CN113246100A - 一种新型3-pss三维平动柔性并联微动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型3‑PSS三维平动柔性并联微动平台，包括机架、压电陶瓷运动平台、移动滑块、柔性球铰、连杆、动平台。压电陶瓷运动平台一共有三个，分别控制三个滑块在压电陶瓷运动平台上做竖直方向的直线运动。连杆和滑块之间以及动平台和连杆之间都是通过柔性球铰连接，每个滑块上的两根连杆构成平行四边形，连杆又作用于动平台，最终带动动平台运动，实现机构的动平台精确移动。本发明由于柔性铰链具有无间隙、无摩擦、和无润滑等一系列优点，使得由柔性铰链作为被动副所构建的机构具有高分辨率和高重复定位精度的特性。本发明的新型3‑PSS柔性并联微动平台可以在工作空间内提供微米级运动精度。

Description

一种新型3-PSS三维平动柔性并联微动平台

技术领域

本发明属于微细作业装备技术领域，涉及一种新型微米级精度定位3-PSS三维平动柔性并联微动平台。

背景技术

随着纳米技术的发展，微细作业系统应运而生，微动平台作为一种微细作业装备得到了巨大的发展。微动平台是一种将并联机器人技术引入微观领域后形成的一种微米作业装备。它除了具有机器人的基本特征外，还能适应未知作业环境，通过集成精密仪器技术来实现对微米级被操控对象的制造、定位、装配等操作处理。

随着机器人技术的逐步完善，各行业对微操机器人一般要求微米级或纳米级的运动精度、分辨率或者重复定位精度。而传统的机器人系统所采用的各种运动副，由于存在着间隙问题，导致无法满足精密微操作的要求，但是柔性机构的出现，得到了结构设计工程人员的极大重视。

对基于柔性机构的微操作机器人的研究最初主要集中在串联的、平面的、单自由度的系统，随着这类系统在超精密加工、光学调整、军事工程领域的不断应用，对基于柔性机构的微操作机器人系统的研究逐渐扩充到并联的、空间的、多自由度的系统，最典型最成功的应用就是基于柔性铰链的多自由度并联机器人系统。但采用柔性铰链作为运动副的机器人系统，其末端的位移是各支链驱动位移由柔性铰链变形传输所得到的，由于柔性铰链的变形量极为有限，这就必然导致机器人的末端工作空间相对狭小，其末端的工作空间多在立方微米级。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种用于精密装配的新型3-PSS三维平动柔性并联微动平台，该柔性并联微动平台具有一定的承载能力，结构简单紧凑、制造成本低、精度高等性能优点。

本发明所采用的技术方案是：一种新型3-PSS三维平动柔性并联微动平台，包括机架、连杆、动平台、移动滑块、压电陶瓷运动平台、柔性球铰；

所述压电陶瓷运动平台为三组，呈120°对称分布安装在所述机架上，均能在所述机架上独立做竖直方向上的上下运动；

所述移动滑块为三组，分别安装在所述压电陶瓷运动平台上，在所述压电陶瓷运动平台的驱动下，做竖直方向上的独立直线运动；

所述连杆两端均通过所述柔性球铰分别与所述移动滑块和所述动平台连接；通过所述压电陶瓷运动平台驱动所述移动滑块在竖直方向上做直线运动来实现所述动平台的精确移动。

作为优选，所述连杆为六根，两两一组，两端均通过所述柔性球铰分别与所述移动滑块和所述动平台连接。

作为优选，所述柔性球铰(6)，中间为圆弧形状，可以根据结构需要来设计不同的圆弧大小，选择不同的材料。柔性球铰的特别之处在于，一个球铰具有三个自由度，可以减少结构设计中所需的铰链的个数，节约制造成本。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明所述的一种新型3-PSS三维平动柔性并联微动平台，采用柔性球铰作为运动副，结合了柔性机构和并联机构的优点，使得基于柔性铰链的并联微动平台具有结构紧凑、刚度大、承载能力强、精度高、易于装配等一系列优点，并且解决了传统的并联机构由于摩擦、磨损、以及装配误差等原因所导致的精度较低的问题，在工程实践中具有重要意义。

(2)本发明所述的一种新型3-PSS三维平动柔性并联微动平台，机构中所采用的柔性铰链全部为柔性球铰，柔性球铰可以实现三个方向的转动，一个柔性球铰具有三个自由度，可以减少整体结构中所需要的柔性铰链的数量，使结构更加紧凑，降低制造成本的同时还具有高精度，高分辨率的特性，适用于许多特定环境下的微操作。

(3)本发明所述的一种新型3-PSS三维平动柔性并联微动平台，机构中三条支链呈120°对称分布，每条支链中含有两根连杆，两根连杆之间始终平行，根据反螺旋理论可知，机构具有三个平移自由度，可以在空间内实现三个方向的平移运动。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图。

图2为本发明实施例的内部结构示意图。

图3为本发明实施例的单条支链示意图。

图4为本发明实施例的压电陶瓷运动平台示意图。

图5为本发明实施例的柔性球铰的结构示意图。

其中，1、机架(静平台)；2、连杆；3、动平台；4、移动滑块；5、压电陶瓷运动平台；6、柔性球铰。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1-图5，本发明提供的一种新型3-PSS三维平动柔性并联微动平台，包括机架1、连杆2、动平台3、移动滑块4、压电陶瓷运动平台5、柔性球铰6；压电陶瓷运动平台5上设置有第一螺纹孔51和第二螺纹孔52；

压电陶瓷运动平台5为三组，呈120°对称分布通过第一螺纹孔51安装在机架1上，均能在机架1上独立做竖直方向上的上下运动；

移动滑块5为三组，通过第二螺纹孔52分别安装在压电陶瓷运动平台5上，在压电陶瓷运动平台5的驱动下，做竖直方向上的独立直线运动；

连杆2六根，两两为一组平行设置，两端均通过柔性球铰6分别与移动滑块4和动平台3连接；通过压电陶瓷运动平台5驱动移动滑块4在竖直方向上做直线运动来实现动平台3的精确移动。

本实施例的压电陶瓷运动平台5，如图4所示，由两个模块构成，其中导轨可以视作与机架固定的模块，另一个模块可以视为与移动滑块连接的部分；内部含有压电陶瓷，其中基座模块通过螺纹孔51安装固定在机架上，移动滑块通过螺纹孔52与压电陶瓷运动平台的基座相连，并且可以做独立的竖直方向的上下移动。三组压电陶瓷运动平台均能做独立竖直方向的上下移动。

请见图5，本实施例提供的柔性球铰的结构示意图，柔性球铰中间为圆弧形状，可以根据结构需要来设计不同的圆弧大小，选择不同的材料。柔性球铰的特别之处在于，一个球铰具有三个自由度，可以减少结构设计中所需的铰链的个数，节约制造成本。

本实施例的移动滑块4在导轨上做直线运动，为移动副，柔性球铰6为球面副。本实施例提供的一种新型3-PSS三维平动柔性并联微动平台中含有1个机架，3个滑块，6根连杆，1个动平台，共11个构件，该机构中有3个移动副，12个球面副，所以并联微动平台自由度可以采用Kutzbach-Grübler公式计算：

式中：M表示并联微动平台的自由度；

n表示包括机架在内的构件数目；

g表示并联微动平台的总运动副数目；

f_i表示第i个运动副的自由度数；

ν表示并联微动平台中全部过约束的总数；

ξ表示并联微动平台中存在的局部自由度。

计算得出M＝3，即并联微动平台的自由度为3，由反螺旋理论可知，该并联微动平台职能是三个移动自由度，即动平台可以在三个方向上实现平移运动。

本实施例的基于柔性铰链的柔性并联微动平台是一种典型的具有集中柔度的全柔性机构，其中被动关节采用的柔性球铰能够依靠其自身的变形提供与之相连的运动部件之间的运动，最终得到末端平台的期望位姿。

本实施例的移动滑块和连杆之间以及连杆和动平台之间通过柔性球铰(全向型柔性铰链)连接，柔性球铰具有无间隙、无摩擦、无润滑、高精度等优点、可以使机构具有高精度、高分辨率、高重复定位精度的特性。

本实施例的中所使用的柔性铰链全部为柔性球铰，相比于其他柔性铰链而言，柔性球铰可以实现三个方向的转动，一个柔性球铰具有三个自由度，可以减少整体结构设计所需要的柔性铰链数量，使得新型3-PSS三维平动柔性并联微动平台的结构更加简单、紧凑，同时降低制造成本。

尽管本说明书较多地使用了机架1、连杆2、动平台3、移动滑块4、压电陶瓷运动平台5、柔性球铰6等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，除非另有明确的规定和限定，本说明书中采用的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。“第一”“第二”“第三”“第四”不代表任何的序列关系，仅是为了方便描述进行的区分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种新型3-PSS三维平动柔性并联微动平台，其特征在于：包括机架(1)、连杆(2)、动平台(3)、移动滑块(4)、压电陶瓷运动平台(5)、柔性球铰(6)；

所述压电陶瓷运动平台(5)为三组，呈120°对称分布安装在所述机架(1)上，均能在所述机架(1)上独立做竖直方向上的上下运动；

所述移动滑块(5)为三组，分别安装在所述压电陶瓷运动平台(5)上，在所述压电陶瓷运动平台(5)的驱动下，做竖直方向上的独立直线运动；

所述连杆(2)两端均通过所述柔性球铰(6)分别与所述移动滑块(4)和所述动平台(3)连接；通过所述压电陶瓷运动平台(5)驱动所述移动滑块(4)在竖直方向上做直线运动来实现所述动平台(3)的精确移动。

2.根据权利要求1所述的新型3-PSS三维平动柔性并联微动平台，其特征在于：所述连杆(2)六根，两两为一组平行设置，两端均通过所述柔性球铰(6)分别与所述移动滑块(4)和所述动平台(3)连接。

3.根据权利要求1所述的新型3-PSS三维平动柔性并联微动平台，其特征在于：所述柔性球铰(6)，中间为圆弧形状，具有三个自由度。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的新型3-PSS三维平动柔性并联微动平台，其特征在于：所述移动滑块(4)作为移动副，柔性球铰(6)作为球面副；则所述并联微动平台自由度采用下述函数确定：

式中：M表示并联微动平台的自由度；n表示包括机架在内的构件数目；g表示并联微动平台的总运动副数目；f_i表示第i个运动副的自由度数；ν表示并联微动平台中全部过约束的总数；ξ表示并联微动平台中存在的局部自由度。

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