CN211333063U - 基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台，包括工作台以及设置在工作台上的宏动并联机构，所述宏动并联机构包括宏动并联机构动平台以及用于驱动宏动并联机构动平台在工作台上做平面运动和绕Z轴转动的宏动驱动机构；还包括微动并联机构，所述微动并联机构内嵌在宏动并联机构动平台内部；该微动并联机构包括微动平台、用于驱动微动平台在宏动并联机构动平台内做平面运动和绕Z轴转动的微动驱动机构。本实用新型的新型宏微结合平台可以有效地减少整个平台的装配误差，减轻负载，并且使得该新型宏微结合平台的整体结构更加紧凑，可实现多自由、大行程、高速高加速和纳米级定位精度。

Description

基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台

技术领域

本实用新型涉及一种定位平台，具体涉及一种基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台。

背景技术

精密定位平台在扫描探针显微镜样品扫描台、纳米压印光刻、微纳操作、 MEMS精密电子制造、精密加工、微测量等许多领域应用广泛。当今技术发展导致需要大行程、高精度精密定位的使用场合越来越多。大行程驱动以及传动方式如精密丝杠传动的精度局限在微级；而纳米级精度定位平台(以压电陶瓷驱动器为代表)，虽然具备纳米级的定位精度，但是行程通常只有几十微米。为了实现扩大机构定位扩大行程同时兼顾高分辨率的目标，宏微结合并联机构精密定位的方法被提出。许多国内外著名公司与研究机构开发了较大行程的精密定位平台，但大多局限于单自由度与平面二自由度精密定位，并且以激光干涉仪作为平台闭环反馈检测仪器，价格昂贵。

宏微结合并联机构是由两部分组成：一个是用地面为参考物的大行程并联宏动机构，实现系统的大范围的移动和定位的宏动台；另外一个是由附着在宏动台上的实现高定位精度的并联微动机构，前者完成大行程和粗定位任务，后者则在小范围内进行微小校正以及精定位，从而兼顾了大行程和高精度。为了达到大行程纳米级定位具体步骤是由宏动并联机构动平台跟踪参考位置信号完成宏定位后(即宏运动位置误差进入微定位行程范围)，需要用微动平台进行纳米级定位。

现有的精密定位平台，例如申请公布号为CN107942933A的发明专利申请公开了“一种视觉伺服的平面三自由度宏微复合定位系统及方法”，所述平面三自由度宏微复合定位系统可以实现平面三自由度(两个平动一个转动)的大行程纳米级精密定位功能。

然而上述平面三自由度宏微复合定位系统存在以下不足：

1、所述平面三自由度宏微复合定位系统中的3-RRR微动并联机构是叠加设置在所述3-RRR宏动并联机构的动平台上，一方面，这样会增加3-RRR宏动并联机构的负载，不但耗能高，而且还增大运动惯性，影响精度；另一方面，动平台和3-RRR微动并联机构叠合在一起高度较高，动平台快速移动时对3-RRR 宏动并联机构产生倾翻力矩，影响宏动并联机构的精度及工作寿命。

2、由于所述3-RRR微动并联机构安装在所述3-RRR宏动并联机构的动平台上，而被定位模块则安装在所述3-RRR微动并联机构的微动平台上的，这不仅会导致3-RRR宏动并联机构与3-RRR微动并联机构之间存在装配误差，而且还会导致3-RRR微动并联机构与被定位模块之间也存在装配误差，两个装配误差叠加在一起，从而形成累积误差，进而降低所述平面三自由度宏微复合定位系统的定位精度，由于3-RRR微动并联机构具有纳米级的定位精度，上述机械装配误差对该定位精度影响非常大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台，所述新型宏微结合平台可以有效地减少整个平台的装配误差，减轻负载，且该新型宏微结合平台的整体结构更加紧凑。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：

一种基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台，包括工作台以及设置在工作台上的宏动并联机构，其中，

所述宏动并联机构包括宏动并联机构动平台以及用于驱动宏动并联机构动平台在工作台上做平面运动和绕Z轴转动的宏动驱动机构；

还包括内嵌在所述宏动并联机构动平台中的微动并联机构，所述微动并联机构容纳在宏动并联机构动平台内部；该微动并联机构包括微动平台、用于驱动微动平台在安装槽内做平面运动和绕Z轴转动的微动驱动机构。

优选的，所述微动并联机构与所述宏动并联机构动平台为一体结构，通过在宏动并联机构动平台上直接加工形成。

优选的，所述宏动并联机构动平台为正三角形结构；所述宏动驱动机构为三组，且分别与所述宏动并联机构动平台的三个顶点转动连接；所述三组宏动驱动机构中的相邻两组宏动驱动机构之间的夹角为120度。

优选的，所述宏动驱动机构包括设置在所述工作台上的驱动电机、主动连杆以及被动连杆，其中，所述主动连杆的其中一端与所述驱动电机的主轴通过转动结构连接，另一端与所述被动连杆的其中一端通过转动结构连接，所述被动连杆的另一端与所述宏动并联机构动平台通过转动结构连接；所述转动结构由转动轴以及轴承构成，其中，所述转动轴的轴线方向与所述工作台的台面垂直。

优选的，所述驱动电机为音圈电机，因其响应快、效率高、推力大、力学特性好以及控制方便等优良性能，非常适合高速、高加速度、高精度定位驱动。

优选的，所述轴承为主动磁轴承，该轴承利用磁悬浮技术实现定子和转子的完全分离，具有无摩擦、无磨损、无需润滑等优点，尽管定子、转子间存在间隙，由于自带的检查控制系统，可实现转子悬浮的精准控制，同时可抵消压电陶瓷的驱动反力以及宏动机构动平台的惯性力，在高速精密定位方面具有广阔的应用前景。

优选的，所述微动驱动机构包括由柔顺铰链连接的三条完全对称的柔性支链以及驱动柔性支链动作的柔性驱动机构，其中，每个柔性支链包括第一连接块、第二连接块以及第三连接块，其中，所述第一连接块与所述柔性驱动机构连接，该第一连接块的中部与所述第二连接块之间通过柔性铰链连接；所述第二连接块的其中一端通过柔性铰链安装在所述宏动并联机构动平台上，另一端通过柔性铰链与所述第三连接块的其中一端连接；所述第三连接块的另一端通过柔性铰链与所述微动平台连接。

优选的，所述微动平台为正三角形结构，该微动平台的每个顶点分别与一条柔性支链连接；所述柔性驱动机构为三组，所述三组柔性驱动机构中的相邻两组柔性驱动机构之间的夹角为120度；每组柔性驱动机构用于驱动一组柔性支链动作。

优选的，所述微动平台的中部设置有用于安装被定位模块的安装孔。

优选的，所述柔性驱动机构包括堆叠式压电陶瓷片，所述堆叠式压电陶瓷片与所述第一连接块为一体结构。

本实用新型的基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台的工作原理是：

工作时，首先将被定位模块安装在所述微动并联机构的微动平台上。接着，所述宏动驱动机构带动宏动并联机构动平台运动，从而带动微动并联机构以及安装在微动并联机构的微动平台上的被定位模块在工作台上运动，当运动到指定位置后，所述宏动驱动机构停止运动，开始通过微动并联机构对该被定位模块的位置进行微动调节，具体调节过程为：所述微动驱动机构带动微动平台在宏动并联机构动平台内做平面运动，同时或先后通过微动驱动机构带动微动平台绕Z轴做旋转运动，从而使得所述被定位模块精确运动到待加工工位上，以完成加工工序。

在上述调节过程中，由于微动并联机构镶嵌设置在所述宏动并联机构的宏动并联机构动平台上，所述微动并联机构在宏动并联机构动平台内，这样，相对于现有技术中的平面三自由度宏微复合定位系统将所述3-RRR微动并联机构叠加在所述3-RRR宏动并联机构的动平台上的方式，本实用新型中的宏动驱动机构的负载更小，降低能耗，不仅使得所述被定位模块的运动速度更快，而且还使得被定位模块在运动过程中的惯性更小，从而有利于提高所述被定位模块的定位精度。并且，微动并联机构镶嵌设置在所述宏动并联机构内，不增加宏动并联机构动平台的高度，宏动并联机构动平台快速移动时对宏动并联机构没有倾翻力矩，消除该因素对宏动并联机构的精度及工作寿命的影响。

本实用新型与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、由于本实用新型中的微动并联机构镶嵌设置在所述宏动并联机构的宏动并联机构动平台上，所述微动并联机构容纳在宏动并联机构动平台内，这样，相对于现有技术中的平面三自由度宏微复合定位系统将所述3-RRR微动并联机构叠加在所述3-RRR宏动并联机构的动平台上的方式，本实用新型中的宏动驱动机构的负载更小，能耗更低，不仅使得所述被定位模块的运动速度更快，而且还使得被定位模块在运动过程中的惯性更小，有效地改善了整个机构的力学性能，从而有利于提高所述被定位模块的定位精度。

2、微动并联机构镶嵌设置在所述宏动并联机构内，不增加宏动并联机构动平台的高度，宏动并联机构动平台快速移动时对宏动并联机构没有倾翻力矩，消除该因素对宏动并联机构的精度及工作寿命的影响。

3、由于微动并联机构镶嵌设置在宏动并联机构动平台内，微动并联机构与宏动并联机构动平台无需增加额外的机械连接结构进行连接，从而消除了因装配带来的误差，提高定位精度。

4、本实用新型的基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台在 IC制造中芯片光刻与封装、MEMS制造中的器件封装与组装、微纳3D打印技术、生物细胞特性表征和操作、细胞注射提取、高速精密加工及高速扫描检测、流体控制(例如点胶机、精密阀)以及微振动抑制(例如激光聚变装置)等精密工程及机器人领域释具有广泛的市场应用前景。

5、由于本实用新型中的微动并联机构镶嵌设置在所述宏动并联机构的宏动并联机构动平台上，宏动并联机构动平台和微动并联机构集合成一体，使得本实用新型的新型宏微结合平台的结构更加紧凑，生产成本也相应降低。

6、相较于传统的定位平台，本实用新型的新型宏微结合平台的定位所花费的时间更少，效率更高。另外，本实用新型的新型宏微结合平台的定位精度也更高。

附图说明

图1和图2为本实用新型的基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台的具体实施方式的结构示意图，其中，图1为立体结构示意图，图2 为附视图。

图3为宏动并联机构动平台以及微动并联机构的立体结构示意图。

图4为宏动并联机构动平台以及微动并联机构的俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

参见图1-图4，本实用新型的基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台包括工作台1以及设置在工作台1上的宏动并联机构，其中，

所述宏动并联机构包括宏动并联机构动平台2以及用于驱动宏动并联机构动平台2在工作台1上做平面运动和绕Z轴转动的宏动驱动机构；

所述新型宏微结合平台还包括镶嵌设置在所述宏动并联机构动平台2中的微动并联机构，所述微动并联机构容纳在宏动并联机构动平台2的内部；该微动并联机构包括微动平台4、用于驱动微动平台4在宏动并联机构动平台2内做平面运动和绕Z轴转动的微动驱动机构。

参见图1-图4，所述微动并联机构与所述宏动并联机构动平台2为一体结构，通过在宏动并联机构动平台2上直接加工形成。这样，在加工宏动并联机构动平台2的同时将所述微动并联机构加工出来，这不仅可以提高加工效率，而且还可以节省加工成本，同时也使得本实用新型的新型宏微结合平台的结构更加紧凑。

参见图1-图4，所述宏动并联机构动平台2为正三角形结构，所述宏动驱动机构为三组，且分别与所述宏动并联机构动平台2的三个顶点转动连接；所述三组宏动驱动机构中的相邻两组宏动驱动机构之间的夹角为120度。

参见图1-图4，所述宏动驱动机构包括设置在所述工作台1上的驱动电机5 以及主动连杆6和被动连杆7，其中，所述主动连杆6的其中一端与所述驱动电机5的主轴通过转动结构10连接，另一端与所述被动连杆7的其中一端通过转动结构10连接，所述被动连杆7的另一端与所述宏动并联机构动平台2通过转动结构10连接；所述转动结构10由转动轴以及轴承构成，其中，所述转动轴的轴线方向与所述工作台1的台面垂直。通过驱动电机5带动主动连杆6转动，从而带动被动连杆7以及与所述被动连杆7转动连接的宏动并联机构动平台2在工作台1的台面上做平面运动或绕Z轴转动，从而带动被定位模块到达指定位置，以此方便微动并联机构对被定位模块进行微动调节。且由于所述宏动驱动机构为三组，且三组宏动驱动机构分别与所述宏动并联机构动平台2的三个顶点转动连接，因此，通过控制三组宏动驱动机构的驱动电机5的转动角度，并通过三组宏动驱动机构的相互配合，从而带动宏动并联机构动平台2在工作台1的台面上做平面运动和绕Z轴转动。

参见图1-图4，所述驱动电机5为音圈电机。所述音圈电机具有响应快、效率高、推力大、力学特性好以及控制方便等优良性能，非常适合高速、高加速度、高精度定位驱动。

参见图1-图4，所述轴承为主动磁轴承。通过采用主动磁轴承，可以有效地吸收宏动并联机构动平台2快速运动而引起的振动，还能自主调节定位精度。且由于所述主动磁轴承不存在机械接触，转子可以达到很高的运转速度，因此具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点。由于采用主动磁轴承进行连接，可有效地缓解高速、高加速度导致的宏动并联机构动平台运动带来的惯性冲击，从而可以快速地使宏动机构静止，从而提高本实用新型的新型宏微结合平台的定位效率。

参见图1-图4，所述微动驱动机构包括由柔顺铰链连接的三条完全对称的柔性支链以及驱动柔性支链动作的柔性驱动机构，其中，每个柔性支链包括第一连接块、第二连接块8以及第三连接块9，其中，所述第一连接块与所述柔性驱动机构连接，该第一连接块的中部与所述第二连接块8通过柔性铰链连接；所述第二连接块8的其中一端通过柔性铰链安装在所述宏动并联机构动平台2 上，另一端通过柔性铰链与所述第三连接块9的其中一端连接；所述第三连接块9的另一端通过柔性铰链与所述微动平台4连接。通过柔性驱动机构带动第一连接块运动，从而带动第二连接块8和第三连接块9以及与第三连接块9连接的微动平台4运动，通过三组微动驱动机构之间的配合，即可实现微动平台4 在安装槽内的平面移动和绕Z轴转动，从而对被定位模块进行微动调节，进而提高被定位模块的定位精度。

参见图1-图4，所述微动平台4为正三角形结构，该微动平台4的每个顶点分别与一条柔性支链连接；所述柔性驱动机构为三组，所述三组柔性驱动机构中的相邻两组柔性驱动机构之间的夹角为120度；每组柔性驱动机构用于驱动一组柔性支链动作。

参见图1-图4，所述微动平台4的中部设置有用于安装被定位模块的安装孔。这样可以方便将被定位模块安装在微动平台4上。

参见图1-图4，所述柔性驱动机构采用堆叠式压电陶瓷片3，所述压电陶瓷片3与所述第一连接块为一体结构。通过向压电陶瓷片3供电，从而带动压电陶瓷片3运动，进而带动柔顺机构以及与所述柔顺机构连接的微动平台4运动。且所述叠堆式压电陶瓷片3因其响应快，分辨率高、驱动力大、体积小等优点，是柔顺机构的理想驱动器。

参见图1-图4，本实用新型的基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台的工作原理是：

工作时，首先将被定位模块安装在所述微动并联机构的微动平台4上。接着，所述宏动驱动机构带动宏动并联机构动平台2运动，从而带动微动并联机构以及安装在微动并联机构的微动平台4上的被定位模块在工作台1上运动，当运动到指定位置后，所述宏动驱动机构停止运动，开始通过微动并联机构对该被定位模块的位置进行微动调节，具体调节过程为：所述微动驱动机构带动微动平台4在安装槽内做平面运动，同时或先后通过微动驱动机构带动微动平台4绕Z轴做旋转运动，从而使得所述被定位模块精确运动到待加工工位上，以完成加工工序。

在上述调节过程中，由于微动并联机构镶嵌设置在所述宏动并联机构的宏动并联机构动平台2上，所述微动并联机构容纳在宏动并联机构动平台2内，这样，相对于现有技术中的平面三自由度宏微复合定位系统将所述3-RRR微动并联机构叠加在所述3-RRR宏动并联机构的动平台上的方式，本实用新型中的宏动驱动机构的负载更小，降低能耗，不仅使得所述被定位模块的运动速度更快，而且还使得被定位模块在运动过程中的惯性更小，从而有利于提高所述被定位模块的定位精度。并且，微动并联机构镶嵌设置在所述宏动并联机构内，不增加宏动并联机构动平台2的高度，宏动并联机构动平台2快速移动时对宏动并联机构没有倾翻力矩，消除该因素对宏动并联机构的精度及工作寿命的影响。

上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、块合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台，包括工作台以及设置在工作台上的宏动并联机构，其中，

所述宏动并联机构包括宏动并联机构动平台以及用于驱动宏动并联机构动平台在工作台上做平面运动和绕Z轴转动的宏动驱动机构；其特征在于，

还包括镶嵌设置在所述宏动并联机构动平台中的微动并联机构，所述微动并联机构内嵌在宏动并联机构动平台内部；该微动并联机构包括微动平台、用于驱动微动平台在安装槽内做平面运动和绕Z轴转动的微动驱动机构。

2.根据权利要求1所述的基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台，其特征在于，所述微动并联机构与所述宏动并联机构动平台为一体结构，通过在宏动并联机构动平台上直接加工形成。

3.根据权利要求1所述的基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台，其特征在于，所述宏动并联机构动平台为正三角形结构；所述宏动驱动机构为三组，且分别与所述宏动并联机构动平台的三个顶点转动连接；所述三组宏动驱动机构中的相邻两组宏动驱动机构之间的夹角为120度。

4.根据权利要求3所述的基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台，其特征在于，所述宏动驱动机构包括设置在所述工作台上的驱动电机、主动连杆以及被动连杆，其中，所述主动连杆的其中一端与所述驱动电机的主轴通过转动结构连接，另一端与所述被动连杆的其中一端通过转动结构连接，所述被动连杆的另一端与所述宏动并联机构动平台通过转动结构连接；所述转动结构由转动轴以及轴承构成，其中，所述转动轴的轴线方向与所述工作台的台面垂直。

5.根据权利要求4所述的基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台，其特征在于，所述驱动电机为音圈电机。

6.根据权利要求4所述的基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台，其特征在于，所述轴承为主动磁轴承。

7.根据权利要求1所述的基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台，其特征在于，所述微动驱动机构包括由柔顺铰链连接的三条完全对称的柔性支链以及驱动柔性支链动作的柔性驱动机构，其中，每个柔性支链包括第一连接块、第二连接块以及第三连接块，其中，所述第一连接块与所述柔性驱动机构连接，该第一连接块的中部与所述第二连接块之间通过柔性铰链连接；所述第二连接块的其中一端通过柔性铰链安装在所述宏动并联机构动平台上，另一端通过柔性铰链与所述第三连接块的其中一端连接；所述第三连接块的另一端通过柔性铰链与所述微动平台连接。

8.根据权利要求7所述的基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台，其特征在于，所述微动平台为正三角形结构，该微动平台的每个顶点分别与一条柔性支链连接；所述柔性驱动机构为三组，所述三组柔性驱动机构中的相邻两组柔性驱动机构之间的夹角为120度；每组柔性驱动机构用于驱动一组柔性支链动作。

9.根据权利要求1所述的基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台，其特征在于，所述微动平台的中部设置有用于安装被定位模块的安装孔。

10.根据权利要求8所述的基于刚性并联机构和柔顺并联机构的新型宏微结合平台，其特征在于，所述柔性驱动机构包括堆叠式压电陶瓷片，所述堆叠式压电陶瓷片与所述第一连接块为一体结构。

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