CN113655612B - 一种高稳定性二维姿态调整机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高稳定性二维姿态调整机构，属于仪器设备领域，其包括调节台、底座、平行设于底座上的两个直线驱动器，设于两个驱动器之间的两个柔性连接组件，设于底座与调节台之间的抬举器组，抬举器组用于将调节台抬升并离开底座，两个直线驱动器用于分别带动两个柔性连接组件同向或反向移动，从而带动调节台径向平移或轴向旋转。使用时，抬举器通过一定的抬升力来隔开调节台和底座，避免调节台和底座之间的相互摩擦，然后驱动两个直线驱动器，调节相同或相反方向运动，从而实现调节台的平动调节和平面内的角度调节，两个驱动器的所有运动都可以分解成上述两个运动的叠加，从而实现了调节台在水平面内特定直线方向和水平面内角度的联动调节。

Description

一种高稳定性二维姿态调整机构

技术领域

本发明涉及仪器设备领域，特别是一种高稳定性二维姿态调整机构。

背景技术

在大科学装置应用中，需要对关键元器件移动到特定位置并进行相应的角度姿态调整。比如在先进X射线光源中，需要使用偏转镜或KB聚焦镜等光学元件对X光进行微小角度调整，同时在一些情况下需要将该光学元件平移出X光路。对于该类调节机构，通常采用串联的堆叠调节机构进行调节，即一层平移调节，一层角度调节。这样在一定程度上增加了误差的传递，同时，由于运动调节机构的空回误差，进一步影响了整个机构的稳定性。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高稳定性二维姿态调整机构。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高稳定性二维姿态调整机构，包括调节台、第一柔性连接组件、第一直线驱动器、第二柔性连接组件、第二直线驱动器、底座和抬举器组；

所述第一直线驱动器和第二直线驱动器平行设置于所述底座上；

所述第一柔性连接组件和第二柔性连接组件分别与所述第一直线驱动器和第二直线驱动器连接，所述调节台连接在所述第一柔性连接组件和第二柔性连接组件之间；

所述第一直线驱动器和第二直线驱动器用于分别带动所述第一柔性连接组件和第二柔性连接组件同向移动或反向移动，从而带动所述调节台径向平移或轴向旋转；

所述抬举器组设于所述底座与调节台之间，所述抬举器组用于将所述调节台抬升并离开所述底座。

进一步的，所述抬举器组包括多个抬举器；各所述抬举器与所述调节台下侧抵持。

进一步的，所述调节台下侧设置多个抵持部，各所述抬举器与各所述抵持部抵持；

优选的，所述抵持部设有锥台型凹槽，所述锥台型凹槽内形成第一锥型面；

所述抬举器设有与所述第一锥型面相匹配的第二锥型面，所述抬举器通过所述第一锥型面和第二锥型面的配合，从而抵持在所述调节台下侧。

进一步的，所述抬举器为气动抬举器；

所述气动抬举器包括气浮面、用于向气浮面通气的吹气孔、以及设于气浮面上侧的锥型凸台，所述锥型凸台形成所述第二锥形面；

优选的，所述气浮面与所述底座直接接触；

优选的，所述底座上设置凸台，所述气浮面与所述凸台直接接触。

进一步的，所述锥台型凹槽内设有环形凸台；所述锥型凸台设有与所述环形凸台匹配的环形凹槽。

进一步的，所述第一柔性连接组件和第二柔性连接组件数量为两个或多个；

优选的，所述第一柔性连接组件和所述第二柔性连接组件数量为两个，且分别对称设置于所述第一直线驱动器和第二直线驱动器两端。

进一步的，所述第一柔性连接组件和第二柔性连接组件均为柔性铰链；所述柔性铰链用于提供沿所述抬举器组抬升方向的自由度和沿所述调节台轴向旋转方向的自由度。

进一步的，所述第一柔性连接组件包括第一竖直柔性件和第一旋转柔性件；

所述第一竖直柔性件一端连接所述调节台一侧，另一端连接所述第一旋转柔性件的一端；所述第一旋转柔性件的另一端连接所述第一直线驱动器；

所述第二柔性连接组件包括第二竖直柔性件和第二旋转柔性件；

所述第二竖直柔性件一端连接所述调节台另一侧，另一端连接所述第二旋转柔性件的一端；所述第二旋转柔性件的另一端连接所述第二直线驱动器。

进一步的，所述高稳定性二维姿态调整机构在水平放置状态下，所述第一竖直柔性件设置于第一平面，所述第一平面与水平面的夹角为0°-60°，优选为所述第一平面与水平面的夹角为0°；

所述高稳定性二维姿态调整机构在水平放置状态下，所述第一旋转柔性件设置于第二平面，所述轴向移动方向（24）与所述第二平面的夹角为30°-120°，优选为所述轴向移动方向（24）与所述第二平面的夹角为90°；

所述第二竖直柔性件、第二旋转柔性件分别和第一竖直柔性件、第一旋转柔性件对称设置于调节台两侧。

进一步的，所述第一竖直柔性件包括两块平行设置的第一柔性件，所述第一旋转柔性件包括两块平行设置的第二柔性件；

优选的，第一柔性连接组件还包括第一刚性连接件、第二刚性连接件和第三刚性连接件；

所述第一刚性连接件设于所述调节台一侧，所述第三刚性连接件设于所述第一直线驱动器；

所述两块第一柔性件平行设置于所述第一刚性连接件和第二刚性连接件之间，所述两块第二柔性件平行设置于所述第二刚性连接件和第三刚性连接件之间；

优选的，所述第一柔性件和第二柔性件分别选用不锈钢片和/或柔性铰链。

进一步的，所述第一直线驱动器和第二直线驱动器均为线性驱动器，优选为电机丝杠螺母结构和/或音圈电机导轨。

如上所述，本发明的一种高稳定性二维姿态调整机构，具有以下有益效果：

本发明的一种高稳定性二维姿态调整机构，通过二维的并联机构来实现一维平移和一维角度的姿态调节，同时通过加强固定连接来提高调整系统的稳定性。

具体的，使用过程中，首先开启所述抬举器组并使得所述调节台上升一定距离和所述底座无接触，避免调节台和底座之间的相互摩擦。然后驱动所述第一直线驱动器和所述第二直线驱动器，当所述第一直线驱动器和所述第二直线驱动器往相同方向调节时，所述调节台实现同方向的平动调节；当所述第一直线驱动器和所述第二直线驱动器往相反方向运动时，所述调节台实现水平面内的角度调节。所述第一直线驱动器和所述的第二直线驱动器的所有运动都可以分解成上述两个运动的叠加，从而实现了所述调节台在水平面内特定直线方向和水平面内角度的联动调节。

附图说明

图1是本发明所述高稳定性二维姿态调整机构的结构示意图；

图2是本发明所述调节台和底座的连接示意图；

图3是本发明所述第一柔性连接组件的结构示意图；

图4是本发明抬举器的结构示意图。

标号说明

1、调节台；11、第一锥型面；2、第一柔性连接组件；21、第一竖直柔性件；22、第一旋转柔性件；3、第一直线驱动器；31、导轨滑块；32、直线导轨；33、丝杠螺母组件；34、电机支架；35、电机；4、底座；41、凸台；5、抬举器组；51、第二锥型面；511、环形凹槽；52、气浮面；53吹气孔；6、第二柔性连接组件；7、第二直线驱动器；23、竖直移动方向；24、轴向移动方向；25、导轨移动方向；26、旋转方向。

实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种高稳定性二维姿态调整机构，在使用过程中，是将整个机构放到设备的某个机构处，真正需要调节的光学元件固定在调节台上，通过调节调节台来实现对光学元件的姿态调节。

本实施例中所述的高稳定性二维姿态调整机构在使用时，整个机构与水平面平行，用于调整水平面内的一维运动和沿竖直轴的水平摆动，后面对所述的部件进行了一些具体的外形等描述，在此先说明，该发明内容不仅限于上述的水平放置，也不仅限于下述的外形等描述。

如图1和3所示，定义竖直移动方向23，轴向移动方向24、导轨移动方向25以及旋转方向26。本发明提供一种高稳定性二维姿态调整机构，其包括长方形调节台1、第一柔性连接组件2、第一直线驱动器3、第二柔性连接组件6、第二直线驱动器7、底座4和抬举器组5。

其中，第一直线驱动器3和第二直线驱动器7平行设置于底座4上。第一柔性连接组件2和第二柔性连接组件6分别与第一直线驱动器3和第二直线驱动器7连接，调节台1连接在第一柔性连接组件2和第二柔性连接组件6之间。第一直线驱动器3和第二直线驱动器7用于分别带动第一柔性连接组件2和第二柔性连接组件6同向移动或反向移动，从而带动调节台1径向平移或轴向旋转。另外，参阅图2，抬举器组5设于底座4与调节台1之间，抬举器组5用于将调节台1抬升并离开底座4。

具体的，所述第一直线驱动器3和所述第二直线驱动器7固定在所述底座4上，且使得两个驱动器的运动方向平行一致。所述底座4作为调整机构的基准和参考，具体的可为作为调节台1姿态调整的基准和参考。调节台1上设置固定件，固定件用于固定待调整物，二维姿态调整机构对调节台姿态进行调整，进而完成对待调整物的姿态调整。在不调节的期间，所述调节台1和所述底座4通过所述抬举器组5相连接，或者所述调节台1和所述底座4直接接触，并通过重力和对应的摩檫力固定或者通过其它方式的吸引力使得所述调节台1和所述底座4相互固定。在调节过程中，所述的抬举器组5开始工作，使得所述的调节台1抬升并和所述的底座4隔开，使得调节台1和底座4之间无滑动摩擦。

进一步的，所述抬举器组5可由四个抬举器构成，各所述抬举器与所述调节台1下侧抵持且位于靠近调节台下侧的四角，使得提供均匀的抬升力。抬举器的主要功能是在调节过程中通过一定的抬升力隔开所述调节台1和所述底座4，避免所述调节台1和所述底座4之间的相互摩擦，并且在不调节的过程中，卸掉抬升力或者施加吸引力，保持所述调节台1和所述底座4直接的直接接触以提高所述调节台1的稳定性。

进一步的，所述的抬举器可以是气体驱动，也可以是电磁驱动。

进一步的，所述第一柔性连接组件2和第二柔性连接组件6可以由若干柔性连接件组成，对于每一个柔性连接件，都有两个竖直方向的自由度和指向旋转中心的自由度，且其它方向有较大的刚度，只存在小部分耦合自由度。

进一步的，调节台1下侧设置多个抵持部，各抬举器与各抵持部抵持。优选的，抵持部设有锥台型凹槽，锥台型凹槽内形成第一锥型面11，抬举器设有与第一锥型面11相匹配的第二锥型面51，所述抬举器通过第一锥型面11和第二锥型面51的配合，从而抵持在所述调节台1下侧。

在一个优选的实施例中，如图4所示，所述抬举器为气动抬举器。所述气动抬举器包括气浮面52、用于向气浮面通气的吹气孔53、以及设于气浮面上侧的锥型凸台，所述锥型凸台形成所述第二锥型面51。

优选的，所述气浮面52与所述底座4直接接触。优选的，所述底座4上设置凸台41，所述气浮面52与所述凸台41直接接触。当所述的抬举器组5工作时，所述的气浮面52将输出大量气体形成气膜从而与其它物体隔开，通过采用气体的流量来控制形成的气膜，从而控制抬举器的抬升力。

进一步的，所述锥形凹槽内设有环形凸台，所述锥型凸台设有与所述环形凸台匹配的环形凹槽511。

在一个优选的实施例中，第一柔性连接组件2和第二柔性连接组件6数量为两个或多个。

优选的，第一柔性连接组件2和第二柔性连接组件6数量为两个，且分别对称设置于所述第一直线驱动器3和第二直线驱动器7两端。以更优选的方式实现第一直线驱动器3和第二直线驱动器7用于分别带动第一柔性连接组件2和第二柔性连接组件6同向移动或反向移动，从而带动调节台1径向平移或轴向旋转。

在一个优选的实施例中，第一柔性连接组件2和第二柔性连接组件6均为柔性铰链。柔性铰链用于提供沿抬举器组5抬升方向的自由度和沿调节台1轴向旋转方向的自由度。

在一个优选的实施例中，第一柔性连接组件2包括第一竖直柔性件21和第一旋转柔性件22，所述第一竖直柔性件21一端连接调节台1一侧，另一端连接第一旋转柔性件22的一端，所述第一旋转柔性件21的另一端连接第一直线驱动器3。

第二柔性连接组件6包括第二竖直柔性件和第二旋转柔性件，所述第二竖直柔性件一端连接调节台1另一侧，另一端连接所述第二旋转柔性件的一端，所述第二旋转柔性件的另一端连接第二直线驱动器7。

第一竖直柔性件21和第二竖直柔性件用于提供沿抬举器组5抬升方向的自由度，第一旋转柔性件22和第二旋转柔性件用于提供沿调节台1轴向旋转方向的自由度。

优选的，高稳定性二维姿态调整机构在水平放置状态下，第一竖直柔性件设置于第一平面，第一平面与水平面的夹角为0°-60°，优选为第一平面与水平面的夹角为0°；

高稳定性二维姿态调整机构在水平放置状态下，第一旋转柔性件设置于第二平面，所述轴向移动方向24与第二平面的夹角为30°-120°，优选为轴向移动方向24与所述第二平面的夹角为90°；所述第二竖直柔性件、第二旋转柔性件分别和第一竖直柔性件、第一旋转柔性件对称设置于调节台1两侧。

在一个优选的实施例中，第一竖直柔性件包括两块平行设置的第一柔性件，所述第一旋转柔性件包括两块平行设置的第二柔性件。

优选的，第一柔性连接组件2还包括第一刚性连接件、第二刚性连接件和第三刚性连接件。所述第一刚性连接件设于所述调节台1一侧，所述第三刚性连接件设于所述第一直线驱动器3。所述两块第一柔性件平行设置于所述第一刚性连接件和第二刚性连接件之间，所述两块第二柔性件平行设置于所述第二刚性连接件和第三刚性连接件之间；

优选的，所述第一柔性件和第二柔性件分别选用不锈钢片和/或柔性铰链。

上述实施例中，所述第一直线驱动器3和第二直线驱动器7均为线性驱动器，优选为电机丝杠螺母结构和/或音圈电机导轨，或者其它线性运动机构。

优选的，所述第一直线驱动器3为电机驱动的丝杠螺母导轨结构，如图1所示，其包括导轨滑块31、直线导轨32、丝杠螺母组件33、电机支架34和电机35；

所述第二直线驱动器7与所述第一直线驱动器3设置相同。

具体的，所述的直线导轨32与所述底座4固定，所述导轨滑块31与所述直线导轨32配合，使得所述导轨滑块31只能沿所述导轨移动方向25的方向移动，所述导轨滑块31与所述丝杠螺母组件33连接。所述电机35通过所述电机支架34固定在所述的底座4上，电机的驱动轴与所述丝杠螺母组件33连接，而所述第一柔性连接组件2与所述导轨滑块31固定，这样所述电机35可以通过所述丝杠螺母组件33实现所述第一柔性连接组件2在所述导轨移动方向25上做直线运动。

所述第二直线驱动器7与所述第一直线驱动器3平行放置，且采用与所述第一直线驱动器3相同的方式来驱动所述第二柔性连接组件6在所述导轨移动方向25上做直线运动。

进一步的，还包括控制器及必要的传感器，均与各驱动部件电性连接，实现自动化控制。

在本实施方案中：

将整个调节机构放到设备的某个机构处，将需要进行调节的光学元件固定在调节台上，通过本发明的调节机构来实现对光学元件的姿态调节。

使用时，抬举器组5开始工作，高压气体使得所述的调节台略微上升，所述气浮面52与所述底座4上的凸台41不再接触。当所述第一直线驱动器3和所述第二直线驱动器7沿所述导轨移动方向25同向移动时，所述调节台1实现同方向的平动调节；当所述第一直线驱动器3和所述第二直线驱动器7 沿所述导轨移动方向25相反方向运动时，所述调节台1实现平面内所述旋转方向26上的角度调节。所述第一直线驱动器3和所述第二直线驱动器7的所有运动都可以分解成上述两个运动的叠加，从而实现了所述调节台1在平面内特定直线方向和平面内角度的联动调节。调节完毕后，关闭所述抬举器组5，使得所述调节台1下降到原位与所述底座4连接，并通过摩擦力固定。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (15)

1.一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，包括调节台（1）、第一柔性连接组件（2）、第一直线驱动器（3）、第二柔性连接组件（6）、第二直线驱动器（7）、底座（4）和抬举器组（5）；

所述第一直线驱动器（3）和第二直线驱动器（7）平行设置于所述底座（4）上；

所述第一柔性连接组件（2）和第二柔性连接组件（6）分别与所述第一直线驱动器（3）和第二直线驱动器（7）连接，所述调节台（1）连接在所述第一柔性连接组件（2）和第二柔性连接组件（6）之间；

所述第一直线驱动器（3）和第二直线驱动器（7）用于分别带动所述第一柔性连接组件（2）和第二柔性连接组件（6）同向移动或反向移动，从而带动所述调节台（1）径向平移或轴向旋转；

所述抬举器组（5）设于所述底座（4）与调节台（1）之间，所述抬举器组（5）用于将所述调节台（1）抬升并离开所述底座（4）；

其中，所述第一柔性连接组件（2）包括第一竖直柔性件（21）和第一旋转柔性件（22）；

所述第一竖直柔性件（21）一端连接所述调节台（1）一侧，另一端连接所述第一旋转柔性件（22）的一端；所述第一旋转柔性件（22）的另一端连接所述第一直线驱动器（3）；

所述第二柔性连接组件（6）包括第二竖直柔性件和第二旋转柔性件；

所述第二竖直柔性件一端连接所述调节台（1）另一侧，另一端连接所述第二旋转柔性件的一端；所述第二旋转柔性件的另一端连接所述第二直线驱动器（7）；

第一柔性连接组件（2）还包括第一刚性连接件、第二刚性连接件和第三刚性连接件；

所述第一刚性连接件设于所述调节台（1）一侧，所述第三刚性连接件设于所述第一直线驱动器（3）；

所述第一竖直柔性件（21）包括两块平行设置的第一柔性件，所述第一旋转柔性件（22）包括两块平行设置的第二柔性件；

所述两块第一柔性件平行设于所述第一刚性连接件和第二刚性连接件之间，所述两块第二柔性件平行设于所述第二刚性连接件和第三刚性连接件之间。

2.根据权利要求1所述的一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，所述抬举器组（5）包括多个抬举器；

各所述抬举器与所述调节台（1）下侧抵持。

3.根据权利要求2所述的一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，所述调节台（1）下侧设置多个抵持部，各所述抬举器与各所述抵持部抵持。

4.根据权利要求3所述的一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，

所述抵持部设有锥台型凹槽，所述锥台型凹槽内形成第一锥型面（11）；

所述抬举器设有与所述第一锥型面（11）相匹配的第二锥型面（51），所述抬举器通过所述第一锥型面（11）和第二锥型面（51）的配合从而抵持在所述调节台（1）下侧。

5.根据权利要求4所述的一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，所述抬举器为气动抬举器；

所述气动抬举器包括气浮面（52）、用于向气浮面通气的吹气孔（53）、以及设于气浮面上侧的锥型凸台，所述锥型凸台形成所述第二锥型面（51）。

6.根据权利要求5所述的一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，

所述气浮面（52）与所述底座（4）直接接触。

7.根据权利要求5所述的一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，

所述底座（4）上设置凸台（41），所述气浮面（52）与所述凸台（41）直接接触。

8.根据权利要求5所述的一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，所述锥台型凹槽内设有环形凸台；

所述锥型凸台设有与所述环形凸台匹配的环形凹槽。

9.根据权利要求1所述的一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，所述第一柔性连接组件（2）和第二柔性连接组件（6）数量为两个或多个。

10.根据权利要求6所述的一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，

所述第一柔性连接组件（2）和所述第二柔性连接组件（6）数量为两个，且分别对称设于所述第一直线驱动器（3）和第二直线驱动器（7）两端。

11.根据权利要求1所述的一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，所述高稳定性二维姿态调整机构在水平放置状态下，所述第一竖直柔性件设置于第一平面，所述第一平面与水平面的夹角为0°-60°；

所述高稳定性二维姿态调整机构在水平放置状态下，所述第一旋转柔性件设置于第二平面，轴向移动方向（24）与所述第二平面的夹角为30°-120°

所述第二竖直柔性件、第二旋转柔性件分别和第一竖直柔性件（21）、第一旋转柔性件（22）对称设于调节台（1）两侧。

12.根据权利要求11所述的一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，所述第一平面与水平面的夹角为0°；

所述轴向移动方向（24）与所述第二平面的夹角为90°。

13.根据权利要求1所述的一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，

所述第一柔性件和第二柔性件分别独自选用不锈钢片或柔性铰链。

14.根据权利要求1-13任一项所述的一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，所述第一直线驱动器（3）和第二直线驱动器（7）均为线性驱动器。

15.根据权利要求14所述的一种高稳定性二维姿态调整机构，其特征在于，所述第一直线驱动器（3）和第二直线驱动器（7）均选自电机驱动的丝杠螺母导轨结构或音圈电机驱动的导轨结构。