C4、D5，2个X向输入模块6A、7B的上半部分，2个Y向输入模块8A、9B的上半部分，多个与X向输入模块连接的X向柔性薄片A10～J19和多个与Y向输入模块连接的Y向柔性薄片A20～J29，其中，四个基础模块A2～D 5作为整个结构对外部的接口模块。所述输出模块1布置在整个结构的顶层中心位置。所述的输出模块1在X运动方向的两边对称布置2个X向输入模块6A、7B，X向输入模块6A与输出模块1之间通过X向柔性薄片C12、D13连接，X向输入模块7B与输出模块1之间通过X向柔性薄片G16、H17连接。所述的输出模块1在Y运动方向的两边对称布置2个Y向输入模块8A、9B，Y向输入模块8A与输出模块1之间通过Y向柔性薄片C22、D23连接，Y向输入模块9B与输出模块1之间通过Y向柔性薄片G26、H27连接。每个Y向输入模块与输出模块之间分别设置2个或多个平行布置的Y向柔性薄片，即Y向的2个输入模块与输出模块之间通过2个或多个平行与Y轴布置的柔性薄片相连接。

所述X向输入模块6两侧对称布置2个基础模块A2、B3，基础模块A2与X向输入模块6之间设置通过X向柔性薄片A10连接，基础模块B3与X向输入模块6之间通过X向柔性薄片B11连接。X向输入模块7两侧对称布置2个基础模块C4、D5，基础模块D5与X向输入模块7之间通过X向柔性薄片E14连接，基础模块C4与X向输入模块7之间通过X向柔性薄片F15连接。

所述Y向输入模块8的两侧对称布置2个基础模块B3、C4，基础模块C4与Y向输入模块8之间通过Y向柔性薄片A20连接，基础模块B3与Y向输入模块8之间通过Y向柔性薄片B21连接。Y向输入模块9的两侧对称布置2个基础模块A2、B5，基础模块B5与Y向输入模块9之间通过Y向柔性薄片F25连接，基础模块C4与Y向输入模块9之间通过Y向柔性薄片E24连接。

图3是本申请提出的二自由度运动解耦柔顺机构的两个X向输入模块的连接部分，可以用一体化机械加工方法制造。所述的X向运动同步保持模块包括两个结构相同的X向输入模块6A、7B的下半部分，及连接两个X向输入模块的两个X向柔性薄片I18、J19。其中，X向输入模块垂直方向的高度大于X向柔性薄片，X向输入模块底部两侧面与X向柔性薄片连接，顶部与主体运动模块的X向输入模块的上半部分对接为一体结构。

图4是本申请提出的二自由度运动解耦柔顺机构的两个Y向输入模块的连接部分，可以用一体化机械加工方法制造。所述的Y向运动同步保持模块为一体化中空结构，包括两个结构相同的Y向输入模块8A、9B的下半部分，及连接两个Y向输入模块的两个Y向柔性薄片I28、J29。其中，Y向输入模块垂直方向的高度大于Y向柔性薄片，Y向输入模块底部两侧面与Y向柔性薄片连接，顶部与主体运动模块的Y向输入模块的上半部分对接为一体结构。

图2、图3和图4的三个部分分别加工完成后，可以通过粘结或螺栓等方式连接在一起，构成一个整体机构。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种可实现高精度、大行程和高频响的二自由度运动解耦柔顺机构，其特征在于，所述的二自由度运动解耦柔顺机构包括主体运动模块、X向运动同步保持模块和Y向运动同步保持模块三部分模块，三部分分层布置；从上到下依次为主体运动模块、X向运动同步保持模块、Y向运动同步保持模块，或者主体运动模块、Y向运动同步保持模块、X向运动同步保持模块；各层之间除连接位置外均设置有空隙以防止发生运动干涉；所述的二自由度运动解耦柔顺机构的整体结构为对X轴和Y轴都具备轴对称特征的方形结构；

所述的主体运动模块为一体化方形中空框架结构，包括1个位于中心位置的方形输出模块、4个位于方形结构四个顶角处的基础模块、2个X向输入模块的上半部分、2个Y向输入模块的上半部分、多个与X向输入模块连接的X向柔性薄片和多个与Y向输入模块连接的Y向柔性薄片，其中，四个基础模块作为整个结构对外部的接口模块；所述的方形输出模块平行于X轴的两个侧面通过X向柔性薄片与X向输入模块连接，方形输出模块平行于Y轴的两个侧面通过Y向柔性薄片与Y向输入模块连接；所述两个X向输入模块在X运动方向对称布置，两个Y向输入模块在Y运动方向对称布置，且每个X向输入模块、Y向输入模块均设于与其相邻的两个基础模块中间；所述的X向输入模块与其相邻的两个基础模块之间通过X向柔性薄片连接，Y向输入模块与其相邻的基础模块之间通过Y向柔性薄片连接；

所述的X向运动同步保持模块、Y向运动同步保持模块结构形式相同，为实现X向运动同步保持模块或Y向运动同步保持模块能够分层连接到主体运动模块上，并保证X向运动同步保持模块中的两个X向柔性薄片与Y向运动同步保持模块中的两个Y向柔性薄片之间有间隙，两个模块尺寸不同；两个模块具体结构描述如下：

所述的X向运动同步保持模块为一体化中空结构，包括两个结构相同的X向输入模块的下半部分，及连接两个X向输入模块的两个X向柔性薄片，两个X向柔性薄片高度相同；其中，X向输入模块竖直方向的高度大于X向柔性薄片，X向输入模块的下半部分顶部与主体运动模块的X向输入模块的上半部分对接为一体结构；所述X向输入模块厚度大于X向柔性薄片，受力时，X向输入模块在各个方向上均不变形，X向柔性薄片在其自由度方向上可变形；

所述的Y向运动同步保持模块为一体化中空结构，包括两个结构相同的Y向输入模块的下半部分，及连接两个Y向输入模块的两个Y向柔性薄片，两个Y向柔性薄片高度相同；其中，Y向输入模块竖直方向的高度大于Y向柔性薄片，Y向输入模块的下半部分顶部与主体运动模块的Y向输入模块的上半部分对接为一体结构；所述Y向输入模块厚度大于Y向柔性薄片，受力时，Y向输入模块在各个方向上均不变形，Y向柔性薄片在其自由度方向上可变形。

2.根据权利要求1所述的一种可实现高精度、大行程和高频响的二自由度运动解耦柔顺机构，其特征在于，所述的主体运动模块、X向运动同步保持模块和Y向运动同步保持模块三部分模块之间的连接采用螺钉连接、胶水粘结或焊接方式，或通过3D打印的方式将整个三层结构一体化打印成型。

3.根据权利要求1或2所述的一种可实现高精度、大行程和高频响的二自由度运动解耦柔顺机构，其特征在于，所述的主体运动模块、X向运动同步保持模块和Y向运动同步保持模块利用不同或相同的材料加工而成。