CN112959304B - 层式两自由度柔性并联平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种层式两自由度柔性并联平台，包括：第一台层，第一台层包括工作平台和四个第一柔性直线运动单元，工作平台所在平面具有相互垂直的第一方向和第二方向，第二台层包括：第一传动杆和第二传动杆，在第一方向上的两个第一柔性直线运动单元分别与第一传动杆相连，在第二方向上的两个第一柔性直线运动单元分别与第二传动杆相连，驱动电机，所述驱动电机包括：第一电机和第二电机。根据本发明的层式两自由度柔性并联平台的结构更紧凑，在保证运动精度的前提下，工作平台的承载量更大，保证了工作平台的运动一致性，满足了在两自由度下分别独立运动的要求。

Description

层式两自由度柔性并联平台

技术领域

本发明涉及多自由度运动平台技术领域，尤其是涉及一种层式两自由度柔性并联平台。

背景技术

相关技术中指出，平面内两自由度直线运动平台是机械加工制造中用于精密机械驱动与传动的常用设备。为提高运动精度与分辨率，弥补间隙、摩擦等带来的性能缺点，可采用柔性并联机构。传统XY柔性并联平台采用四组两级柔性运动单元并联的形式，传统的平台布置是平面内的单层布置，因此机构不紧凑；且对于同一自由度，两侧并联的柔性运动单元可能变形不一致；固定点间距较远，加载平台Z方向刚度低，承载量小。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明在于提出一种层式两自由度柔性并联平台，所述层式两自由度柔性并联平台承载量大，运动精度高。

根据本发明的层式两自由度柔性并联平台，包括：第一台层，所述第一台层包括工作平台和四个第一柔性直线运动单元，所述工作平台所在平面具有相互垂直的第一方向和第二方向，四个所述第一柔性直线运动单元中的其中两个分别连接在所述第一台层在所述第一方向上的两侧，四个所述第一柔性直线运动单元中的另外两个分别连接在所述第一台层在所述第二方向上的两侧；第二台层，所述第二台层包括：第一传动杆和第二传动杆，所述第一传动杆沿第一方向延伸，在所述第一方向上的两个所述第一柔性直线运动单元分别与所述第一传动杆相连，所述第二传动杆沿第二方向延伸，在所述第二方向上的两个所述第一柔性直线运动单元分别与所述第二传动杆相连；驱动电机，所述驱动电机包括：第一电机和第二电机，所述第一电机与所述第一传动杆相连用于驱动所述第一传动杆在所述第一方向上移动，所述第二电机与所述第二传动杆相连用于驱动所述第二传动杆在所述第二方向上移动。

根据本发明的层式两自由度柔性并联平台，通过将四个第一柔性直线运动单元中的其中两个均分别与工作平台和第一传动杆相连接，四个第一柔性直线运动单元中的另外两个均分别与工作平台和第二传动杆相连接，由此，使得层式两自由度柔性并联平台的结构更紧凑，安装位置更接近，在保证运动精度的前提下，工作平台的承载量更大，保证了工作平台的运动一致性，使得层式两自由度柔性并联平台满足了在两自由度下分别独立运动的要求。

在一些实施例中，所述第一柔性直线运动单元形成为柔性双平行四杆机构。

在一些实施例中，所述第一柔性直线运动单元包括：输入杆，所述输入杆与所述驱动电机相连；连接杆，所述连接杆平行于所述输入杆延伸并与所述输入杆间隔布置；输出部，所述输出部包括两个，两个所述输出部分别位于所述输入杆沿长度方向的两侧并与所述输入杆的长度方向的两个端面间隔开，且两个所述输出部与所述输入杆在同一直线上；多个第一柔性板，多个所述第一柔性板均垂直于输入杆和所述连接杆延伸，多个第一柔性板中的至少两个连接在所述输入杆与所述连接杆之间，多个所述第一柔性板中的至少一个连接在所述连接杆与两个所述输出部中的其中一个之间，多个所述第一柔性板中的至少一个连接在所述连接杆与两个所述输出部中的另一个之间。

在一些实施例中，所述第一柔性板包括一个柔性薄板或在厚度方向层叠布置的多个柔性薄板。

进一步地，所述第二台层还包括：第一固定座和第二固定座，所述第一固定座上形成有第一凹槽，所述第二固定座上形成有与所述第一凹槽相互垂直的第二凹槽，所述第一传动杆可移动地设在所述第一凹槽内，所述第二传动杆可移动地设在所述第二凹槽内。

进一步地，所述第二台层包括：第一连杆，所述第一连杆平行于所述第一传动杆延伸，所述第一连杆包括两个，两个所述第一连杆分别布置在所述第一传动杆的在第二方向上的两侧，每个所述第一连杆的长度方向方向的两端与所述第一固定座之间分别连接有至少一个第二柔性板，每个所述第一连杆的两端与所述第一传动杆的两端之间分别连接有至少一个所述第二柔性板，其中，多个所述第二柔性板相互平行设置；第二连杆，所述第二连杆平行于所述第二传动杆延伸，所述第二连杆包括两个，两个所述第二连杆分别布置在所述第二传动杆的在第一方向上的两侧，每个所述第二连杆的长度方向方向的两端与所述第二固定座之间分别连接有至少一个第三柔性板，每个所述第二连杆的两端与所述第二传动杆的两端之间分别连接有至少一个所述第三柔性板，其中，多个所述第三柔性板相互平行设置。

进一步地，所述第一连杆上形成有第一通过孔，所述第一传动杆上形成有与所述第一通过孔在第二方向对齐的第二通过孔，所述第二连杆和所述第二传动杆穿过所述第一通过孔和所述第二通过孔，其中，所述第一连杆的上表面、所述第一传动杆的上表面、所述第二连杆的上表面和所述第二传动杆的上表面在同一平面内。

更进一步地，层式两自由度柔性并联平台还包括：多个平面副，多个所述平面副在所述工作平台的周向间隔布置，所述平面副构造成用于限定所述工作平台在所述工作平台所在的平面内移动。

更进一步地，所述平面副包括：平面固定部、平面柔性件和平面移动部，所述平面移动部与所述工作平台固定相连，所述平面柔性件包括多个，多个所述平面柔性件均连接在所述平面移动部和所述平面固定部之间，多个所述平面柔性件关于所述平面移动部和所述平面固定部之间的连线对称布置。

更进一步地，所述平面柔性件为L型板簧。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的层式两自由度柔性并联平台的机构简图的示意图；

图2是根据本发明实施例的层式两自由度柔性并联平台的示意图；

图3是图2中所示的第一台层的示意图；

图4是图2中所示的第二台层的示意图；

图5是图4中所示的第一传动杆和第一连杆的连接示意图；

图6是图4中所示的第二传动杆和第二连杆的连接示意图；

图7是图2中所示的平面副的示意图。

附图标记：

层式两自由度柔性并联平台100：

第一台层1，

工作平台11，

第一柔性直线运动单元12，输入杆121，连接杆122，输出部123，第一柔性板124，

第二台层2，

第一传动杆21，第二通过孔211，第二传动杆22，

第一连杆23，第一通过孔231，

第二连杆24，

第一固定座25，第一凹槽251，

第二固定座26，第二凹槽261，

第二柔性板27，第三柔性板28，

平面副3，

平面固定部31，平面柔性件32，平面移动部33。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图7描述根据本发明实施例的层式两自由度柔性并联平台100。

如图1所示，根据本发明实施例的层式两自由度柔性并联平台100，包括：第一台层1、第二台层2和驱动电机(图未示出)。

具体地，第一台层1包括工作平台11和四个第一柔性直线运动单元12，工作平台11所在平面具有相互垂直的第一方向(如图2所示前后方向)和第二方向(如图2所示左右方向)，四个第一柔性直线运动单元12中的其中两个分别连接在第一台层1在第一方向上的两侧，四个第一柔性直线运动单元12中的另外两个分别连接在第一台层1在第二方向上的两侧。如图1所示，四个第一柔性直线运动单元12中的其中两个分别连接在第一台层1的前后两侧，四个第一柔性直线运动单元12中的另外两个分别连接在第一台层1的左右两侧。

第二台层2包括：第一传动杆21和第二传动杆22，第一传动杆21沿第一方向延伸，在第一方向上的两个第一柔性直线运动单元12分别与第一传动杆21相连，第二传动杆22沿第二方向延伸，在第二方向上的两个第一柔性直线运动单元12分别与第二传动杆22相连。如图1所示，与第一台层1前后两侧相连的两个第一柔性直线运动单元12分别与第一传动杆21相连，与第一台层1左右两侧相连的两个第一柔性直线运动单元12分别与第二传动杆22相连。

驱动电机包括：第一电机和第二电机，第一电机与第一传动杆21相连用于驱动第一传动杆21在第一方向上移动，第二电机与第二传动杆22相连用于驱动第二传动杆22在第二方向上移动。可以理解的是，第一电机与第一传动杆21相连，用于驱动第一传动杆21在前后方向上移动，第二电机与第二传动杆22相连用于驱动第二传动杆22在左右方向上移动，从而实现工作平台11整体的两自由度的直线运动。

根据本发明实施例的层式两自由度柔性并联平台100，通过将四个第一柔性直线运动单元12中的其中两个均分别与工作平台11和第一传动杆21相连接，四个第一柔性直线运动单元12中的另外两个均分别与工作平台11和第二传动杆22相连接，由此，使得层式两自由度柔性并联平台100的结构更紧凑，安装位置更接近，在保证运动精度的前提下，工作平台11的承载量更大，保证了工作平台11的运动一致性，使得层式两自由度柔性并联平台100满足了在两自由度下分别独立运动的要求。

在本发明的一些实施例中，第一柔性直线运动单元12形成为柔性双平行四杆机构，柔性双平行四杆机构能够减少层式两自由度柔性并联平台100的寄生运动，从而提高工作平台11的运动精度。

在本发明的一些实施例中，第一柔性直线运动单元12包括：输入杆121、连接杆122、输出部123和多个第一柔性板124。输入杆121与驱动电机相连，连接杆122平行于输入杆121延伸并与输入杆121间隔布置，如图3所示，输出部123包括两个，两个输出部123分别位于输入杆121沿长度方向的两侧，并且两个输出部123分别与输入杆121的长度方向的两个端面间隔开，且两个输出部123与输入杆121在同一直线上，由此，第一柔性直线运动单元12的结构简单，消除了运动直线方向以外方向的寄生运动。

在一个实施例中，如图2所示，第一柔性直线运动单元12还包括连接部，连接部包括两个，两个连接部的一端均与工作平台11相连，两个连接部的另一端均与第一柔性直线运动单元12的输出部123相连。这样，使工作平台11运动的力由输入杆121传递至连接杆122，接着由连接杆122传递至输出部123，最后由输出部123传递至连接部，进而传递至工作平台11，工作平台11发生位移。

进一步地，参照图3所示，多个第一柔性板124均垂直于输入杆121和连接杆122延伸，多个第一柔性板124中的至少两个连接在输入杆121与连接杆122之间，多个第一柔性板124中的至少一个连接在连接杆122与两个输出部123中的其中一个之间，多个第一柔性板124中的至少一个连接在连接杆122与两个输出部123中的另一个之间。第一柔性直线运动单元12形成具有两个嵌套平行四边形，两组对边作为第一柔性板124变形使机构运动，由此，第一柔性直线运动单元12的设计巧妙，保证了运动过程中的位移量精确可控。

在本发明的一些实施例中，第一柔性板124包括一个柔性薄板或在厚度方向层叠布置的多个柔性薄板。也就是说，第一柔性板124可以是一个柔性薄板，也可以是在厚度方向上层叠布置的多个柔性薄板，可以根据层式两自由度柔性并联平台100的实际需要选择安装。

在本发明的一些实施例中，第二台层2还包括：第一固定座25和第二固定座26，如图4所示出地，第一固定座25上形成有第一凹槽251，第二固定座26上形成有与第一凹槽251相互垂直的第二凹槽261。

进一步地，第二台层2包括：第一连杆23和第二连杆24，第一连杆23平行于第一传动杆21延伸，第二连杆24平行于第二传动杆22延伸。

具体地，参照图5所示，第一连杆23包括两个，两个第一连杆23分别布置在第一传动杆21的在第二方向上的两侧，每个第一连杆23的长度方向的两端与第一固定座25之间分别连接有至少一个第二柔性板27，每个第一连杆23的两端与第一传动杆21的两端之间分别连接有至少一个第二柔性板27，其中，多个第二柔性板27相互平行设置。

如图6所示，第二连杆24包括两个，两个第二连杆24分别布置在第二传动杆22的在第一方向上的两侧，每个第二连杆24的长度方向的两端与第二固定座26之间分别连接有至少一个第三柔性板28，每个第二连杆24的两端与第二传动杆22的两端之间分别连接有至少一个第三柔性板28，其中，多个第三柔性板28相互平行设置。

也就是说，两个第一连杆23分别布置在第一传动杆21的左右两侧，且第一连杆23与第一传动杆21相互平行，两个第二连杆24分别布置在第二传动杆22的前后两侧，且第二连杆24与第二传动杆22相互平行，由此，第二台层2的结构简单，便于制造，与第一传动杆21平行设置的两个第一连杆23和与第二传动杆22平行设置的两个第二连杆24，提高了工作平台11的位移一致性和精确性。

例如图5所示，在一个实施例中，两个第一连杆23分别布置在第一传动杆21的左右两侧，且每个第一连杆23均与第一传动杆21平行，每个第一连杆23的前端与第一固定座25之间连接有一个第二柔性板27，每个第一连杆23的后端与第一固定座25之间连接有一个第二柔性板27，每个第一连杆23的前端与第一传动杆21的前端之间连接有一个第二柔性板27，每个第一连杆23的后端与第一传动杆21的后端之间连接有一个第二柔性板27，每个第二柔性板27均相互平行。

例如图6所示，两个第二连杆24分别布置在第二传动杆22的前后两侧，且每个第二连杆24均与第二传动杆22平行，每个第二连杆24的左端与第二固定座26之间连接有一个第三柔性板28，每个第二连杆24的右端与第二固定座26之间连接有一个第三柔性板28，每个第二连杆24的左端与第二传动杆22的左端之间连接有一个第三柔性板28，每个第二连杆24的右端与第二传动杆22的左端之间连接有一个第三柔性板28，每个第三柔性板28均相互平行。

在本发明的一些实施例中，第一连杆23上形成有第一通过孔231，第一传动杆21上形成有与第一通过孔231在第二方向对齐的第二通过孔211，第二连杆24和第二传动杆22穿过第一通过孔231和第二通过孔211，其中，第一连杆23的上表面、第一传动杆21的上表面、第二连杆24的上表面和第二传动杆22的上表面在同一平面内。由此，有效的利用空间，保证了层式两自由度柔性并联平台100的整体结构的紧凑性，增大了工作平台11的承载量，避免了运动干涉的前提下减少整体的分布层数。

在本发明的一些实施例中，层式两自由度柔性并联平台100还包括：多个平面副3，多个平面副3在工作平台11的周向间隔布置，平面副3构造成用于限定工作平台11在工作平台11所在的平面内移动，也就是说，平面副3能够使得工作平台11在工作平台11所在的平面内移动，同时平面副3提高了层式两自由度柔性并联平台100的整体刚度。

在本发明的一些实施例中，平面副3包括：平面固定部31、平面柔性件32和平面移动部33，平面移动部33与工作平台11固定相连，平面柔性件32包括多个，多个平面柔性件32均连接在平面移动部33和平面固定部31之间，多个平面柔性件32关于平面移动部33和平面固定部31之间的连线对称布置，平面副3可以实现平面移动部33相对平面固定部31在同一个平面内自由移动，由此，平面副3的设计巧妙，运用合理，保证了工作平台11在机构分层的情况下，仍然能在工作平台11所在的平面内水平运动，使得层式两自由度柔性并联平台100满足了在两自由度下分别独立运动的要求。

优选地，平面柔性件32为L型板簧。如图7所示，两个L型板簧的上端均与平面移动部33相连，两个L型板簧的下端均与平面固定部31相连。由此，平面副3结构简单，便于生产制造。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种层式两自由度柔性并联平台，其特征在于，包括：

第一台层，所述第一台层包括工作平台和四个第一柔性直线运动单元，所述工作平台所在平面具有相互垂直的第一方向和第二方向，四个所述第一柔性直线运动单元中的其中两个分别连接在所述第一台层在所述第一方向上的两侧，四个所述第一柔性直线运动单元中的另外两个分别连接在所述第一台层在所述第二方向上的两侧；

第二台层，所述第二台层包括：第一传动杆和第二传动杆，所述第一传动杆沿第一方向延伸，在所述第一方向上的两个所述第一柔性直线运动单元分别与所述第一传动杆相连，所述第二传动杆沿第二方向延伸，在所述第二方向上的两个所述第一柔性直线运动单元分别与所述第二传动杆相连；

驱动电机，所述驱动电机包括：第一电机和第二电机，所述第一电机与所述第一传动杆相连用于驱动所述第一传动杆在所述第一方向上移动，所述第二电机与所述第二传动杆相连用于驱动所述第二传动杆在所述第二方向上移动；

所述第二台层还包括：第一固定座和第二固定座，所述第一固定座上形成有第一凹槽，所述第二固定座上形成有与所述第一凹槽相互垂直的第二凹槽，所述第一传动杆可移动地设在所述第一凹槽内，所述第二传动杆可移动地设在所述第二凹槽内；

所述第二台层包括：

第一连杆，所述第一连杆平行于所述第一传动杆延伸，所述第一连杆包括两个，两个所述第一连杆分别布置在所述第一传动杆的在第二方向上的两侧，每个所述第一连杆的长度方向的两端与所述第一固定座之间分别连接有至少一个第二柔性板，每个所述第一连杆的两端与所述第一传动杆的两端之间分别连接有至少一个所述第二柔性板，其中，多个所述第二柔性板相互平行设置；

第二连杆，所述第二连杆平行于所述第二传动杆延伸，所述第二连杆包括两个，两个所述第二连杆分别布置在所述第二传动杆的在第一方向上的两侧，每个所述第二连杆的长度方向的两端与所述第二固定座之间分别连接有至少一个第三柔性板，每个所述第二连杆的两端与所述第二传动杆的两端之间分别连接有至少一个所述第三柔性板，其中，多个所述第三柔性板相互平行设置。

2.根据权利要求1所述的层式两自由度柔性并联平台，其特征在于，所述第一柔性直线运动单元形成为柔性双平行四杆机构。

3.根据权利要求2所述的层式两自由度柔性并联平台，其特征在于，所述第一柔性直线运动单元包括：

输入杆，所述输入杆与所述驱动电机相连；

连接杆，所述连接杆平行于所述输入杆延伸并与所述输入杆间隔布置；

输出部，所述输出部包括两个，两个所述输出部分别位于所述输入杆沿长度方向的两侧并与所述输入杆的长度方向的两个端面间隔开，且两个所述输出部与所述输入杆在同一直线上；

多个第一柔性板，多个所述第一柔性板均垂直于输入杆和所述连接杆延伸，多个第一柔性板中的至少两个连接在所述输入杆与所述连接杆之间，多个所述第一柔性板中的至少一个连接在所述连接杆与两个所述输出部中的其中一个之间，多个所述第一柔性板中的至少一个连接在所述连接杆与两个所述输出部中的另一个之间。

4.根据权利要求3所述的层式两自由度柔性并联平台，其特征在于，所述第一柔性板包括一个柔性薄板或在厚度方向层叠布置的多个柔性薄板。

5.根据权利要求1所述的层式两自由度柔性并联平台，其特征在于，所述第一连杆上形成有第一通过孔，所述第一传动杆上形成有与所述第一通过孔在第二方向对齐的第二通过孔，所述第二连杆和所述第二传动杆穿过所述第一通过孔和所述第二通过孔，其中，所述第一连杆的上表面、所述第一传动杆的上表面、所述第二连杆的上表面和所述第二传动杆的上表面在同一平面内。

6.根据权利要求1所述的层式两自由度柔性并联平台，其特征在于，还包括：多个平面副，多个所述平面副在所述工作平台的周向间隔布置，所述平面副构造成用于限定所述工作平台在所述工作平台所在的平面内移动。

7.根据权利要求6所述的层式两自由度柔性并联平台，其特征在于，所述平面副包括：平面固定部、平面柔性件和平面移动部，所述平面移动部与所述工作平台固定相连，所述平面柔性件包括多个，多个所述平面柔性件均连接在所述平面移动部和所述平面固定部之间，多个所述平面柔性件关于所述平面移动部和所述平面固定部之间的连线对称布置。

8.根据权利要求7所述的层式两自由度柔性并联平台，其特征在于，所述平面柔性件为L型板簧。

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