CN1275469A - 整体式微位移、力三维柔性驱动放大与转向机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳米技术领域,本发明包括微驱动器、柔性铰链、定位结构、调整旋钮;所说的微驱动器包括两个有平面度要求的光滑顶面和底面,该微驱动器嵌置在该柔性铰链中,该微驱动器的底面与设置在该柔性铰链中的调整旋钮接触,该微驱动器的顶面通过设置在该柔性铰链中的定位结构与柔性铰链相连接。本发明具有结构紧凑,运动与力的传递环节少,可靠性高,非线性误差小,同时可保证机构的微型化与所需操作空间的相对缩小的诸多优点。

Description

整体式微位移、力三维柔性驱动放大与转向机构

本发明属于微纳米技术领域，特别涉及应用于超精密加工、微定位、微装配、微型机器人等的微器件的结构设计。

微纳米技术是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，它汇集电子、机械、材料、制造、测量以及物理、化学和生物中新生长出的(包括交叉的、不同层次的)微小和微观领域的科学技术群体，被认为是21世纪的核心技术。在微机电系统(MEMS)领域，微纳米技术涉及到微加工、微装配、微器件制作以及微型机器人等不同研究方向。目前现有技术中驱动、放大与转向等多项功能的实现采用相互独立的机构模块，结构庞大，中间环节多，累积误差大。其中传统的电机驱动，结构尺寸较大，稳定性差、分辨率低，例如步进电机通常的步距角大约在1度(°)左右，而在微机电系统或微纳米技术领域，角度的精确度往往以秒(″)为数量级，可见传统的驱动方式已远远不能满足现代技术领域的要求。常用的齿轮或杠杆传递等放大机构，运动与力传递环节多、可靠性低、非线性误差大、精确度低，直接影响输出位移分辨率。通常的输出换向是通过多路系统在三维空间中独立完成多个方向位移和力的输出，需要的操作空间大，这限制了其在微米/纳米等微观技术领域的实际应用和拓展。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种整体式微位移、力三维柔性驱动放大与转向机构，具有结构紧凑，运动与力的传递环节少，可靠性高，非线性误差小，同时可保证机构的微型化与所需操作空间的相对缩小的诸多优点。

本发明提出的一种整体式微位移、力三维柔性驱动放大与转向机构，其特征在于，包括微驱动器、柔性铰链、定位结构、调整旋钮；所说的微驱动器包括两个有平面度要求的光滑顶面和底面，该微驱动器嵌置在该柔性铰链中，该微驱动器的底面与设置在该柔性铰链中的调整旋钮接触，该微驱动器的顶面通过设置在该柔性铰链中的定位结构与柔性铰链相连接。

所说的微驱动器可采用压电陶瓷材料、电致伸缩材料或者电磁材料制成。所说的微驱动器可为六面体或圆柱体。

所说的柔性铰链可采用单晶硅、多晶硅、钢或者优质合金材料制成。所说的柔性铰链可由顶杆、拉杆、横推杆、输出杆、转向杆及固定杆六部分铰链杆组成，各铰链杆之间分别通过弹性薄臂相互连接为一多面体的整体形状；在柔性铰链的固定杆上可有三个大小相等呈三角形排列的通孔，用来固定整个柔性机构。

所说的定位结构可为一球形滚珠，其半径可取微驱动器顶面宽度的1/6；为保证稳定定位，在与该定位结构相接触的柔性铰链的顶杆，有一开口与滚珠相对的“V”形槽，其外接圆半径与滚珠相同。

所说的调整旋钮顶端可为六棱形，下端可为圆柱状，带有细螺纹，与柔性铰链的固定杆的螺纹孔有公差配合。

本发明是一种对微位移和力具有驱动、放大和输出转向等多项功能集成的柔性机构，整体尺寸可根据柔性机构的位移输出量及分辨率大小设定。柔性铰链的各铰链杆尺寸由整个柔性机构的位移放大比决定。柔性铰链材料不同整个机构的输出位移和力都将相应变化。柔性铰链可通过微细加工或激光加工等特种加工工艺技术实现。在柔性铰链的固定杆上的三个大小相等呈三角形排列的通孔半径在满足机械强度要求的前提下与柔性机构尺寸呈比例关系。整个柔性机构总体上为六面体，尺寸可根据位移输出大小加工制作成不同级别：小型、微小型、微型等。

本发明的工作结构原理为：柔性机构工作过程中，利用逆压电效应或电致伸缩原理，输入稳定直流电压作用于微驱动器，产生初始驱动的微位移和力，并通过与微驱动器相连的定位机构将微位移和力传递给柔性铰链的顶杆，经柔性铰链的各级放大模块以及转向模块，进行放大和转向，最后输出满足设计要求的微位移和力。

本发明的效果：

本发明机构中基于弹性变形的柔性铰链结构能够实现无机械摩擦、无间隙、高精度和稳定性，体积小，放大比高，适用于微机电系统；微压电/电致伸缩器件的集成，使得机构驱动分辨率高、承载能力大、输出位移精度高、稳定性好，在我国微机械精密加工与微纳米技术等方面都有广泛的应用前景。

本机构的放大比可达105；

输出位移可达1.68mm；

位移分辨率可达1μm；

输出微位移和力可在水平面和垂直面内转化。

附图的简单说明：

图1是本发明的实施例结构左视立体示意图；

图2是本发明的实施例结构右视立体示意图；

图3是本发明的工作原理图；

图4是本发明的柔性铰链简化设计数学模型示意图；

图5是本发明的机构位移放缩计算原理图；

图6是本实施例的软件设计流程图；

图7为本发明的实施例结构平面示意图。

下面结合各附图对本发明的一种较佳实施例进行详细的说明。

由图1、图2及图7所示，实施例机构由微驱动器1、柔性铰链2、定位结构3、调整旋钮4等四大部分组成，其中柔性铰链2包括：顶杆21、拉杆22、横推杆23、输出杆24、转向杆25及固定杆26以及连接这些铰链杆的弹性薄臂等结构。微驱动器1包括上下两个有平面度要求的平面：底面12和顶面11，其中底面12与调整选钮4相接触，并由调整旋钮4调节微驱动器1的输出预紧力，顶面11则通过定位结构3与柔性铰链顶杆21中部的“V”型槽连接。柔性铰链2是由一块材料加工而成的整体结构，各组成部分之间依靠弹性薄臂相连，并传递微驱动器1产生的位移和力，如图7中C所示。顶杆21为六面体，其中部在与定位结构3相连的地方切割出一个“V”形槽，形状为等边三角形，外接圆半径与定位结构尺寸相同。“V”型槽的加工目的是为了保证柔性机构工作过程中定位结构3稳定定位。在位移传递过程中，顶杆21具有放大作用，放大倍数与“V”型槽相对顶杆两端弹性薄臂213和27的位置有关。与顶杆21相连的拉杆22形状为六面体，它对位移和力没有放缩作用，仅仅是一个将位移和力从顶杆21传递到横推杆23的传递环节。横推杆23形状为台阶形，之所以加工出一个台阶是出于整个柔性机构的加工设备及其加工工艺要求考虑，如果条件允许可以不加工出此台阶。横推杆23与拉杆22通过弹性薄臂28相连，与转向杆25通过弹性薄臂210相连接，与固定杆26通过弹性薄臂29相连接。弹性薄臂29与弹性薄臂28和210的相对距离决定着位移和力从拉杆22传递到转向杆25时的放缩比，它越靠近拉杆22，位移的放大比越大，反之相反。转向杆25为小的六面体，由图1可知：与转向杆25相连的两个弹性薄臂210和211，走向相互垂直，其目的是用来实现位移和力的三维空间变换，即从水平面转到垂直方向，它对位移和力没有放缩作用。输出杆24有大小两个台阶，前面的小台阶是为了方便本柔性机构与其它机构相连而设计的，其高度视具体情况而定；后面的大台阶是为了对位移和力产生一定的放缩。固定杆26与微驱动器1、调整旋钮4以及顶杆21、横推杆23、输出杆24等相连，是整个机构的主要结构部分。参照微驱动器1的尺寸，在固定杆26上切除与之形状、大小相匹配的一块，以便将微驱动器1嵌入其中。在固定杆26上还有三个大小相等呈三角形排列的通孔，用来固定整个柔性机构。与横推杆23一样，固定杆26下面的台阶也是出于加工工艺的角度考虑，如果加工设备允许，可不切此台阶。定位结构3是以微驱动器1顶端宽度的1/6为半径的球形滚珠，用来连接微驱动器的顶面11和柔性铰链的顶杆21的“V”型槽。调整旋钮4的形状类似于螺杆，顶端为六棱形，下端为圆柱状，带有细螺纹，与柔性铰链固定杆26的螺纹孔进行公差配合。

本实施例整体尺寸：长×宽×高＝115×83×10mm³。微驱动器采用压电陶瓷材料，长宽均为25mm，最大输出位移为16μm。柔性铰链材料采用优质钢材，通过线切割技术加工。柔性铰链顶杆21宽度为8mm，其“V”型槽与左右两段弹性薄臂213、27的距离之比为20∶80；拉杆22的长×宽＝30×10mm²；横推杆23的长×宽＝80×10mm²，台阶高度为5mm，与之相连的弹性薄臂29到左右两端的弹性薄臂210、28的距离之比为：60∶10；转向杆25的长×宽×高＝10×5×5mm³；输出杆24小台阶的长×宽×＝10×10×14mm³，台阶中心与弹性薄臂212之间的水平距离为15mm，与弹性薄臂211之间的垂直距离为5mm。

钢材的弹性模量E：2.1×10⁴kg/mm²；

柔性机构铰链圆弧半径R：1.5mm；

柔性机构铰链最小厚度t：1.0mm；

柔性机构铰链最小宽度b：10mm；

电源输入：0～300V高压稳压电源：

机构放大比： $\frac{(20+80)}{20}\×\frac{(10+60)}{10}\×\frac{15}{5}=105;$

输出位移：1.68mm；

输出力：2.38kg；

本实例应用于微器件装配系统中，作为微装配器件的微动装置。实际应用中满足微装配系统微位移、多自由度精密工作台对绕Z轴旋转分度θ分辨率30″的精度要求，效果好。

上述实施例为小型柔性机构，按照本发明原理，缩小机构各组成部分的相对尺寸，同样可以设计制作出对微位移和力具有驱动、放大、转向等功能的微小型和微型柔性机构。

本发明的工作结构原理如图3所示：利用逆压电效应或电致伸缩原理，外部输入稳定直流电压作用于微驱动器，产生微位移和力，并通过定位机构传递给柔性铰链，进行驱动、放大和转向。柔性铰链2在功能上划分为：一级放大(I)、二级放大(II)、三级放大(III)及输出转向(IV)等四个模块，如图3所示，其中(I)、(II)和(III)实现微驱动器1输出微位移的多级放大，(IV)则用来完成三维空间中微位移和力从水平面到垂直方向的转化，进而实现了微位移、力三维柔性驱动放大与转向功能。

通常铰链设计的方法复杂，要通过大量手工计算完成，精度和准确度很难保证。鉴于此，本发明还独立推导了柔性铰链软件设计理论公式。图4是柔性铰链2简化设计数学模型，剖面线部分为柔性铰链弹性薄臂的截面，α为极坐标系内截面与极坐标轴的夹角，θ为柔性铰链的转角，R为柔性铰链圆弧半径、t为柔性铰链最小厚度、b为柔性铰链的宽度。依据图4数学模型，利用Rombers数值积分方法可在计算机上计算出柔性铰链的转角刚度系数。图4是柔性铰链简化设计模型，图中打剖面线的部分为弹性薄臂的截面，其中R为柔性铰链弹性薄臂的圆弧半径、t为弹性薄臂的最小厚度、b为弹性薄臂的宽度。此模型是整个柔性机构设计、校核计算以及公式推导的基础。

图5是柔性机构位移放缩计算原理图，其中a₀、a₁、b₀、b₁、c₀、c₁分别表示柔性铰链2各个弹性薄臂之间的相对距离，通过这些关系可计算出整个机构的总放大比等设计参量。Fin表示微驱动器1的输出，其作用点在柔性铰链顶杆21的“V”型槽处，Fout表示柔性铰链2的输出，即整个柔性机构的输出。

图5是机构位移放大比计算结构原理，a₁表示柔性铰链顶杆21的“V”型槽与弹性薄臂213，a₀表示弹性薄臂27与弹性薄臂213的距离，b₁表示弹性薄臂29与弹性薄臂28的距离，b₀表示弹性薄臂210与弹性薄臂28的距离，c₁表示弹性薄臂211与弹性薄臂212在垂直面内的距离，c₀表示柔性铰链2的输出杆24的小台阶的中心与弹性薄臂212在水平面内的距离。通过这些尺寸关系可以计算出整个柔性机构的总放大比以及最大输出位移、输出力等参量。Fin表示微驱动器1的输出，其作用点在柔性铰链顶杆21的“V”型槽处，Fout表示柔性铰链2的输出，即整个柔性机构的输出，其位置在柔性铰链输出杆24小台阶的中心处。

(1)设计参量

材料许用应力：σ_p0；材料屈服应力：σ_s0；微驱动器最大驱动力：Fmax₁；微驱动器最大输出位移：Smax₁；柔性铰链半径R；柔性铰链最小厚度：t；柔性铰链机构宽度：b；转角刚度：K；放大级数：N；杠杆尺寸数组：R[N][2]；总放大比：Rmax；放大比数组：Ratio[N]；杠杆转角数组：A[M]，M＝(N-1)+N；实际最大输出位移：Smax₂；实际最大输出的力：Fmax₂；铰链计算应力；σ₀₁铰链所需驱动力：Fmax₃。

(2)计算公式

转角刚度系数k $k=1/{\∫}_0^{\mathrm{\π}}\frac{12R\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{Eb}{(2R+t-2R\sin \mathrm{\α})}^3}\mathrm{d\α}-----\left(1\right)$ 总放大比 $R\max =\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\mathrm{Ratio}[i-1]=\frac{R[i-1]\left[0\right]}{R[i-1]\left[1\right]}=\frac{a_0}{a_1}\·\frac{b_0}{b_1}\·\frac{c_0}{c_1}-----\left(2\right)$ 铰链最大输出位移

  Smax₂＝Smax₁×Rmax                                  (3)铰链转角 $A\left[0\right]=\frac{S{\max }_1}{R\left[0\right]\left[1\right]}------\left(4\right)$ $A\left[i\right]=\frac{S{\max }_1\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Π}}}\mathrm{Ratio}\left[j\right]}{R\left[i\right]\left[1\right]}i=\mathrm{1,2},...,N-1-----\left(5\right)$

  A[N+i]＝A[i+1]-A[i]  i＝0，1，...，N-2                (6)铰链最大输出的力 $F{\max }_2=\frac{K}{{S\max }_2}\×(\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}A{\left[i\right]}^2+\underset{i=0}{\overset{N-2}{\mathrm{\Σ}}}A{[N+i]}^2)------\left(7\right)$ 铰链所需最大驱动力

  Fmax₃＝Fmax₂×Rmax                                  (8)柔性铰链计算应力 ${\mathrm{\σ}}_0=\frac{M\max }{W}$ $=\frac{K\×\mathrm{Max}\left(\right[A\left[i\right]]i=\mathrm{0,1},...,M)}{{\mathrm{bt}}^2/6}------\left(9\right)$

(3)设计校核

将机构实际结构参数代入以上设计计算理论公式，如果满足以下关系：

σ₀＜σ_p0；σ₀＜σ_s0                                (10)

Fmax₃＜Fmax₁                                          (11)则表示设计符合要求。

本实施例根据上述的计算公式设计的柔性机构软件流程如图6所示。首先对计数器Counter、最大循环次数Max等程序控制变量进行初始化，然后输入参量指标及精度等级e。机构设计基本参量主要包括铰链半径R、厚度t、宽度b、各级铰链杆的尺寸以及柔性机构材料的弹性模量E等，这些设计参量的输入是以后设计流程中进行各种计算、变换的基础。软件设计的准备工作完成后，以下便可依据本发明所推导的计算公式，计算柔性铰链刚度系数k、位移放大比R、转角θ、输出位移Smax、输出力Fmax以及柔性机构所用材料的最大应力σ。整个流程当前的循环次数由计数器Counter来显示，如果在设定的最大循环次数Max内，计算参量满足校核关系式以及精度要求等条件，整个机构软件设计完成，否则，修正最大循环次数以及设计参量重新进行设计计算。具体包括以下步骤：

第一步是对程序运行的控制变量进行初始化：将程序计数器Counter置0，并设定一个机构设计的最大循环次数Max。第二步是输入设计参量指标及精度等级e，指通过图形化界面利用交互方式将本柔性机构最终所要达到的微位移S、力F的输出范围、分辨率技术指标以及设计参量数值计算的精度等级e输入到软件中。精度等级e越高设计参量的计算结果越准确，但相应地计算时间越长。第三步是输入机构设计基本参量，包括柔性铰链的半径R、厚度t、宽度b、各级铰链杆的尺寸a₀、a₁、b₀、b₁、c₀、c₁以及柔性机构材料的弹性模量E等。以上三步是设计的前期准备工作，下面依据本发明所推导理论公式，进行分析计算。第四步是将程序控制变量计数器Counter加1，表示柔性机构程序设计的次数开始递增。第五步将计数器Counter与程序流程中所设定的最大循环次数Max比较，若Counter的值大于Max，表示柔性机构设计计算超过了所设定的循环次数，仍没有达到设计参量指标及精度要求，此时只好进行第六步，修正设计参量指标及精度；如果Counter的值不大于Max，则进行下面的分析计算。第七步是调用公式(1)计算柔性铰链转角刚度系数k；第八步是利用公式(2)计算柔性铰链位移放大比R；第九步是利用公式(3)计算柔性机构最大输出位移Smax₂；第十步是利用公式(4)～(6)计算柔性铰链各铰链杆的转角θ；第十一步是利用公式(7)计算柔性机构最大输出力Fmax₂；第十二步是利用公式(8)计算柔性机构产生最大输出位移Smax₂微驱动器需要提供的最大驱动力；第十三步是利用公式(9)计算柔性机构所用材料的最大应力σ。第十四步是利用前面几步计算出的结果，按照公式(10)、(11)的要求，进行分析判断，如果结果满足(10)和(11)的关系，表示整个柔形机构软件设计完成，否则，通过第十五步，“修正设计参量”反馈环节重新进行柔性机构的设计分析计算，直到达到预定目标为止。

Claims (7)

1、一种整体式微位移、力三维柔性驱动放大与转向机构，其特征在于，包括微驱动器、柔性铰链、定位结构、调整旋钮；所说的微驱动器包括两个有平面度要求的光滑顶面和底面，该微驱动器嵌置在该柔性铰链中，该微驱动器的底面与设置在该柔性铰链中的调整旋钮接触，该微驱动器的顶面通过设置在该柔性铰链中的定位结构与柔性铰链相连接。

2、如权利要求1所述的放大与转向机构，其特征在于，所说的微驱动器采用压电陶瓷材料、电致伸缩材料或者电磁材料制成。

3、如权利要求1所述的放大与转向机构，其特征在于，所说的微驱动器为六面体或圆柱体。

4、如权利要求1所述的放大与转向机构，其特征在于，所说的柔性铰链可采用单晶硅、多晶硅、钢或者优质合金材料制成。

5、如权利要求1所述的放大与转向机构，其特征在于，所说的柔性铰链由顶杆、拉杆、横推杆、输出杆、转向杆及固定杆六部分铰链杆组成，各铰链杆之间分别通过弹性薄臂相互连接为一多面体的整体形状；在柔性铰链的固定杆上有三个大小相等呈三角形排列的通孔，用来固定整个柔性机构。

6、如权利要求1或5所述的放大与转向机构，其特征在于，所说的定位结构为一球形滚珠，其半径可取微驱动器顶面宽度的1/6；在与该定位结构相接触的柔性铰链的顶杆，有一开口与滚珠相对的“V”形槽，其外接圆半径与滚珠相同。

7、如权利要求1或5所述的放大与转向机构，其特征在于，所说的调整旋钮顶端为六棱形，下端为圆柱状，带有细螺纹，与柔性铰链的固定杆的螺纹孔有公差配合。

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