CN114198481B - 一种基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构，涉及柔性机构技术领域。它包括机构本体和驱动机构，机构本体包括固定基座、位移放大机构、导向机构、运动解耦机构和输出平台，通过立体式设计，在相同设计参数的情况下，将一个方向的运动链机构在另一个方向上的运动刚度设计到较大，从而有效降低一个方向的运动对另一个方向的运动干扰，即有效的减少了寄生误差，大大提高机构的运动精度。同时，X轴和Y轴两个方向运动单独控制即可，无需考虑运动控制解耦补偿的问题，因此大大简化了运动控制系统的复杂性，构型设计更合理，更好的输入输出运动解耦，控制系统要求更简单，更好地实现执行机构运动控制。
Description
技术领域
本发明涉及柔性机构技术领域，尤其是涉及一种基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构。
背景技术
柔性机构是指利用材料的弹性变形传递或转换运动、力或能量的一种机构，相比较于传统的刚性机构，柔性机构(铰链)具有许多优点：1)可以整体化(或一体化)设计和加工，故可简化结构、减小体积和重量、免于装配；2)无间隙和摩擦，可实现高精度运动；3)无磨损，使用寿命长；4)无需润滑，避免污染；5)可增大结构刚度等。由于柔性机构可以避免传统刚性机构诸多的缺点，使得它在微电子、光电子元器件的微制造和微操作、微机电系统(MEMS)、生物医学工程等这些定位精度和运动分辨率的要求一般在亚微米级甚至纳米级的领域中得到了广泛的应用。
同时，柔性机构由于其本身的运动特性，也具有一些缺陷，突出地表现在行程范围小和伴随有寄生运动，寄生运动是造成寄生误差的来源。寄生运动普遍存在于现存各类柔性机构(在柔性铰链中，寄生运动通常称为轴漂)中。而在精密工程领域，即使非常微小的寄生运动，对精度都有可能造成非常严重的影响。因此，如何创新性地设计解耦机构有效降低寄生运动，以减少寄生误差是提高运动精度的有效途径。针对两自由度运动平台，很多学者设计了各种不同的解耦运动机构，取得了一些成果。
本申请人发现现有技术中至少存在以下技术问题：1)现有相关并联运动执行机构寄生误差较大，一般在0.5％以上，对实现高精密运动存在很大的限制；2)串联运动机构存在误差的积累，难以实现高精密运动控制；3)现有相关运动执行机构运动行程较小，无法满足大行程运动场合的需要；4)由于寄生误差的存在，如果要达到更高精度的控制，需要在控制系统上考虑运动解耦(运动补偿)，因此相应的运动控制系统较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构，以解决现有技术中存在的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构，包括机构本体和驱动机构，所述机构本体包括固定基座、位移放大机构、导向机构、运动解耦机构和输出平台，所述固定基座在X轴方向和Y轴方向分别设置有一组所述驱动机构，每组所述驱动机构的输出端均与一组所述位移放大机构的输入端相接触，每组所述位移放大机构的输出端均与所述导向机构的输入端相接触，所述导向机构的输出端与所述运动解耦机构相连接，所述运动解耦机构与所述输出平台相连接。
优选地，所述固定基座在每个所述驱动机构的对应位置均开设有一个通孔，所述驱动机构放置在所述通孔内并且所述驱动机构远离所述位移放大机构的一端通过预紧螺钉顶紧在所述固定基座上。
优选地，所述位移放大机构包括第一级位移放大机构和第二级位移放大机构，所述第一级位移放大机构的输入端与所述驱动机构的输出端相接触，所述第一级位移放大机构的输出端与所述第二级位移放大机构的输入端相接触，所述第二级位移放大机构的输出端与所述导向机构的输入端相接触。
优选地，所述第一级位移放大机构和所述第二级位移放大机构中均设置有第一柔性铰链，所述第一柔性铰链采用簧片型铰链或缺口型铰链。
优选地，所述导向机构包括第一导向机构和第二导向机构，每组所述位移放大机构的输出端均与一组所述第一导向机构的输入端相接触，每组所述第一导向机构均对称设置有一组所述第二导向机构，所述第一导向机构和所述第二导向机构均与所述运动解耦机构相连接。
优选地，所述第一导向机构和所述第二导向机构均为平行四边形导向机构并且均设置有第二柔性铰链，所述第二柔性铰链采用簧片型铰链或缺口型铰链。
优选地，所述运动解耦机构包括两组相互垂直设置的运动机构，每组所述运动机构均包括两个双平行四边形机构，每个所述双平行四边形机构均设置有第三柔性铰链，所述第三柔性铰链采用簧片型铰链或缺口型铰链。
优选地，所述输出平台包括顶框和立柱，所述顶框的四个边角的底部分别与一个所述立柱的顶部一体式连接，每个所述立柱均与所述运动解耦机构一体式连接。
优选地，所述驱动机构为压电陶瓷。
优选地，所述机构本体由电火花线切割一体化加工成型。
本发明的有益效果为：基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构包括机构本体和驱动机构，机构本体包括固定基座、位移放大机构、导向机构、运动解耦机构和输出平台，固定基座在X轴方向和Y轴方向分别设置有一组驱动机构，每组驱动机构的输出端均与一组位移放大机构的输入端相接触，每组位移放大机构的输出端均与导向机构的输入端相接触，导向机构的输出端与运动解耦机构相连接，运动解耦机构与输出平台相连接；
位移放大机构、导向机构和运动解耦机构中均应用了柔性铰链，通过采用具有无间隙、无摩擦、无磨损、无需润滑、无需装配等优势的柔性铰链设计柔性运动执行机构，可以达到简化机构、降低质量并能实现高精密运动的目的，同时采用并联方式设计，通过将柔性铰链的特殊布局设计来实现运动的解耦，同时减小运动误差的累计；
通过立体式设计，在相同设计参数的情况下，将一个方向的运动链机构在另一个方向上的运动刚度设计到较大，从而有效降低一个方向的运动对另一个方向的运动干扰，即有效的减少了寄生误差，大大提高机构的运动精度。同时，X轴和Y轴两个方向运动单独控制即可，无需考虑运动控制解耦补偿的问题，因此大大简化了运动控制系统的复杂性，构型设计更合理，更好的输入输出运动解耦，控制系统要求更简单，更好地实现执行机构运动控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明中运动解耦机构和输出平台的结构图；
图中1、机构本体；
11、固定基座；111、通孔；
12、位移放大机构；121、第一级位移放大机构；122、第二级位移放大机构；
13、导向机构；131、第一导向机构；132、第二导向机构；
14、运动解耦机构；141、运动机构；1411、双平行四边形机构；
15、输出平台；151、顶框；152、立柱；
2、驱动机构；
3、预紧螺钉。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“侧向”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图1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设备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。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，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。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1到图3，本发明提到了一种基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构，包括机构本体1和驱动机构2，机构本体1包括固定基座11、位移放大机构12、导向机构13、运动解耦机构14和输出平台15，固定基座11作为并联两自由度精密运动执行机构的固定端，可优选与其他固定设备或其他平台输出端通过4个M4的螺纹孔连接固定，固定基座11在X轴方向和Y轴方向分别设置有一组驱动机构2，每组驱动机构2的输出端均与一组位移放大机构12的输入端相接触，每组位移放大机构12的输出端均与导向机构13的输入端相接触，导向机构13的输出端与运动解耦机构14相连接，运动解耦机构14与输出平台15相连接；
本实施中，位移放大机构12、导向机构13和运动解耦机构14中均应用了柔性铰链，通过采用具有无间隙、无摩擦、无磨损、无需润滑、无需装配等优势的柔性铰链设计柔性运动执行机构，可以达到简化机构、降低质量并能实现高精密运动的目的，同时采用并联方式设计，通过将柔性铰链的特殊布局设计来实现运动的解耦，同时减小运动误差的累计；
本实施例通过立体式设计，在相同设计参数的情况下，将一个方向的运动链机构在另一个方向上的运动刚度设计到较大，从而有效降低一个方向的运动对另一个方向的运动干扰，即有效的减少了寄生误差，大大提高机构的运动精度。同时，X轴和Y轴两个方向运动单独控制即可，无需考虑运动控制解耦补偿的问题，因此大大简化了运动控制系统的复杂性，构型设计更合理，更好的输入输出运动解耦，控制系统要求更简单，更好地实现执行机构运动控制。
作为可选地实施方式，固定基座11在每个驱动机构2的对应位置均开设有一个通孔111，通孔111为驱动机构2提供了安装空间，使结构更加紧凑，布局合理，驱动机构2放置在通孔111内，并且驱动机构2远离位移放大机构12的一端通过预紧螺钉3顶紧在固定基座11上，预紧螺钉3能够对驱动机构2进行有效限位，从而保证驱动机构2输出位移的有效性。
作为可选地实施方式，位移放大机构12包括第一级位移放大机构121和第二级位移放大机构122，第一级位移放大机构121的输入端与驱动机构2的输出端相接触，第一级位移放大机构121的输出端与第二级位移放大机构122的输入端相接触，第二级位移放大机构122的输出端与导向机构13的输入端相接触，本实施例中，第一级位移放大机构121和第二级位移放大机构122均可优选采用Scott-Russell位移放大机构，由于驱动机构2本身运动行程较小，通过采用两级Scott-Russell位移放大机构，能够将驱动机构2的输出位移进行放大，以得到较大的最终位移输出，此机构中第一级理论位移放大倍数为3，第二级理论位移放大倍数为3.5，因此设计理论位移放大倍数为10.5倍。
作为可选地实施方式，第一级位移放大机构121和第二级位移放大机构122中均设置有第一柔性铰链，第一柔性铰链采用簧片型铰链或缺口型铰链，簧片型铰链或缺口型铰链均为第一柔性铰链的有效结构形式，能够根据实际使用需求灵活调整结构形式，丰富机构构型。
作为可选地实施方式，导向机构13包括第一导向机构131和第二导向机构132，每组位移放大机构12的输出端均与一组第一导向机构131的输入端相接触，每组第一导向机构131均对称设置有一组第二导向机构132，第一导向机构131和第二导向机构132均与运动解耦机构14相连接，两两对称设置的第一导向机构131和第二导向机构132能够起到良好的导向和平衡解耦的作用。
作为可选地实施方式，第一导向机构131和第二导向机构132均为平行四边形导向机构，平行四边形导向机构具有良好的导向效果，第一导向机构131和第二导向机构132均设置有第二柔性铰链，第二柔性铰链采用簧片型铰链或缺口型铰链，簧片型铰链或缺口型铰链均为第二柔性铰链的有效结构形式，能够根据实际使用需求灵活调整结构形式，丰富机构构型。
作为可选地实施方式，运动解耦机构14包括两组相互垂直设置的运动机构141，每组运动机构141均包括两个双平行四边形机构1411，每个双平行四边形机构1411均设置有第三柔性铰链，第三柔性铰链采用簧片型铰链或缺口型铰链，簧片型铰链或缺口型铰链均为第三柔性铰链的有效结构形式，能够根据实际使用需求灵活调整结构形式，丰富机构构型，第三柔性铰链竖直设置，使运动解耦机构14形成立体式设计，通过可变形的第三柔性铰链将位移放大机构12的输出端与输出平台15相连，既能保证该方向的位移输出，又能避免另一个方向的位移输出传递到该方向的输入端，从而实现输入和输出的双运动解耦。
作为可选地实施方式，输出平台15包括顶框151和立柱152，顶框151的四个边角的底部分别与一个立柱152的顶部一体式连接，每个立柱152均与运动解耦机构14一体式连接，两个方向的位移通过输出平台15输出，也可连接其他设备或平台，实现输出传递，一体式的输出平台15，采用立体式设计，与同样立体式设计的运动解耦机构14相互配合，在相同设计参数的情况下，将一个方向的运动链机构在另一个方向上的运动刚度设计到较大，从而有效降低一个方向的运动对另一个方向的运动干扰，即有效的减少了寄生误差，大大提高机构的运动精度。同时，两个方向运动单独控制即可，无需考虑运动控制解耦补偿的问题，因此大大简化了运动控制系统的复杂性。
作为可选地实施方式，驱动机构2为压电陶瓷，压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等设备中，压电陶瓷具有高输出力和高分辨率，应用于本实施例中，具有良好的驱动效果，此外，驱动机构2还可为音圈电机或其它驱动方式，可针对不同的驱动机构2，也对机构结构本身进行优化，以达到合理的安装方式，保证了较高精度的位移输出。
作为可选地实施方式，机构本体1由电火花线切割一体化加工成型，材料优选为AL7075，一体化加工成型使结构形成一个整体，避免了一个自由度方向上装配过程中可能出现的误差，使构型设计更加合理，更好的输入输出运动解耦。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构，其特征在于，包括机构本体(1)和驱动机构(2)，其中：所述机构本体(1)包括固定基座(11)、位移放大机构(12)、导向机构(13)、运动解耦机构(14)和输出平台(15)，所述固定基座(11)在X轴方向和Y轴方向分别设置有一组所述驱动机构(2)，每组所述驱动机构(2)的输出端均与一组所述位移放大机构(12)的输入端相接触，每组所述位移放大机构(12)的输出端均与所述导向机构(13)的输入端相接触，所述导向机构(13)的输出端与所述运动解耦机构(14)相连接，所述运动解耦机构(14)与所述输出平台(15)相连接；
所述运动解耦机构(14)包括两组相互垂直设置的运动机构(141)，每组所述运动机构(141)均包括两个双平行四边形机构(1411)，每个所述双平行四边形机构(1411)均设置有第三柔性铰链，所述第三柔性铰链采用簧片型铰链或缺口型铰链。
2.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构，其特征在于：所述固定基座(11)在每个所述驱动机构(2)的对应位置均开设有一个通孔(111)，所述驱动机构(2)放置在所述通孔(111)内并且所述驱动机构(2)远离所述位移放大机构(12)的一端通过预紧螺钉(3)顶紧在所述固定基座(11)上。
3.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构，其特征在于：所述位移放大机构(12)包括第一级位移放大机构(121)和第二级位移放大机构(122)，所述第一级位移放大机构(121)的输入端与所述驱动机构(2)的输出端相接触，所述第一级位移放大机构(121)的输出端与所述第二级位移放大机构(122)的输入端相接触，所述第二级位移放大机构(122)的输出端与所述导向机构(13)的输入端相接触。
4.根据权利要求3所述的基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构，其特征在于：所述第一级位移放大机构(121)和所述第二级位移放大机构(122)中均设置有第一柔性铰链，所述第一柔性铰链采用簧片型铰链或缺口型铰链。
5.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构，其特征在于：所述导向机构(13)包括第一导向机构(131)和第二导向机构(132)，每组所述位移放大机构(12)的输出端均与一组所述第一导向机构(131)的输入端相接触，每组所述第一导向机构(131)均对称设置有一组所述第二导向机构(132)，所述第一导向机构(131)和所述第二导向机构(132)均与所述运动解耦机构(14)相连接。
6.根据权利要求5所述的基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构，其特征在于：所述第一导向机构(131)和所述第二导向机构(132)均为平行四边形导向机构并且均设置有第二柔性铰链，所述第二柔性铰链采用簧片型铰链或缺口型铰链。
7.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构，其特征在于：所述输出平台(15)包括顶框(151)和立柱(152)，所述顶框(151)的四个边角的底部分别与一个所述立柱(152)的顶部一体式连接，每个所述立柱(152)均与所述运动解耦机构(14)一体式连接。
8.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构，其特征在于：所述驱动机构(2)为压电陶瓷。
9.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的并联两自由度精密运动执行机构，其特征在于：所述机构本体(1)由电火花线切割一体化加工成型。
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