CN114922904B - 一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台 - Google Patents

Abstract

一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台，它涉及一种定位平台。本发明为了解决现有的并联定位平台存在行程小、动态性能差、寄生运动显著以及定位精度低的问题。本发明的xy解耦器产生xy平面解耦运动；xy中间平台作为连接xy解耦器和xyz导向机构的中间平台；xyz导向机构主要负载对z方向和xy方向的运动进行导向；输出平台作为最终的位移输出；支撑结构对整个平台提供固定支承。该平台所有的运动部件均由柔顺机构组成，具有无摩擦、无间隙和低维护需求特点。该平台在三个自由度均拥有厘米级行程，结构紧凑，动态性能好且寄生位移小。本发明用于在双光子聚合3D激光打印、3D微操作和微纳定位等要求平台精度高、行程大和高动态场合。

Description

一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台

技术领域

本发明涉及一种精密微纳定位平台，具体涉及一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台。

背景技术

精密微纳定位平台要求具备微米甚至纳米级别的分辨率，同时要求行程大、动态响应快和非运动方向寄生位移小。这种精密微纳定位平台在双光子聚合3D激光打印、3D微操作和微纳定位等场合具有广泛需求和应用潜能，他们的精度和动态性能直接影响了作业任务的精度、效率、尺度和成本等指标。

传统的精密定位平台一方面使用滚珠丝杠、滚动轴承和气悬浮等导向机构，但是他们要么精度受限、需要频繁的定期维护且不易于构建多自由度并联定位平台滚珠丝杠和滚动轴承，要么需要复杂昂贵的电气系统和笨重的结构气悬浮，不适用于微纳操作的高精度、高动态和高结构紧凑场合；另一方面也使用柔顺铰链作为支承导向机构，可以提供无摩擦、无间隙和低维护要求，但是目前基于柔顺机构的xyz并联定位平台受限于传统柔性铰链的弹性变形范围，现有的xyz并联定位平台行程一般较小，各轴行程通常在毫米级别；使用多层复合铰链或者提高柔顺铰链有效变形长度可以提升其行程，但是由于这种做法降低了平台刚度(在驱动力有限情况下)，因此使得定位平台固有频率下降，从而导致动态性能差。因此定位平台的行程大小和动态性能通常是矛盾的。但是合理的结构设计可以使得其在大行程的同时动态性能得到提升。

同时，目前绝大部分基于柔顺机构的xyz并联定位平台都是非对称设计，由于柔顺铰链对于各轴的解耦多使用平行四边形原理，因此在大行程下，各轴之间的运动耦合度大，同时在非期望运动(对于xyz定位平台，其他三个转动运动为寄生运动)的寄生运动也较大。

另外，目前大部分基于柔顺机构的xyz并联定位平台结构设计较不合理，空间利用率差，因此结构较为臃肿，其工作空间和平台体积的比例较小，使得其在上述提到的空间有限的应用上较为困难。

对于上述双光子聚合、细胞操作等应用常常需要对应的三维定位平台定位精度达到亚微米、甚至纳米级别，同时需要快速运动性能。由于平台的精度最终是驱动器的精度和定位平台机构运动传递性能的综合体现，现有的基于柔顺机构的xyz并联定位平台由于上述提到的各方面缺陷，使得其精度或者动态性能尚无法满足需要，因此还没有在实际应用中得到广泛推广，大部分仍停留在实验室研发阶段。

因此，为了进一步推进其实际应用，研发出具有合理的定位平台机构设计、低耦合、低寄生运动和高动态性能显得尤为重要。

综上所述，现有的并联定位平台存在行程小、动态性能差、寄生运动显著以及定位精度低的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的并联定位平台存在行程小、动态性能差、寄生运动显著以及定位精度低的问题。进而提供一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台。

本发明的技术方案是：一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台包括xyz导向机构支撑机构、输出平台、xyz导向机构、xy中间平台、多个xy解耦器和多个xy解耦器支撑结构，xyz导向机构为柔顺铰链机构，负载对z驱动力产生的z方向位移和xy方向的运动进行导向；xyz导向机构水平布置且xyz导向机构通过xyz导向机构支撑机构固定安装在水平地基上，输出平台安装在xyz导向机构上并输出x、y、z向位移；xy中间平台套装在xyz导向机构上，xy中间平台的外侧壁上分别安装有一个xy解耦器，每个xy解耦器的下端安装有一个xy解耦器支撑结构；其中，xy解耦器上的柔顺铰链、xy中间平台上的柔顺铰链、xyz导向机构上的xy导向叠层柔顺铰链和z导向叠层柔顺铰链均为复合叠层铰链，且在整个定位平台中对称布置。

进一步地，xy中间平台包括正方形框架和多个水平柔顺铰链，正方形框架的每个侧端面上分别安装有一个水平柔顺铰链。

进一步地，水平柔顺铰链为多层柔顺铰链，且多层柔顺铰链的中心位置设有连接块。

进一步地，xyz导向机构包括z方向输出平台、多个xy导向叠层柔顺铰链、多个z导向叠层柔顺铰链和多个T形连接件；z方向输出平台包括四个安装架体和四个安装槽体，四个安装架体和四个安装槽体以环形阵列的方式相互交错布置；每个安装架体的左右两侧端部分别安装有一个z导向叠层柔顺铰链；每个安装槽体内安装有一个T形连接件，T形连接件的水平段和竖直段分别安装有一个xy导向叠层柔顺铰链，且所述两个xy导向叠层柔顺铰链之间留有距离，用于安装输出平台，其中，水平段上的xy导向叠层柔顺铰链与xy中间平台的内侧壁连接，相邻两个z导向叠层柔顺铰链与xyz导向机构支撑机构连接。

进一步地，安装槽体上设有多个减重孔。

进一步地，xy解耦器包括解耦本体、连接耳和连接杆，连接耳安装在解耦本体长度方向的中心位置，连接耳与水平柔顺铰链的连接块连接，连接杆安装在解耦本体上，且连接杆位于连接耳的外侧端面上并安装在解耦本体上。

进一步地，解耦本体包括两个y轴叠层铰链和x轴叠片层，x轴叠片层位于两个y轴叠层铰链之间，两个y轴叠层铰链和x轴叠片层为一体制成。

进一步地，输出平台包括“十”字架体和四个安装杆，“十”字架体的每个下端面上分别安装有一个安装杆，所述安装杆插装在两个xy导向叠层柔顺铰链之间的T形连接件上，“十”字架体上开设有多个连接螺孔，用于工件或者载物台的固定。

进一步地，xyz导向机构支撑机构包括柱状体和底座，柱状体的横截面形状为十字形，柱状体固定安装在底座上并制成一体。

进一步地，每个xy解耦器的下端均通过螺钉安装有一个xy解耦器支撑结构。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明的xy解耦器5上的柔顺铰链、xy中间平台4上的柔顺铰链、xy导向叠层柔顺铰链3-2和z导向叠层柔顺铰链3-3均为复合叠层铰链，其有效变形范围大，能够提升三个自由度方向的运动行程，同时上述的复合叠层铰链通过结构优化，故在非变形敏感方向具有较大的刚度。复合叠层铰链在整个定位平台中对称布置，以减小由于复合叠层铰链类平行四边形变形原理带来的寄生运动和耦合运动。由于本发明在各方向采用完全对称设计，故理论上寄生运动和耦合度极小，可以忽略，从而能有效提高了平台本身的运动传递精度。

2、本发明的xy解耦器5在x驱动力和y驱动力下产生xy平面内的大行程解耦平移运动，xyz导向机构3在z驱动力下产生z方向的大行程平移解耦运动，并且这三者的运动通过xyz导向机构3和xy中间平台4进行解耦，最终使得x、y、z三个自由度的运动解耦，从而具有高动态性能。

3、本发明的xyz定位平台由于各运动轴的运动质量小，而支承结构(柔性铰链)多，因而刚度大，且分布均匀，具有高动态性能，其一阶固有频率高于30Hz。

4、本发明的z导向机构3和xy导向机构嵌套在xy中间平台4中间，同时利用xy中间平台4上的柔性铰链进行z方向运动解耦，因此具有高空间利用率和高集成特性，其工作空间和机构包络体积(长x宽x高)占比大于万分之四。

附图说明

图1是本发明的整体结构轴侧示意图；图2是图1的俯视图；图3是图1的侧视图；

图4是图2沿A-A处的剖视图；图5是xyz导向机构3的轴侧示意图；图6是图5的俯视图；图7是图5的主视图；图8是图6沿D-D处的剖视图；图9是z方向输出平台3-1的轴侧示意图；图10是图9的俯视图；图11是xy导向叠层柔顺铰链3-2的轴测图；图12是图11的主视图；图13是xy中间平台4的轴测图；图14是xy解耦器5的轴测图；图15是图14的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图15说明本实施方式，本实施方式的一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台包括xyz导向机构支撑机构1、输出平台2、xyz导向机构3、xy中间平台4、多个xy解耦器5和多个xy解耦器支撑结构6，xyz导向机构3为柔顺铰链机构，负载对z驱动力产生的z方向位移和xy方向的运动进行导向；xyz导向机构3水平布置且xyz导向机构3通过xyz导向机构支撑机构1固定安装在水平地基上，输出平台2安装在xyz导向机构3上并输出x、y、z向位移；xy中间平台4套装在xyz导向机构3上，xy中间平台4的外侧壁上分别安装有一个xy解耦器5，每个xy解耦器5的下端安装有一个xy解耦器支撑结构6；其中，xy解耦器5上的柔顺铰链、xy中间平台4上的柔顺铰链、xyz导向机构3上的xy导向叠层柔顺铰链3-2和z导向叠层柔顺铰链3-3均为复合叠层铰链，且在整个定位平台中对称布置。

具体实施方式二：结合图1至图4和图13说明本实施方式，本实施方式的xy中间平台4包括正方形框架4-1和多个水平柔顺铰链4-2，正方形框架4-1的每个侧端面上分别安装有一个水平柔顺铰链4-2。如此设置，可以使得机构具有高空间利用率和高集成特性，最终其工作空间和机构包络体积(长x宽x高)占比大于万分之四；同时，该水平铰链4-2关于x和y自由度共轴，提高了机构的对称度，从而从原理上降低了机构的寄生运动和耦合度。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图4和图13说明本实施方式，本实施方式的水平柔顺铰链4-2为多层柔顺铰链，且多层柔顺铰链的中心位置设有连接块4-3。如此设置，可以有效提高水平铰链4-2的侧向刚度(x和y方向)和运动向刚度(z方向)比值，减小各轴之间运动的耦合度。连接块4-3设置在x轴和y轴中心可以提高机构的对称度，减小寄生运动。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1至图12说明本实施方式，本实施方式的xyz导向机构3包括z方向输出平台3-1、多个xy导向叠层柔顺铰链3-2、多个z导向叠层柔顺铰链3-3和多个T形连接件3-4；z方向输出平台3-1包括四个安装架体3-1-1和四个安装槽体3-1-2，四个安装架体3-1-1和四个安装槽体3-1-2以环形阵列的方式相互交错布置；每个安装架体3-1-1的左右两侧端部分别安装有一个z导向叠层柔顺铰链3-3；每个安装槽体3-1-2内安装有一个T形连接件3-4，T形连接件3-4的水平段和竖直段分别安装有一个xy导向叠层柔顺铰链3-2，且所述两个xy导向叠层柔顺铰链3-2之间留有距离，用于安装输出平台2，其中，水平段上的xy导向叠层柔顺铰链3-2与xy中间平台4的内侧壁连接，相邻两个z导向叠层柔顺铰链3-3与xyz导向机构支撑机构1连接。如此设置，将xyz导向机构嵌入在xy中间平台4中，极大地提高了空间利用率，使得z自由度的增加几乎不占用额外的体积；同时各自由度的导向机构和驱动力方向严格共轴，且对称布置，提高了个方向的运动导向精确度，有效降低了各轴之间的耦合度和寄生运动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图10说明本实施方式，本实施方式的安装槽体3-1-2上设有多个减重孔3-1-3。如此设置，能有效减小z运动方向的移动质量，提高z运动方向的固有频率，从而提高其动态性能。另一方面，z方向由于自重的影响将对z导向叠层柔顺铰链3-3和水平铰链4-2造成一定的行程损失，尽可能减轻z方向输出平台3-1重量可以减轻这一影响。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1至图4、图14至图15说明本实施方式，本实施方式的xy解耦器5包括解耦本体5-1、连接耳5-2和连接杆5-3，连接耳5-2安装在解耦本体5-1长度方向的中心位置，连接耳5-2与水平柔顺铰链4-2的连接块4-3连接，连接杆5-3安装在解耦本体5-1上，且连接杆5-3位于连接耳5-2的外侧端面上并安装在解耦本体5-1上。如此设置，连接杆5-3将复合叠层铰链两侧组合成一体，提高了其轴向刚度，有效减小了由于解耦本体5-1在对应方向驱动力下运动时复合叠层铰链由于轴向力的变形影响。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图14和图15说明本实施方式，本实施方式的解耦本体5-1包括两个y轴叠层铰链5-1-1和x轴叠片层5-1-2，x轴叠片层5-1-2位于两个y轴叠层铰链5-1-1之间，两个y轴叠层铰链5-1-1和x轴叠片层5-1-2为一体制成。如此设置，通过一体设计加工，提高了其位置精度，米面了由于分体加工并装配带来的装配误差，有利于提高机构的运动精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的输出平台2包括“十”字架体2-1和四个安装杆2-2，“十”字架体2-1的每个下端面上分别安装有一个安装杆2-2，所述安装杆2-2插装在两个xy导向叠层柔顺铰链3-2之间的T形连接件3-4上，“十”字架体2-1上开设有多个连接螺孔2-3，用于工件或者载物台的固定，其中，“十”字架体2-1和四个安装杆2-2制成一体。如此设置，将输出平台连接到了x、y和z自由度的各输出位置，实现了输出平台三自由度运动输出目的；同时，输出平台“十”字架体2-1和安装杆2-2的设计大幅减轻了其移动质量，从而提高了机构的固有频率，使其具有高动态性能。其它组成和连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的xyz导向机构支撑机构1包括柱状体1-1和底座1-2，柱状体1-1的横截面形状为十字形，柱状体1-1固定安装在底座1-2上并制成一体。如此设置，十字状的设计便于z导向叠层柔顺铰链3-3的安装定位，防止装配误差带来的精度损失。其它组成和连接关系与具体实施方式七或八相同。

具体实施方式十：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的每个xy解耦器5的下端均通过螺钉安装有一个xy解耦器支撑结构6。如此设置，将x、y自由度分支和机架(地面)形成牢固连接，使得各分支成为并联结构，提高了机构各运动轴的刚度，从而提高了其动态性能。其它组成和连接关系与具体实施方式一至九中任意一项相同。

结合图1至图15说明本发明的原理：

本发明的xy解耦器5一端通过螺钉和xy解耦器支撑结构6连接，另一端通过xy解耦器连接体5-2和xy中间平台4连接在一起；xy解耦器支撑结构6和地基固连在一起；

xy解耦器5在x驱动力和y驱动力下产生xy平面解耦运动驱动器未，使得xy中间平台4能在平面内沿x、y方向自由运动；

xy中间平台4作为连接xy解耦器5和xyz导向机构3的中间平台，一方面负责将x、y方向的运动和xyz导向机构3产生的z方向运动输出到输出平台2，其中xyz导向机构3产生的z方向运动通过xy中间平台4上的柔顺铰链进行传递到输出平台2；另一方面也将xy解耦器5的运动传递到xyz导向机构3上的xy导向叠层柔顺铰链3-2，使其对z方向的位移输出不产生影响；

xyz导向机构3主要负载对z驱动力产生的z方向位移和xy方向的运动进行导向，其上的z方向输出平台3-1并联连接了8个z导向叠层柔顺铰链3-3，z导向叠层柔顺铰链3-3又通过4个xyz导向机构支撑机构1和地基相固连，从而保证了z方向输出平台3-1只能沿z方向运动；

xyz导向机构3上的xy导向叠层柔顺铰链3-2两两一组共计4组通过xy导向连接体3-4进行连接，并与z方向输出平台3-1相连接，对xy解耦器5通过xy中间平台4传递过来的x、y方向位移进行导向；

输出平台2作为最终的x、y、z位移输出平台，承载其上的工件做出相应的运动。

xy解耦器5在x驱动力和y驱动力下产生xy平面内的大行程解耦平移运动，xyz导向机构3在z驱动力下产生z方向的大行程平移解耦运动，并且这两者的运动通过xyz导向机构3和xy中间平台4进行解耦，最终使得x、y、z三个自由度的运动解耦，从而具有高动态性能。

xy解耦器5上的柔顺铰链、xy中间平台4上的柔顺铰链、xy导向叠层柔顺铰链3-2和z导向叠层柔顺铰链3-3均为复合叠层铰链，且在整个定位平台中对称布置，因而使得该定位平台具有大行程、低寄生位移和高紧凑度的特点。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台，其特征在于：它包括xyz导向机构支撑机构(1)、输出平台(2)、xyz导向机构(3)、xy中间平台(4)、多个xy解耦器(5)和多个xy解耦器支撑结构(6)，

xyz导向机构(3)为柔顺铰链机构，负载对z驱动力产生的z方向位移和xy方向的运动进行导向；

xyz导向机构(3)水平布置且xyz导向机构(3)通过xyz导向机构支撑机构(1)固定安装在水平地基上，输出平台(2)安装在xyz导向机构(3)上并输出x、y、z向位移；

xy中间平台(4)套装在xyz导向机构(3)上，xy中间平台(4)的外侧壁上分别安装有一个xy解耦器(5)，每个xy解耦器(5)的下端安装有一个xy解耦器支撑结构(6)；

其中，xy解耦器(5)上的柔顺铰链、xy中间平台(4)上的柔顺铰链、xyz导向机构(3)上的xy导向叠层柔顺铰链(3-2)和z导向叠层柔顺铰链(3-3)均为复合叠层铰链，且在整个定位平台中对称布置。

2.根据权利要求1所述一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台，其特征在于：xy中间平台(4)包括正方形框架(4-1)和多个水平柔顺铰链(4-2)，正方形框架(4-1)的每个侧端面上分别安装有一个水平柔顺铰链(4-2)。

3.根据权利要求2所述一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台，其特征在于：水平柔顺铰链(4-2)为多层柔顺铰链，且多层柔顺铰链的中心位置设有连接块(4-3)。

4.根据权利要求1或3所述一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台，其特征在于：xyz导向机构(3)包括z方向输出平台(3-1)、多个xy导向叠层柔顺铰链(3-2)、多个z导向叠层柔顺铰链(3-3)和多个T形连接件(3-4)；

z方向输出平台(3-1)包括四个安装架体(3-1-1)和四个安装槽体(3-1-2)，四个安装架体(3-1-1)和四个安装槽体(3-1-2)以环形阵列的方式相互交错布置；

每个安装架体(3-1-1)的左右两侧端部分别安装有一个z导向叠层柔顺铰链(3-3)；

每个安装槽体(3-1-2)内安装有一个T形连接件(3-4)，T形连接件(3-4)的水平段和竖直段分别安装有一个xy导向叠层柔顺铰链(3-2)，且所述两个xy导向叠层柔顺铰链(3-2)之间留有距离，用于安装输出平台(2)，其中，水平段上的xy导向叠层柔顺铰链(3-2)与xy中间平台(4)的内侧壁连接，相邻两个z导向叠层柔顺铰链(3-3)与xyz导向机构支撑机构(1)连接。

5.根据权利要求4所述一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台，其特征在于：安装槽体(3-1-2)上设有多个减重孔(3-1-3)。

6.根据权利要求5所述一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台，其特征在于：xy解耦器(5)包括解耦本体(5-1)、连接耳(5-2)和连接杆(5-3)，连接耳(5-2)安装在解耦本体(5-1)长度方向的中心位置，连接耳(5-2)与水平柔顺铰链(4-2)的连接块(4-3)连接，连接杆(5-3)安装在解耦本体(5-1)上，且连接杆(5-3)位于连接耳(5-2)的外侧端面上并安装在解耦本体(5-1)上。

7.根据权利要求6所述一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台，其特征在于：解耦本体(5-1)包括两个y轴叠层铰链(5-1-1)和x轴叠片层(5-1-2)，x轴叠片层(5-1-2)位于两个y轴叠层铰链(5-1-1)之间，两个y轴叠层铰链(5-1-1)和x轴叠片层(5-1-2)为一体制成。

8.根据权利要求1或7所述一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台，其特征在于：输出平台(2)包括“十”字架体(2-1)和四个安装杆(2-2)，“十”字架体(2-1)的每个下端面上分别安装有一个安装杆(2-2)，所述安装杆(2-2)插装在两个xy导向叠层柔顺铰链(3-2)之间的T形连接件(3-4)上，“十”字架体(2-1)上开设有多个连接螺孔(2-3)，用于工件或者载物台的固定。

9.根据权利要求8所述一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台，其特征在于：xyz导向机构支撑机构(1)包括柱状体(1-1)和底座(1-2)，柱状体(1-1)的横截面形状为十字形，柱状体(1-1)固定安装在底座(1-2)上并制成一体。

10.根据权利要求1或9所述一种基于柔顺铰链的并联解耦xyz大行程定位平台，其特征在于：每个xy解耦器(5)的下端均通过螺钉安装有一个xy解耦器支撑结构(6)。