CN112904519A - 一种基于少支链机构的多自由度高精度运动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于少支链机构的多自由度高精度运动平台，包括静平台、4条可伸缩的运动支链、动平台、以及4个相同的压电惯性驱动器。静平台和动平台之间通过柔性球副以及柔性虎克铰连接，运动支链采用具有位移感知功能的直线式惯性压电作动器作动。其中作动器又包括比例式线性霍尔传感器、作动体、运动单元、圆柱形外壳、永磁体、底座。该四自由度平台采用柔性铰链替代传统运动副，具有易于实现装备小型化，提高重复定位精度，高运动灵敏度等优点，同时可使平台达到静稳定状态，避免了运输过程中的震动和碰撞问题。宏微复合运动平台是通过宏运动实现平台的大行程进给运动，借助微运动实现精密定位。赋予了平台大行程、高精度的宏微运动能力。
Description
技术领域
本发明属于一种多自由度并联运动平台，具体涉及一种基于少支链机构的多自由度高精度运动平台。
背景技术
随着各类光学系统从实验室迈向复杂应用环境，温度场，重力场(反重力场)及残余应力环境对光学系统的影响日益显著。因此光学系统中往往需要各类调整机构对光学元件进行多自由度精密调节以补偿由上述原因造成的系统像差，提高成像质量。而目前光学系统大多数采用基于多自由度的stewart并联平台(采用六条可伸缩运动支链的形式)作为调整机构。这类机构运动支链数量较多，质量体积较大，无疑大大增加了多自由度运动机构对于光学系统精密调整需求的应用难度。
同时，目前的多自由度大范围运动机构主要采用直流伺服电机及传统刚性运动副，这一方面造成精密调整机构质量体积过大，另一方面传统运动副的构件数目多，重量大，装配时间长，且存在机构间的摩擦、磨损，以及润滑等问题。传统运动副中构件数目多，重量大，装配时间要长，存在机构间的摩擦、磨损，以及润滑等问题。柔性铰链本身具有体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高等特点，用柔性铰链代替传统刚性运动副，可有助于提高机构精度和可靠性；另一方面利用了柔性铰链自身具有一定刚度。
压电陶瓷材料(PZT)作动器根据其原理可在电场作用下实现高精度位移输出，响应速度快，空间适应性强等特点，其技术特征与当前空间应用需求相吻合，但是运动范围过小。而压电惯性作动器则克服了上述问题，兼具精度高，行程大的特点，实现了较大行程范围内纳米级定位，使电机兼具了其特点。基于此，本发明提出了一种基于宏微运动方式的四自由度高精度运动机构，该发明将有助于解决刚性机构所带来的体积大，灵敏度低，使用寿命短等的问题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种采用柔性铰链以压电惯性作动器驱动的多自由度并联运动平台。该多自由度平台通过结构设计与控制方式可实现次镜的调整机构，具有空间适应性强，无耦合，静平衡稳定等特点。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于少支链机构的多自由度高精度运动平台，包括静平台1、4条两两对应可伸缩的支链2、动平台3。
参照图1，静平台1和动平台3之间通过柔性球副以及柔性虎克铰来连接，且运动支链2通过压电惯性驱动器进行位移变化。
参照图3，多自由度运动平台的可伸缩的支链2利用具有位移感知功能的直线式惯性压电作动器驱动，作动器包括比例式线性霍尔传感器2-1-1、作动体2-1-2、运动单元2-1-3、圆柱形外壳2-1-4、永磁体2-1-5、底座2-1-6。圆柱形外壳2-1-4与运动支链为一体及运动支链为内空的形式，圆柱形外壳2-1-4内部从上到下顺序依次为：与内部轨道贴合的运动单元2-1-3包括调节螺钉2-1-3-1，楔块2-1-3-2，运动块2-1-3-3，运动块2-1-3-3左右两端设有S形弹性体，中心为菱形空腔，调节螺钉2-1-3-1穿过楔块2-1-3-2的中心的光孔，旋转进入运动块下方的作动体2-1-2；与运动单元连接的作动体2-1-2包括压电堆2-1-2-1以及相连的惯性质量块2-1-2-2；粘结在质量块2-1-2-2下边的永磁体2-1-5与底部相连的比例式线性霍尔传感器2-1-1。通过依靠压电堆2-1-2-1的变化来带动运动单元2-1-3的运动，并实时通过比例式线性霍尔传感器2-1-1感知位移。
所述的四条支链，所采用的驱动形式为压电驱动，其工作模式分为以下两种：
微运动(即单步范围内扫描)：第一步，对压电堆2-1-2-1缓慢充电，其轴向伸长，带动质量块2-1-2-2远离运动单元2-1-3，此时运动单元2-1-3所受静摩擦力大于作动体2-1-2中质量块2-1-2-2施加的惯性力，运动单元2-1-3保持静止不动；第二步，对压电堆2-1-2-1快速放电，压电堆轴向迅速伸缩，带动惯性质量块2-1-2-2朝运动单元2-1-3运动，此时运动单元2-1-3所受静摩擦力远小于质量块2-1-2-2施加的惯性力，运动单元3迅速沿轨道下滑，产生步距，至此平台支链实现微小位移；
宏运动(即连续伸长或缩短)：第一步，对压电堆2-1-2-1缓慢充电，其轴向伸长，带动质量块2-1-2-2远离运动单元2-1-3，此时运动单元2-1-3所受静摩擦力大于作动体2-1-2中质量块2-1-2-2施加的惯性力，运动单元2-1-3保持静止不动；第二步，对压电堆2-1-2-1快速放电，压电堆轴向迅速伸缩，带动惯性质量块2-1-2-2朝运动单元2-1-3运动，此时运动单元2-1-3所受静摩擦力远小于质量块2-1-2-2施加的惯性力，运动单元2-1-3迅速沿轨道下滑，产生步距；重复一、二动作，就能使运动单元2-1-3带动多自由度运动平台伸缩支链连续缩短，反之，带动伸缩支链连续伸长，实现平台的宏调控；
采用其压电作动器，实现了四自由度运动平台宏调控(即连续步进)—以及微调控(即单步范围内扫描)，被赋予了大行程、高精度的宏微运动能力。
所述的一种基于少支链机构的多自由度高精度运动平台，其是基于宏微运动方式的四自由度高精度运动机构，其工作模式具有如下四种：
工作模式一(即沿X移动)：作动器2-1伸长，作动器2-2缩短，作动器2-3伸长，作动器2-4缩短；
工作模式二(即沿Y移动)：作动器2-1缩短，作动器2-2伸长，作动器2-3伸长，作动器2-4缩短；
工作模式三(即沿Z移动)：作动器2-1伸长，作动器2-2伸长，作动器2-3伸长，作动器2-4伸长；
工作模式四(即绕Z转动)：作动器2-1伸长，作动器2-2伸长，作动器2-3缩短，作动器2-4伸长；
支链间通过一定的函数关系配合伸长缩短，即可达到指定方向运动的目的，可应用于满足自由度需求的应用场合中。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1、本多自由度平台采用4条支链的形式，相比于stewart平台减少2条支链，但是同样可以实现六自由度运动，从而可以大大的减少调整机构的重量。
2、本发明采用柔性铰链的形式，相比于传统的铰链，易于实现装备的小型化，提高重复定位精度，具有灵敏度高、无润滑需求等特点。更为重要的是，本发明本身采用四支链驱动形式去实现六自由度机构运动，该形式的运动平台虽然极大减少了运动支链数量，可以使机构构成形式及质量相比传统六自由度机构大大简化，但也使结构形式变为静不定结构，从而使机构失去了静平衡特性。为了解决这一问题，本发明创新的提出使用柔性铰链代替传统运动副，从而使原来的非静平衡机构转化为静平衡机构，解决了机构静不定的问题。
3、本运动平台采用具有位移感知功能的直线式惯性压电作动器，利用非对称的锯齿波驱动压电堆通过惯性冲击做功，用比例式线性霍尔传感器实时感知位移，结构紧凑，易于安装，响应速度快，位移分辨率高，断电锁止等特点。
4、该多自由度平台通过结构设计与控制方式来实现光学系统中的调整任务，具有空间适应性强，无耦合，静平衡稳定，可宏微调控等特点。
附图说明
图1为多自由度运动平台的正视图，其中，1为静平台，2为可伸缩的支链，3为动平台；
图2为多自由度运动平台的俯视图，其中，2-1为第一作动器，2-2为第二作动器，2-3为第三作动器，2-4为第四作动器；
图3为多自由度运动平台支腿的1/4剖视图，其中，2-1-1为比例式线性霍尔传感器，2-1-2为作动体，2-1-3为运动单元，2-1-4为圆柱形外壳，2-1-5为永磁体，2-1-6为底座，2-1-2-1为压电堆，2-1-2-2为质量块，2-1-3-1为调节螺钉，2-1-3-2为楔块，2-1-3-3为运动块。
具体实施方式
以下结合附图及具体实例对本发明作进一步的详细描述。
一种采用柔性铰链以压电惯性作动器驱动的多自由度并联运动平台，包括静平台1、4条两两对应可伸缩的支链2、动平台3。
参照图1，静平台1和动平台3之间通过柔性球副以及柔性虎克铰来连接，且伸缩支链2通过压电惯性驱动器进行位移变化。
参照图3，多自由度运动平台的可伸缩的支链2利用具有位移感知功能的直线式惯性压电作动器驱动，作动器包括比例式线性霍尔传感器2-1-1、作动体2-1-2、运动单元2-1-3、圆柱形外壳2-1-4、永磁体2-1-5、底座2-1-6。可以补充比例式线性霍尔传感器2-1-1、作动体2-1-2、运动单元2-1-3、圆柱形外壳2-1-4、永磁体2-1-5、底座2-1-6的连接关系、位置关系、作用；圆柱形外壳2-1-4与运动支链为一体及运动支链为内空的形式，圆柱形外壳2-1-4内部从上到下顺序依次为：与内部轨道贴合的运动单元2-1-3包括调节螺钉2-1-3-1，楔块2-1-3-2，运动块2-1-3-3，运动块2-1-3-3左右两端设有S形弹性体，中心为菱形空腔，调节螺钉2-1-3-1穿过楔块2-1-3-2的中心的光孔，旋转进入运动块下方的作动体2-1-2。与运动单元连接的作动体2-1-2包括压电堆2-1-2-1以及相连的惯性质量块2-1-2-2；粘结在质量块2-1-2-2下边的永磁体2-1-5与底部相连的比例式线性霍尔传感器2-1-1。通过依靠压电堆2-1-2-1的变化来带动运动单元2-1-3的运动，并实时通过比例式线性霍尔传感器2-1-1感知位移。
作动原理：
1、伸缩腿的运动原理，其工作模式分为以下两种：
微运动(单步位移)：第一步，对压电堆2-1-2-1缓慢充电，其轴向伸长，带动质量块2-1-2-2远离运动单元2-1-3，此时运动单元2-1-3所受静摩擦力大于作动体2-1-2中质量块2-1-2-2施加的惯性力，运动单元保持静止不动。第二步，对压电堆2-1-2-1快速放电，压电堆轴向迅速伸缩，带动惯性质量块2-1-2-2朝向运动单元2-1-3运动，此时运动单元2-1-3所受静摩擦力远小于质量块2-1-2-2施加的惯性力，运动单元2-1-3迅速沿轨道下滑，产生步距。至此平台支链实现微小位移，反之，带动伸缩支链伸长，实现平台的微调控。
宏运动(连续步进)：重复微调控中的第一、二步动作，就能使运动单元2-1-3带动多自由度运动平台伸缩支链连续缩短，反之，带动伸缩支链连续伸长，实现平台的宏调控。
2、多自由度运动平台的主要工作方式包括①沿X移动：第一作动器2-1伸长，第二作动器2-2缩短，第三作动器2-3伸长，第四作动器2-4缩短②沿Y移动：第一作动器2-1缩短，第二作动器2-2伸长，第三作动器2-3伸长，第四作动器2-4缩短③沿Z移动：第一作动器2-1伸长，第二作动器2-2伸长，第三作动器2-3伸长，第四作动器2-4伸长④绕Z转动：第一作动器2-1伸长，第二作动器2-2伸长，第三作动器2-3缩短，第四作动器2-4伸长，支腿间通过一定的函数关系配合，伸长或者缩短，来达到运动目的。
Claims (4)
1.一种基于少支链机构的多自由度高精度运动平台，其特征在于：包括静平台(1)、4条两两对应可伸缩的支链(2)、动平台(3)；
静平台(1)和动平台(3)之间通过柔性球副以及柔性虎克铰来连接，且可伸缩的支链(2)通过压电惯性驱动器进行位移变化；
可伸缩的支链(2)利用具有位移感知功能的直线式惯性压电作动器驱动，作动器包括比例式线性霍尔传感器(2-1-1)、作动体(2-1-2)、运动单元(2-1-3)、圆柱形外壳(2-1-4)、永磁体(2-1-5)、底座(2-1-6)；圆柱形外壳(2-1-4)与运动支链为一体及运动支链为内空的形式，圆柱形外壳(2-1-4)内部从上到下顺序依次为：与内部轨道贴合的运动单元(2-1-3)包括调节螺钉(2-1-3-1)，楔块(2-1-3-2)，运动块(2-1-3-3)，运动块(2-1-3-3)左右两端设有S形弹性体，中心为菱形空腔，调节螺钉(2-1-3-1)穿过楔块(2-1-3-2)的中心的光孔，旋转进入运动块下方的作动体(2-1-2)；与运动单元连接的作动体(2-1-2)包括压电堆(2-1-2-1)以及相连的惯性质量块(2-1-2-2)；粘结在质量块(2-1-2-2)下边的永磁体(2-1-5)与底部相连的比例式线性霍尔传感器(2-1-1)；通过依靠压电堆(2-1-2-1)的变化来带动运动单元(2-1-3)的运动，并实时通过比例式线性霍尔传感器(2-1-1)感知位移。
2.根据权利要求1所述的一种基于少支链机构的多自由度高精度运动平台，其特征在于：所述的四条支链，所采用的驱动形式为压电驱动，其工作模式分为以下两种：
微运动，即单步范围内扫描：第一步，对压电堆(2-1-2-1)缓慢充电，其轴向伸长，带动质量块(2-1-2-2)远离运动单元(2-1-3)，此时运动单元(2-1-3)所受静摩擦力大于作动体(2-1-2)中质量块(2-1-2-2)施加的惯性力，运动单元(2-1-3)保持静止不动；第二步，对压电堆(2-1-2-1)快速放电，压电堆轴向迅速伸缩，带动惯性质量块(2-1-2-2)朝运动单元(2-1-3)运动，此时运动单元(2-1-3)所受静摩擦力远小于质量块(2-1-2-2)施加的惯性力，运动单元3迅速沿轨道下滑，产生步距，至此平台支链实现微小位移；
宏运动，即连续伸长或缩短：第一步，对压电堆(2-1-2-1)缓慢充电，其轴向伸长，带动质量块(2-1-2-2)远离运动单元(2-1-3)，此时运动单元(2-1-3)所受静摩擦力大于作动体(2-1-2)中质量块(2-1-2-2)施加的惯性力，运动单元(2-1-3)保持静止不动；第二步，对压电堆(2-1-2-1)快速放电，压电堆轴向迅速伸缩，带动惯性质量块(2-1-2-2)朝运动单元(2-1-3)运动，此时运动单元(2-1-3)所受静摩擦力远小于质量块(2-1-2-2)施加的惯性力，运动单元(2-1-3)迅速沿轨道下滑，产生步距；重复一、二动作，就能使运动单元(2-1-3)带动多自由度运动平台伸缩支链连续缩短，反之，带动伸缩支链连续伸长，实现平台的宏调控；
采用其压电作动器，实现了四自由度运动平台宏调控，即连续步进，以及微调控，即单步范围内扫描，被赋予了大行程、高精度的宏微运动能力。
3.根据权利要求1所述的一种基于少支链机构的多自由度高精度运动平台，其特征在于：其是基于宏微运动方式的四自由度高精度运动机构，其工作模式具有如下四种：
工作模式一，即沿X移动：作动器(2-1)伸长，作动器(2-2)缩短，作动器(2-3)伸长，作动器(2-4)缩短；
工作模式二，即沿Y移动：作动器(2-1)缩短，作动器(2-2)伸长，作动器(2-3)伸长，作动器(2-4)缩短；
工作模式三，即沿Z移动：作动器(2-1)伸长，作动器(2-2)伸长，作动器(2-3)伸长，作动器(2-4)伸长；
工作模式四，即绕Z转动：作动器(2-1)伸长，作动器(2-2)伸长，作动器(2-3)缩短，作动器(2-4)伸长；
支链间通过一定的函数关系配合伸长缩短，即可达到指定方向运动的目的，可应用于满足自由度需求的应用场合中。
4.根据权利要求1所述的一种基于少支链机构的多自由度高精度运动平台，其特征在于：采用柔性铰链的形式，相比于传统的铰链，易于实现装备的小型化，提高重复定位精度，具有灵敏度高、无润滑需求的特点；该结构采用四支链驱动形式去实现六自由度机构运动，该形式的运动平台虽然极大减少了运动支链数量，可以使机构构成形式及质量相比传统六自由度机构大大简化，但也使结构形式变为静不定结构，从而使机构失去了静平衡特性；该机构使用柔性铰链代替传统运动副，从而使原来的非静平衡机构转化为静平衡机构，解决了机构静不定的问题。
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