CN112882225A - 一种大行程柔性二维运动平台 - Google Patents

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亓波
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Abstract

本发明公开了一种大行程柔性二维运动平台，包括：固定基座(4)；与所述固定基座(4)同轴放置的运动平台(1)；以及放置于运动平台(1)和固定基座(4)之间的柔性虎克铰链(2)和线性作动器(3)；所述线性作动器(3)共四个呈对称均匀分布；所述柔性虎克铰链(2)位于四个线性作动器(3)中间；所述线性作动器(3)和柔性虎克铰链(2)两端通过螺钉分别与运动平台(1)下端面和固定基座(4)上端面连接；所述固定基座(4)上分布有螺纹安装孔，用于与外部结构相连；所述柔性虎克铰链(2)包括上柔性铰链支座(2‑1)，中间运动块(2‑2)，以及下柔性铰链支座(2‑3)，与运动平台(1)与固定支座均采用螺钉连接；所述线性作动器(3)共四个，与运动平台(1)和固定支座均采用螺钉连接；该平台适合高精度大行程角度的运动应用。

Description

一种大行程柔性二维运动平台
技术领域
本发明属于一种二维运动运动平台，具体涉及一种大行程柔性二维运动平台。
背景技术
二维运动平台一般用于实现平台法线方向的高精度二维指向而广泛应用于医疗器械，航空航天，工业控制等领域。传统的二维运动运动平台常采用两轴四框架结构结合包括轴承在内的传统刚性运动副实现二维转动，此类机构工作范围较大且应用成熟广泛。但也存在着在运动过程中受限于传统刚性运动副摩擦空回等影响而导致运动精度受限的问题。
基于上述原因，本发明提出一种大行程柔性二维运动平台机构，通过柔性运动副解决传统包括轴承在内的刚性运动副存在的摩擦空回等问题，而显著提升机构运动精度。同时，采用大行程柔性铰链设计而解决目前柔性运动副广泛存在的运动范围较小等问题。在航天、近空间、航空、地面和海洋平台等成像过程中，由于平台振动和扰动等各种影响因素都会造成视轴抖动，极大地降低了望远镜的空间分辨率，需要利用摆镜对视轴抖动进行实时补偿。快摆机构主要由柔性支撑结构、驱动器以及运动平台组成，随着空间光学技术的发展，对快摆机构提出了更大行程、更高精度的需求。而现有的快摆机构大多采用压电驱动，虽然带宽高但是行程小，已不能满足现有的技术需求了。此外作为支撑结构的二维柔性铰链大致可分为三类，切口型二维柔性铰链、柱形切槽虎克铰链以及普通簧片型虎克铰链。前两种柔性铰链虽然结构简单刚度大但是转动角度较小，后一种柔性铰链虽然转角大但是结构刚度较小影响精度。
发明内容
本发明主要在于提供一种大行程柔性二维运动平台，该运动平台运动行程大、运动精度高、结构紧凑刚度大，非常适合高精度大行程角度的运动应用。
为实现上述目的，本发明的一种大行程柔性二维运动平台，包括：固定基座；与所述固定基座同轴放置的运动平台；以及放置于运动平台和固定基座之间的柔性虎克铰链和线性作动器；所述线性作动器共四个呈对称均匀分布；所述柔性虎克铰链位于四个线性作动器中间；所述线性作动器和柔性虎克铰链两端通过螺钉分别与运动平台下端面和固定基座上端面连接；所述固定基座上分布有螺纹安装孔，用于与外部结构相连；所述运动平台可通过螺钉与反射镜结构进行连接，实现摆镜的功能。
进一步地，所述柔性虎克铰链包括上柔性铰链支座；中间运动块；下柔性铰链支座；所述上柔性铰链支座包括支撑侧板、连接孔、支撑底板、安装接口以及蝶形柔性结构；所述上柔性铰链支座为U型对称结构，支撑侧板、连接孔及蝶形柔性结构共两个，位于支撑底板两侧，关于支撑底板对称；所述安装接口有四个，均匀分布于支撑底板上；所述下柔性铰链支座和上柔性铰链支座结构相同，对称交叉放置于中间运动块的两侧；所述中间运动块包括减重通槽、定位凸台以及连接螺纹孔；所述定位凸台有四个，分别位于中间运动块四个侧面的中央；所述连接螺纹孔有八个，中间运动块每侧两个，位于定位凸台两侧；所述中间运动块和上柔性铰链支座以及下柔性铰链支座均通过连接孔和连接螺纹孔用螺钉进行连接；所述安装接口用于柔性虎克铰链与外部结构进行连接。
本发明原理在于：一种大行程柔性二维运动平台，包括：运动平台；柔性虎克铰链；线性作动器；以及固定基座；所述柔性虎克铰链包括上柔性铰链支座；中间运动块；以及下柔性铰链支座；所述上柔性铰链支座和下柔性铰链支座包括支撑侧板、连接孔、支撑底板、安装接口以及蝶形柔性结构；所述中间运动块包括减重通槽、定位凸台以及连接螺纹孔；所述中间运动块和上柔性铰链支座以及下柔性铰链支座均采用螺钉连接；所述安装接口位于支撑底板上，用于柔性虎克铰链与外部结构进行连接；所述线性作动器共四个，与运动平台和固定支座均采用螺钉连接；所述柔性虎克铰链与运动平台与固定支座均采用螺钉连接。
本发明的一种大行程柔性二维运动平台的优点在于：
(1)本发明的一种大行程柔性二维运动平台采用了线性作动器作为驱动机构，相比于压电驱动具有行程大的优点，此外还具有体积小、重量轻、响应和推力均匀等优点。
(2)本发明的一种大行程柔性二维运动平台可实现最大行程达±5°的二维运动运动，精度高行程大适用于具有大角度跟踪需求的摆镜机构。
(3)本发明的一种大行程柔性二维运动平台采用了一种大转角小尺寸柔性虎克铰链作为支撑结构，相比于采用轴承作为支撑结构的二维转台具有无间隙、无摩擦、不需要润滑维护简单、运动分辨率高、运动精度高等优点。
(4)本发明所采用的一种大转角小尺寸柔性虎克铰链具有对称式结构和多组弹性簧片单元且各簧片中心线交于一点，此结构形式减小了每一级簧片的变形角度，降低了铰链内应力，提高了铰链寿命，且减小了中心漂移，提高了转动精度。
(5)本发明所采用的一种大转角小尺寸柔性虎克铰链采用支撑板设计，使柔性铰链在非运动自由度的另外四个自由度上具有较大刚度，具有一定的承载能力，用于摆镜支撑结构时可提高系统的模态以及摆镜在重力作用下的面形精度。
附图说明
图1为本发明的一种大行程柔性二维运动平台的结构示意图；
图2为本发明的一种大行程柔性二维运动平台的固定基座结构示意图；
图3为本发明所采用的一种大转角小尺寸柔性虎克铰链的结构示意图；
图4为本发明所采用的一种大转角小尺寸柔性虎克铰链的柔性铰链支座结构示意图；
图5为本发明所采用的一种大转角小尺寸柔性虎克铰链的中间运动块结构示意图；
其中1-运动平台；2-柔性虎克铰链；3-线性作动器；4-固定基座；2-1上柔性铰链支座；2-2中间运动块；2-3下柔性铰链支座；2-1-1支撑侧板；2-1-2连接孔；2-1-3支撑底板；2-1-4安装接口；2-1-5蝶形柔性结构；2-2-1减重通槽，2-2-2定位凸台，2-2-3连接螺纹孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见图1-4，本发明的一种大行程柔性二维运动平台包括：固定基座4；与所述固定基座4同轴放置的运动平台1；以及放置于运动平台1和固定基座4之间的柔性虎克铰链2和线性作动器3；所述线性作动器3共四个呈对称均匀分布；所述柔性虎克铰链2位于四个线性作动器3中间；所述线性作动器3和柔性虎克铰链2两端通过螺钉分别与运动平台1下端面和固定基座4上端面连接；所述固定基座4上分布有螺纹安装孔，用于与外部结构相连；所述运动平台1可通过螺钉与反射镜结构进行连接，实现摆镜的功能。
所述柔性虎克铰链2包括上柔性铰链支座2-1；中间运动块2-2；下柔性铰链支座2-3；所述上柔性铰链支座2-1包括支撑侧板2-1-1、连接孔2-1-2、支撑底板2-1-3、安装接口2-1-4以及蝶形柔性结构2-1-5；所述上柔性铰链支座2-1为U型对称结构，支撑侧板2-1-1、连接孔2-1-2及蝶形柔性结构2-1-5共两个，位于支撑底板2-1-3两侧，关于支撑底板2-1-3对称；所述安装接口2-1-4有四个，均匀分布于支撑底板2-1-3上；所述下柔性铰链支座2-3和上柔性铰链支座2-1结构相同，对称交叉放置于中间运动块2-2的两侧；所述中间运动块2-2包括减重通槽2-2-1、定位凸台2-2-2以及连接螺纹孔2-2-3；所述定位凸台2-2-2有四个，分别位于中间运动块2-2四个侧面的中央；所述连接螺纹孔2-2-3有八个，中间运动块2-2每侧两个，位于定位凸台2-2-2两侧；所述中间运动块2-2和上柔性铰链支座2-1以及下柔性铰链支座2-3均通过连接孔2-1-2和连接螺纹孔2-2-3用螺钉进行连接；所述安装接口2-1-4用于柔性虎克铰链2与外部结构进行连接。
所述定位凸台2-2-2用于上柔性铰链支座2-1和下柔性铰链支座2-3和中间运动块2-2连接时定位用，由于柔性铰链支座为U型结构，U型结构的两侧极易变形，用此方法可以保证安装时柔性铰链支座两侧结构的平行度和相对距离，可避免由于柔性铰链支座变形引起的运动误差。
所述蝶形柔性结构2-1-5共四个，位于支撑侧板2-1-1内圈，上面分布有四个圆形通槽用于减重作用，每个蝶形柔性结构2-1-5上有八个柔性簧片呈对称分布，八个簧片长度相等且中心线交于一点，该点即为转动中心点；所述上柔性铰链支座2-1和下柔性铰链支座2-3上均有两个转动中心点，两个转动中心点的连线即为柔性虎克铰链2的转动轴，两个转动轴正交于一点，该点为柔性虎克铰链2的运动中心点，位于中间运动块2-2的中心点上。
所述柔性虎克铰链2为分体式结构，各个部件单独加工，采用螺钉进行连接，降低了加工难度，装配简单。
本发明的一种大行程柔性二维运动平台工作原理为：四个音圈可分为两对，每对控制一个转动自由度，柔性虎克铰链2除了起到Z方向的支撑作用外还提供两个绕X方向和绕Y方向自由度的转动运动，一对线性作动器3协同运动带动运动平台1运动，由于柔性虎克铰链2和运动平台1固连，此时在线性作动器3驱动力的作用下柔性虎克铰链2可作绕X方向或绕Y方向的柔顺转动，而其他方向的自由度则被结构所限制，从而实现了运动平台1绕X和Y的二维转动运动。
本发明所述的固定基座上均匀分布有四个小凸台，凸台两两对称，上面加工有螺纹孔用于与线性作动器3的固定连接，凸台具有一定高度用于支撑线性作动器3使其上表面和柔性虎克铰链2上表面处于同一水平面。
本发明的一种大行程柔性二维运动平台中，四个线性作动器3可分为两对，平台共具有绕X轴和绕Y轴两个转动自由度，为两轴四驱结构，该结构相对于两轴两驱动和两轴三驱动结构，具有稳定性强，高频运动耦合低，两轴控制无需坐标变换等优点。
本发明的一种大行程柔性二维运动平台转角可达±5°，对线性作动器3和柔性虎克铰链的性能参数提出了极高需求，本发明所采用的柔性虎克铰链转角可达±10°，所采用的线性作动器3的侧隙可达1mm，运动行程达15mm，完全满足设计需求。

Claims (2)

1.一种大行程柔性二维运动平台，其特征在于：包括：固定基座(4)；与所述固定基座(4)同轴放置的运动平台(1)；以及放置于运动平台(1)和固定基座(4)之间的柔性虎克铰链(2)和线性作动器(3)；所述线性作动器(3)共四个呈对称均匀分布；所述柔性虎克铰链(2)位于四个线性作动器(3)中间；所述线性作动器(3)和柔性虎克铰链(2)两端通过螺钉分别与运动平台(1)下端面和固定基座(4)上端面连接；所述固定基座(4)上分布有螺纹安装孔，用于与外部结构相连；所述运动平台(1)可通过螺钉与反射镜结构进行连接，实现摆镜的功能。
2.根据权利要求1所述的一种大行程柔性二维运动平台，其特征在于：所述柔性虎克铰链(2)包括上柔性铰链支座(2-1)；中间运动块(2-2)；下柔性铰链支座(2-3)；所述上柔性铰链支座(2-1)包括支撑侧板(2-1-1)、连接孔(2-1-2)、支撑底板(2-1-3)、安装接口(2-1-4)以及蝶形柔性结构(2-1-5)；所述上柔性铰链支座(2-1)为U型对称结构，支撑侧板(2-1-1)、连接孔(2-1-2)及蝶形柔性结构(2-1-5)共两个，位于支撑底板(2-1-3)两侧，关于支撑底板(2-1-3)对称；所述安装接口(2-1-4)有四个，均匀分布于支撑底板(2-1-3)上；所述下柔性铰链支座(2-3)和上柔性铰链支座(2-1)结构相同，对称交叉放置于中间运动块(2-2)的两侧；所述中间运动块(2-2)包括减重通槽(2-2-1)、定位凸台(2-2-2)以及连接螺纹孔(2-2-3)；所述定位凸台(2-2-2)有四个，分别位于中间运动块(2-2)四个侧面的中央；所述连接螺纹孔(2-2-3)有八个，中间运动块(2-2)每侧两个，位于定位凸台(2-2-2)两侧；所述中间运动块(2-2)和上柔性铰链支座(2-1)以及下柔性铰链支座(2-3)均通过连接孔(2-1-2)和连接螺纹孔(2-2-3)用螺钉进行连接；所述安装接口(2-1-4)用于柔性虎克铰链(2)与外部结构进行连接。
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