CN210805235U - 一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台，其能解决现有分布柔度式定位平台各支链结构差异较大，不同支链运动性能不够稳定，理论分析较复杂，以及当仅有X或Y方向有运动输入时，还是会产生一定的耦合位移，影响平台运动精度的问题。其包括基座、动平台、四个第一柔性支链和一个第二柔性支链；第一柔性支链由四个双四杆型柔性模块组成，其中三个双四杆型柔性模块并联，再与剩余一个双四杆型柔性模块串联；第二柔性支链由五个双四杆型柔性模块组成，其中四个双四杆型柔性模块并联，再与剩余一个双四杆型柔性模块串联；基座上还分别固定安装有X向电磁驱动器、Y向电磁驱动器和Z向电磁驱动器。

Description

一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台

技术领域

本实用新型涉及柔性机构领域，具体为一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台。

背景技术

随着微纳米技术的迅速发展和其在相关领域的广泛应用，其对制造、信息、材料、生物科技等领域产生了巨大影响。在微电子、光电子元器件的精密对接、生物芯片键合对准装配及显微手术的微操作等应用场合，对操作对象的要求也日益精确，操作对象由微定位平台驱动，为了满足微纳米技术的要求，通常采用柔性机构作为微定位平台的传动机构。

不同于传统刚性机构通过运动副、连杆的连接来实现运动和功能，柔性机构是利用材料的弹性变形来传递运动的新型机构。机构中的运动副为一体化的柔性结构，故而不存在装配误差、摩擦磨损、间隙等影响机构寿命精度与工作性能的因素。随着柔性机构设计理论的逐步完善，柔性微定位平台技术也取得很大发展，但在动态特性、运动精度及大行程方面仍需进一步提升，同时对具有运动解耦特性的多自由度运动平台也有着迫切需求。

现有的柔性微定位平台多是基于切口型柔性铰链的集中柔度式定位平台，如专利号为ZL2016107010874的发明专利公开的一种高精度、大行程三自由度并联微定位平台，此种平台运动行程小，解耦特性差、易在切口处出现应力集中且平台的耦合误差与寄生转角较大，影响平台定位精度。

区别于传统基于切口型柔性铰链的集中柔度式定位平台，申请号为2019103979134的发明专利公开了一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其由四个第一柔性支链和一个第二柔性支链组成，第一柔性支链形成基于柔性薄板的分布柔度式结构，第二柔性支链包括双四杆型柔性模块、连接模块和四个四杆型柔性模块，形成基于柔性杆的分布柔度式结构，由于各支链无切口，从而无应力集中现象，平台运动行程大，同时消除了平台的运动耦合，减小了寄生转角，提升了平台的定位精度。但是该平台依然存在以下问题：1）其第一柔性支链基于柔性薄板，第二柔性支链基于柔性杆，导致各支链结构差异较大，不同支链运动性能不够稳定，且结构参数较多，理论分析较复杂；2）由于第一支链是基于柔性薄板的，柔性薄板在X、Y、Z三个方向的刚性差异大，只有当XZ、YZ或XYZ方向同时有运动输入时，平台才能实现完全解耦，当仅有X或Y方向有运动输入时，还是会产生一定的耦合位移，影响平台运动精度。

发明内容

针对现有分布柔度式定位平台各支链结构差异较大，不同支链运动性能不够稳定，理论分析较复杂，以及当仅有X或Y方向有运动输入时，还是会产生一定的耦合位移，影响平台运动精度的技术问题，本实用新型提供了一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台，其各支链结构差异小，运动性能稳定，利于实现参数化设计，同时平台能够完全消除耦合位移，运动精度更高。

其技术方案是这样的：一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台，其包括基座、动平台、四个第一柔性支链和一个第二柔性支链；四个所述第一柔性支链两两对称分布于所述动平台的四周；其特征在于：

所述第一柔性支链由四个双四杆型柔性模块组成，其中三个所述双四杆型柔性模块的末端共同连接于连接模块一，首端分别通过连接模块二与所述基座连接，且三个所述双四杆型柔性模块中有两个呈水平布置于所述连接模块一的两侧，一个呈竖向布置于所述连接模块一的下方；剩余一个所述双四杆型柔性模块呈水平布置并与三个所述双四杆型柔性模块垂直，且其末端与所述动平台连接，首端与所述连接模块一连接；

所述第二柔性支链位于所述动平台下方并位于四个所述第一柔性支链的内侧，所述第二柔性支链由五个双四杆型柔性模块组成，其中四个所述双四杆型柔性模块与所述第一柔性支链中的与所述动平台连接的四个所述双四杆型柔性模块上下一一正对且平行，且其末端共同连接于连接模块三，首端分别通过连接模块四与所述基座连接；剩余一个所述双四杆型柔性模块呈竖向布置且其末端与所述动平台连接，首端与所述连接模块三连接；

所述基座上还分别固定安装有X向电磁驱动器、Y向电磁驱动器和Z向电磁驱动器，所述X向电磁驱动器和所述Y向电磁驱动器的驱动端分别与相邻的两个所述连接模块一连接，所述Z向电磁驱动器的驱动端与所述连接模块三连接。

其进一步特征在于：

所述双四杆型柔性模块包括八个互相平行的柔性杆，八个所述柔性杆的下端分别固接在呈正方形框架结构的刚性连接件一的四个拐点和四个中点位置；位于所述拐点位置的四个所述柔性杆的上端分别连接有刚性连接件二，所述刚性连接件二构成所述双四杆型柔性模块的末端；位于所述中点位置的四个所述柔性杆的上端共同连接在刚性连接件三上，所述刚性连接件三构成所述双四杆型柔性模块的首端。

所述双四杆型柔性模块中，拐点位置的四个所述柔性杆、所述刚性连接件一和所述刚性连接件二一体制成，位于中点位置的四个所述柔性杆、所述刚性连接件一和所述刚性连接件三一体制成。

所述刚性连接件二为方块形结构，所述刚性连接件三为十字形板状结构，四个所述刚性连接件二与所述刚性连接件三呈米字型布置且所述刚性连接件二与所述刚性连接件三之间留有间隙，位于所述中点位置的四个所述柔性杆的上端分别固接在所述刚性连接件三的四端底面上。

所述连接模块一由方形块和垂直固接在所述方形块上的十字形杆组成，所述连接模块二与所述十字形杆的结构相同；所述第一柔性支链的其中三个所述双四杆型柔性模块的末端分别通过螺钉固接在所述方形块的三个侧面上，首端的十字中心分别通过螺钉与所述连接模块二的一端固接，所述连接模块二的另一端由所述刚性连接件一伸出并通过转接模块固接在所述基座上；所述第一柔性支链中剩余一个所述双四杆型柔性模块的末端通过螺钉固接在所述动平台的侧面上，首端的十字中心通过螺钉与伸入所述双四杆型柔性模块内部的所述十字形杆的端部固接。

所述连接模块三与所述连接模块一的结构相同，所述连接模块四与所述连接模块二的结构相同；所述第二柔性支链的其中四个所述双四杆型柔性模块的末端分别通过螺钉固接在所述连接模块三的方形块的四个侧面上，首端的十字中心分别通过螺钉与所述连接模块四的一端固接，所述连接模块四的另一端由所述刚性连接件一伸出并通过所述转接模块固接在所述基座上；所述第二柔性支链的剩余一个所述双四杆型柔性模块的末端通过螺钉固接在所述动平台的底面上，首端的十字中心通过螺钉与伸入所述双四杆型柔性模块内部的所述连接模块三的十字形杆的端部固接。

所述基座包括呈水平布置的底部框架和四个呈纵向布置的支柱，所述底部框架为矩形框架，四个所述支柱的下端分别固接在所述底部框架的四个拐点处。

所述支柱与所述底部框架一体制成。

所述转接模块设有八个并分别通过螺钉固接在四个所述支柱的顶部和所述底部框架的四条边的中点位置；位于所述支柱顶部的所述转接模块上分别固接有两个所述连接模块二，位于所述底部框架的四条边的中点位置的所述转接模块上分别固接有一个所述连接模块二和一个所述连接模块四。

位于所述支柱顶部的所述转接模块与其上的两个所述连接模块二一体制成，位于所述底部框架的四条边的中点位置的所述转接模块与其上的所述连接模块二和所述连接模块四一体制成。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的柔性微定位平台，其第一柔性支链和第二柔性支链均由双四杆型柔性模块组成，所有支链全部形成基于柔性杆的分布柔度式结构，从而大大减小了各支链的结构差异，平台运动稳定性得到显著提高，结构参数减少，利于实现参数化设计；同时，柔性杆在X、Y、Z三个方向的刚性差异小，不仅在多方向同时有位移输入时不会产生耦合位移，在仅有X、Y或Z方向有运动输入时，也不会产生耦合位移，从而可提高平台运动精度，扩大平台适用范围；此外，四个第一柔性支链和第二柔性支链形成并联布置，使柔性微定位平台具有较高的承载能力及响应速度，有效的提高了平台结构的紧凑性。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为双四杆型柔性模块的整体结构示意图；

图3为第一柔性支链的整体结构示意图；

图4为第二柔性支链的爆炸结构示意图；

图5为基座的整体结构示意图。

附图标记：1-基座；2-动平台；3-第一柔性支链；4-第二柔性支链；5-双四杆型柔性模块；6-连接模块一；7-连接模块二；8-连接模块三；9-连接模块四；10-支架；11-X向电磁驱动器；12-Y向电磁驱动器；13-Z向电磁驱动器；14-转接模块；15-底部框架；16-支柱；51-柔性杆；52-刚性连接件一；53-刚性连接件二；54-刚性连接件三；61-方形块；62-十字形杆。

具体实施方式

见图1至图5，本实用新型的一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台，其包括基座1、动平台2、四个第一柔性支链3和一个第二柔性支链4；四个第一柔性支链3两两对称分布于动平台2的四周；

第一柔性支链3由四个双四杆型柔性模块5组成，其中三个双四杆型柔性模块5的末端共同连接于连接模块一6，首端分别通过连接模块二7与基座1连接，即三个双四杆型柔性模块5并联，构成第一柔性支链3的主动副，且三个双四杆型柔性模块5中有两个呈水平布置于连接模块一6的两侧，一个呈竖向布置于连接模块一6的下方；剩余一个双四杆型柔性模块5构成第一柔性支链3的被动副，其呈水平布置并与上述三个双四杆型柔性模块5垂直，且其末端与动平台2连接，首端与连接模块一6连接，即第一柔性支链3的被动副与主动副串联；

第二柔性支链4位于动平台2下方并位于四个第一柔性支链3的内侧，第二柔性支链4由五个双四杆型柔性模块5组成，其中四个双四杆型柔性模块5与第一柔性支链3中的与动平台2连接的四个双四杆型柔性模块5（即四个第一柔性支链3的被动副）上下一一正对且平行，且其末端共同连接于连接模块三8，首端分别通过连接模块四9与基座1连接，即四个双四杆型柔性模块5并联，构成第二柔性支链4的主动副；剩余一个双四杆型柔性模块5构成第二柔性支链4的被动副，其呈竖向布置且其末端与动平台2连接，首端与连接模块三8连接，即第二柔性支链4的被动副与主动副串联；

基座1上还分别通过支架10固定安装有X向电磁驱动器11、Y向电磁驱动器12和Z向电磁驱动器13，X向电磁驱动器11和Y向电磁驱动器12的驱动端分别与相邻的两个连接模块一6连接，用于向第一柔性支链3输入X向位移和Y向位移，Z向电磁驱动器13的驱动端与连接模块三8连接，用于向第二柔性支链4输入Z向位移，三个电磁驱动器（X向电磁驱动器11、Y向电磁驱动器12、Z向电磁驱动器13）分别控制动平台2在空间中三个方向的平移运动，各运动之间相互独立，无运动耦合。

见图2，双四杆型柔性模块5包括八个互相平行的柔性杆51，八个柔性杆51的下端分别固接在呈正方形框架结构的刚性连接件一52的四个拐点和四个中点位置；位于拐点位置的四个柔性杆51的上端分别连接有刚性连接件二53，刚性连接件二53为方块形结构，四个刚性连接件二53构成双四杆型柔性模块5的末端；位于中点位置的四个柔性杆51的上端共同连接在刚性连接件三54上，刚性连接件三54为十字形板状结构，四个刚性连接件二53与刚性连接件三54呈米字型布置且刚性连接件二53与刚性连接件三54之间留有间隙，位于中点位置的四个柔性杆51的上端分别固接在刚性连接件三54的四端底面上，刚性连接件三54构成双四杆型柔性模块5的首端。其中位于中点位置的四个柔性杆51为双四杆型柔性模块5的主动副，位于拐点位置的四个柔性杆51为双四杆型柔性模块5的被动副，双四杆型柔性模块5的主动副和被动副形成反向串联结构，在消除运动耦合位移的同时，也提高了平台结构的紧凑性，同时，此种结构也具有较好的结构工艺性，便于一体化加工。双四杆型柔性模块5中，拐点位置的四个柔性杆51、刚性连接件一52和刚性连接件二53一体制成，位于中点位置的四个柔性杆51、刚性连接件一52和刚性连接件三54一体制成，如此设计，不存在装配误差，可提高机构的精度和使用寿命。

见图1至图3，连接模块一6由方形块61和垂直固接在方形块61上的十字形杆62组成，连接模块二7与十字形杆62的结构相同；第一柔性支链3的主动副中的三个双四杆型柔性模块5的末端分别通过螺钉固接在方形块61的三个侧面上，首端的十字中心分别通过螺钉与连接模块二7的一端固接，连接模块二7的另一端由刚性连接件一52伸出并通过转接模块14固接在基座1上；第一柔性支链3的被动副中的一个双四杆型柔性模块5的末端通过螺钉固接在动平台2的侧面上，首端的十字中心通过螺钉与伸入该双四杆型柔性模块5内部的十字形杆62的端部固接。如此设计，结构紧凑，便于加工和组装。

见图1、图2和图4，连接模块三8与连接模块一6的结构相同，连接模块四9与连接模块二7的结构相同；第二柔性支链4的主动副中的四个双四杆型柔性模块5的末端分别通过螺钉固接在连接模块三8的方形块61的四个侧面上，首端的十字中心分别通过螺钉与连接模块四9的一端固接，连接模块四9的另一端由刚性连接件一52伸出并通过转接模块14固接在基座1上；第二柔性支链4的被动副中的一个双四杆型柔性模块5的末端通过螺钉固接在动平台2的底面上，首端的十字中心通过螺钉与伸入该双四杆型柔性模块5内部的连接模块三8的十字形杆62的端部固接。如此设计，结构紧凑，便于加工和组装。

见图5，基座1包括呈水平布置的底部框架15和四个呈纵向布置的支柱16，底部框架15为矩形框架，四个支柱16的下端分别固接在底部框架15的四个拐点处并与底部框架15一体制成。如此设计，基座结构便于加工，一体式设计不存在装配误差，可提高机构的精度和使用寿命。

见图1至图4，转接模块14设有八个并分别通过螺钉固接在四个支柱16的顶部和底部框架15的四条边的中点位置；位于支柱16顶部的转接模块14上分别固接有两个连接模块二7且三者一体制成，位于底部框架15的四条边的中点位置的转接模块14上分别固接有一个连接模块二7和一个连接模块四9且三者一体制成。如此设计，同一个转接模块上可连接两个双四杆型柔性模块，大大减少了空间上的浪费，提高了平台的紧凑性，一体式设计不存在装配误差，可提高机构的精度和使用寿命。

Claims (10)

1.一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台，其包括基座、动平台、四个第一柔性支链和一个第二柔性支链；四个所述第一柔性支链两两对称分布于所述动平台的四周；其特征在于：

所述第一柔性支链由四个双四杆型柔性模块组成，其中三个所述双四杆型柔性模块的末端共同连接于连接模块一，首端分别通过连接模块二与所述基座连接，且三个所述双四杆型柔性模块中有两个呈水平布置于所述连接模块一的两侧，一个呈竖向布置于所述连接模块一的下方；剩余一个所述双四杆型柔性模块呈水平布置并与三个所述双四杆型柔性模块垂直，且其末端与所述动平台连接，首端与所述连接模块一连接；

所述第二柔性支链位于所述动平台下方并位于四个所述第一柔性支链的内侧，所述第二柔性支链由五个双四杆型柔性模块组成，其中四个所述双四杆型柔性模块与所述第一柔性支链中的与所述动平台连接的四个所述双四杆型柔性模块上下一一正对且平行，且其末端共同连接于连接模块三，首端分别通过连接模块四与所述基座连接；剩余一个所述双四杆型柔性模块呈竖向布置且其末端与所述动平台连接，首端与所述连接模块三连接；

所述基座上还分别固定安装有X向电磁驱动器、Y向电磁驱动器和Z向电磁驱动器，所述X向电磁驱动器和所述Y向电磁驱动器的驱动端分别与相邻的两个所述连接模块一连接，所述Z向电磁驱动器的驱动端与所述连接模块三连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台，其特征在于：所述双四杆型柔性模块包括八个互相平行的柔性杆，八个所述柔性杆的下端分别固接在呈正方形框架结构的刚性连接件一的四个拐点和四个中点位置；位于所述拐点位置的四个所述柔性杆的上端分别连接有刚性连接件二，所述刚性连接件二构成所述双四杆型柔性模块的末端；位于所述中点位置的四个所述柔性杆的上端共同连接在刚性连接件三上，所述刚性连接件三构成所述双四杆型柔性模块的首端。

3.根据权利要求2所述的一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台，其特征在于：所述双四杆型柔性模块中，拐点位置的四个所述柔性杆、所述刚性连接件一和所述刚性连接件二一体制成，位于中点位置的四个所述柔性杆、所述刚性连接件一和所述刚性连接件三一体制成。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台，其特征在于：所述刚性连接件二为方块形结构，所述刚性连接件三为十字形板状结构，四个所述刚性连接件二与所述刚性连接件三呈米字型布置且所述刚性连接件二与所述刚性连接件三之间留有间隙，位于所述中点位置的四个所述柔性杆的上端分别固接在所述刚性连接件三的四端底面上。

5.根据权利要求4所述的一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台，其特征在于：所述连接模块一由方形块和垂直固接在所述方形块上的十字形杆组成，所述连接模块二与所述十字形杆的结构相同；所述第一柔性支链的其中三个所述双四杆型柔性模块的末端分别通过螺钉固接在所述方形块的三个侧面上，首端的十字中心分别通过螺钉与所述连接模块二的一端固接，所述连接模块二的另一端由所述刚性连接件一伸出并通过转接模块固接在所述基座上；所述第一柔性支链中剩余一个所述双四杆型柔性模块的末端通过螺钉固接在所述动平台的侧面上，首端的十字中心通过螺钉与伸入所述双四杆型柔性模块内部的所述十字形杆的端部固接。

6.根据权利要求5所述的一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台，其特征在于：所述连接模块三与所述连接模块一的结构相同，所述连接模块四与所述连接模块二的结构相同；所述第二柔性支链的其中四个所述双四杆型柔性模块的末端分别通过螺钉固接在所述连接模块三的方形块的四个侧面上，首端的十字中心分别通过螺钉与所述连接模块四的一端固接，所述连接模块四的另一端由所述刚性连接件一伸出并通过所述转接模块固接在所述基座上；所述第二柔性支链的剩余一个所述双四杆型柔性模块的末端通过螺钉固接在所述动平台的底面上，首端的十字中心通过螺钉与伸入所述双四杆型柔性模块内部的所述连接模块三的十字形杆的端部固接。

7.根据权利要求6所述的一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台，其特征在于：所述基座包括呈水平布置的底部框架和四个呈纵向布置的支柱，所述底部框架为矩形框架，四个所述支柱的下端分别固接在所述底部框架的四个拐点处。

8.根据权利要求7所述的一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台，其特征在于：所述支柱与所述底部框架一体制成。

9.根据权利要求7所述的一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台，其特征在于：所述转接模块设有八个并分别通过螺钉固接在四个所述支柱的顶部和所述底部框架的四条边的中点位置；位于所述支柱顶部的所述转接模块上分别固接有两个所述连接模块二，位于所述底部框架的四条边的中点位置的所述转接模块上分别固接有一个所述连接模块二和一个所述连接模块四。

10.根据权利要求9所述的一种基于柔性杆的高精度柔性微定位平台，其特征在于：位于所述支柱顶部的所述转接模块与其上的两个所述连接模块二一体制成，位于所述底部框架的四条边的中点位置的所述转接模块与其上的所述连接模块二和所述连接模块四一体制成。

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