CN212694842U - 一种基于2t3r型柔性运动副的微定位平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台，其有效减少了应力刚化效应、平台的运动耦合及伴生转动的影响，提高平台的定位精度。其包括基座、动平台、第一柔性支链、第二柔性支链以及驱动器，第一柔性支链包括柔性模块一、连接杆、柔性模块二，柔性模块一包括中部刚性连接部和簧片，柔性模块二与动平台连接；第二柔性支链包括柔性模块三、连接杆、柔性模块二，柔性模块三包括中心刚性连接部和簧片，连接杆一端与中心刚性连接部连接，另一端与柔性模块二连接，柔性模块二与动平台连接；柔性模块二包括呈刚性连接框、柔性杆、刚性连接块一和刚性连接块二。

Description

一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台

技术领域

本实用新型涉及柔性机构技术领域，具体为一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台。

背景技术

传统机械系统在精密、微型等工作条件下暴露出不可避免的问题。使得精密微操作技术在相关领域迅猛发展并得以广泛应用，尤其在生物医药科技、精密测量、国防、航空航天等领域产生巨大影响。在光纤精密对接、微机电系统及生物微操作技术等对操作对象具有极高精度及灵敏度要求的应用场合。常采用柔性微定位平台作为微操作系统的传动机构，以满足其高精度、高灵敏度的要求。

不同于传统刚性机构通过运动副实现运动和功能，柔性机构利用其材料的弹性变形来实现运动、力和能量的传递。运动副的减少甚至于被完全替代，大大减少了机构中的间隙、摩擦磨损及润滑等一系列复杂的问题。作为柔性机构学的重要分支，柔性微定位平台技术也取得迅速发展，但在多自由度微定位平台的运动精度及运动解耦特性方面仍需进一步改进提升，同时对具有多自由度、大行程且无应力刚化效应的柔性运动副有迫切需求，对具有大行程的柔性运动副运动过程中产生的伴生转动现象的改善也是亟需解决的问题。

现有的空间平动微定位平台如申请号201310470918.8为一种三自由度解耦大行程微定位平台，其各支链被动副伴生转动效应明显，未采取减小或消除伴生转动效应的措施，且运动过程会产生耦合现象，影响微定位平台定位精度；整体结构复杂，可制造性差。申请号201910397913.4为一种高精度大行程大有效台面空间平动精密定位平台，其五支链对称布置结构有效消除了平台运动过程中的部分伴生转动现象，但其X、Y方向支链被动副应力刚化效应明显，平台力学特性不佳，难以保证其在大行程范围内的高精度。

实用新型内容

针对现有定位平台的支链被动副伴生转动效应明显、会产生耦合现象、应力刚化效应明显的问题，本实用新型提供了一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台，其有效减少了应力刚化效应、平台的运动耦合及伴生转动的影响，提高平台的定位精度。

其技术方案是这样的：一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台，其包括基座、动平台、第一柔性支链、第二柔性支链以及驱动器，所述第一柔性支链、所述动平台位于XY平面内并且所述第一柔性支链分布在所述动平台四周，所述第二柔性支链位于Z轴方向上并且位于所述基座和所述动平台之间，其特征在于：所述第一柔性支链包括呈一字形的柔性模块一、与所述柔性模块一垂直设置的连接杆、与所述柔性模块一垂直设置的柔性模块二，所述柔性模块一包括中部刚性连接部和位于所述中部刚性连接部两侧的簧片，所述连接杆一端与所述中部刚性连接部连接，另一端与所述柔性模块二连接，所述柔性模块二与所述动平台连接；所述第二柔性支链包括呈十字形的柔性模块三、与所述柔性模块三垂直设置的连接杆、与所述柔性模块三垂直设置的柔性模块二，所述柔性模块三包括中心刚性连接部和位于所述中心刚性连接部四周的簧片，所述连接杆一端与所述中心刚性连接部连接，另一端与所述柔性模块二连接，所述柔性模块二与所述动平台连接；所述柔性模块二包括呈方形的刚性连接框、柔性杆、刚性连接块一和刚性连接块二，所述柔性杆一端分别与刚性连接框四条边框的中点连接，其中相对的两根所述柔性杆与刚性连接块一连接，另外两根所述柔性杆分别与刚性连接块二连接，所述刚性连接块一与所述连接杆连接，所述刚性连接块二与所述动平台连接。

其进一步特征在于：

所述驱动器包括X向驱动器、Y向驱动器和Z向驱动器，两根相邻的第一柔性支链分别与所述X向驱动器和所述Y向驱动器连接，所述X向驱动器和所述Y向驱动器分别与所述中部刚性连接部连接，所述第二柔性支链与所述Z向驱动器连接，所述Z向驱动器与所述中心刚性连接部连接；

位于所述中部刚性连接部两侧的簧片一端与所述中部刚性连接部连接另一端连接有刚性固定连接部一，位于所述中心刚性连接部四周的簧片一端与所述中心刚性连接部连接另一端连接有固定连接部二，所述固定连接部二与所述基座连接，所述固定连接部一与所述基座的支柱连接；

所述基座呈方形，所述固定连接部二与所述基座每条边的中点连接，所述支柱位于所述基座相邻两条边的连接点处；

位于XY平面内，用于连接所述驱动器的安装支架分别与所述固定连接部一连接；在Z轴方向上，用于连接所述驱动器的安装支架与基座底部连接；

位于所述中部刚性连接部两侧的簧片分别有两个并且平行设置并且其与连接在中部刚性连接部上的连接杆垂直设置；

位于所述中心刚性连接部四周的簧片分别有两个并且平行设置并且其与连接在中心刚性连接部上的连接杆垂直设置；

同一个所述柔性模块一同时连接有两根平行设置的所述连接杆和两个所述柔性模块二；

所述第二柔性支链包括四根所述连接杆和四个所述柔性模块二，四个所述连接杆和所述柔性模块二呈十字形连接在所述中心刚性连接部上，相对的两个所述柔性模块二平行设置，相邻的两个所述柔性模块二垂直设置；

所述刚性连接块二呈长方体形状，当所述刚性连接块二与所述动平台连接时，其上表面与所述动平台上表面平行。

本实用新型的有益效果为：通过采用柔性模块一和柔性模块三通过柔性模块二与动平台进行连接，而柔性模块二是基于柔性细长杆的2T3R型柔性运动副，其采用反向串联结构，两组平行杆结构均具有寄生运动，但其大小相等、方向相反，在理论上可实现完全抵消，同时柔性杆受到轴向拉压力会产生应力刚化效应，而采用反向串联结构可以对其进行避免；另外，平台运动均会产生耦合位移及伴生转动，本平台从两个方面来减小这两者；一是运动副的反向串联结构，减小了运动副的寄生运动，在平台整体运动中表现为耦合位移的减小；二是平台整体XY平面内的四个相同支链的对称分布，抵消了部分耦合位移及伴生转动。

附图说明

图1为本实用新型一个视角的结构示意图；

图2为本实用新型另一个视角的结构示意图；

图3为XY平面内第一柔性支链的结构示意图；

图4为Z轴方向第二柔性支链的结构示意图；

图5为柔性模块二结构示意图；

图6为基座结构示意图；

图7为另一种第二柔性支链的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示的一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台，其包括基座1、动平台2、四条第一柔性支链3、一条第二柔性支链4以及驱动器，第一柔性支链3、动平台2位于XY平面内并且第一柔性支链3分布在动平台2四周，第二柔性支链4位于Z轴方向上并且位于基座1和动平台2之间，结合图3所示，第一柔性支链3包括呈一字形的柔性模块一31、与柔性模块一31垂直设置的十字形连接杆一32、与柔性模块一31垂直设置的第一柔性模块二33，柔性模块一31包括中部刚性连接部311和位于中部刚性连接部311两侧的簧片一312，位于中部刚性连接部311两侧的簧片一312分别有两个并且平行设置并且其与连接在中部刚性连接部311上的连接杆一32垂直设置，连接杆32一端与中部刚性连接部311连接，另一端与第一柔性模块二33连接，连接杆32位于第一柔性模块二33的内部，第一柔性模块二33与动平台2连接；连接杆一32一端连接支链的主动副，即和柔性模块一31中间的刚性部分通过螺钉连接，另一端和第一柔性模块二33通过螺钉连接成为第一柔性支链的被动副；同一个柔性模块一31同时连接有两根平行设置的连接杆二32和两个第一柔性模块二33。

四个相同的第一柔性支链3通过螺钉连接第一柔性模块二33的刚性连接块和动平台2，完成第一柔性支链3与动平台2的连接。相邻两个第一柔性支链3连接时主动副存在空间重合现象，故对XY平面支链的四组主动副采用整体制造的方法，使相邻两组柔性模块一31主动副两侧的刚性部分可以同时完成两组柔性模块一31与基座支柱11的连接，便于安装。

结合图4所示，第二柔性支链4包括呈十字形的柔性模块三41、与柔性模块三41垂直设置的十字形连接杆二42、与柔性模块三41垂直设置的第二柔性模块二43，柔性模块三41包括中心刚性连接部411和位于中心刚性连接部411四周的簧片二412，位于中心刚性连接部411四周的簧片二412分别有两个并且平行设置并且其与连接在中心刚性连接部411上的连接杆二42垂直设置，连接杆二42一端与中心刚性连接部411连接，另一端与第二柔性模块二43连接，第二柔性模块二43与动平台2连接。

第二柔性支链4具体包括四根连接杆二42和四个第二柔性模块二43，四个连接杆二42和第二柔性模块二43呈十字形连接在中心刚性连接部411上，相对的两个柔性模块二43平行设置即连接块平行装配，相邻的两个柔性模块二43垂直设置及连接块呈垂直装配，以保持平台X、Y方向结构的完全对称，连接杆二42一端通过螺钉和柔性模块三41中间的刚性部分连接称为第二柔性支链4的主动副，另一端和第二柔性模块二43的刚性连接块通过螺钉连接成为第二柔性支链4的被动副。另外，如图7所示，柔性模块三41由两个相同的柔性模块一31中间刚性部分中心重合且呈正交分布组成，可采用整体制造，同时便于生产安装。

结合图5所示为基于柔性细长杆的2T3R型柔性运动副，具有大行程的天然优势，第一柔性模块二33和第二柔性模块二43结构类似，其包括呈方形的刚性连接框331、四根相同的柔性杆332、刚性连接块一333和刚性连接块二334，柔性杆332一端分别与刚性连接框331四条边框的中点连接，其中相对的两根柔性杆332与刚性连接块一333连接作为柔性模块二的主动副，另外两根柔性杆332分别与刚性连接块二334连接作为柔性模块二的被动副，刚性连接块一333与连接杆32通过螺钉连接，刚性连接块二334与动平台2通过螺钉连接，另外，刚性连接块二334呈长方体形状，当刚性连接块二334与动平台2连接时，其上表面与动平台2上表面平行，此处，第一柔性支链3的刚性连接块二334和第二柔性支链4刚性连接块二334由于安装方向不同，其上表面分别是不同的两个面，第一柔性支链3的刚性连接块二334安装时它的上表面可以参见图1，为图5所示的柔性模块二横向安装，图1中的刚性连接块二334的上表面为图5中连接块的侧面，而第二柔性支链4的刚性连接块二334安装时它的上表面可以参见图4，为图5所示的柔性模块二竖向安装，图4中的刚性连接块二334的上表面为图5中连接块的上表面。

另外，结合图1、图2所示，驱动器为音圈电机驱动器，驱动器包括X向驱动器5-1、Y向驱动器5-2和Z向驱动器5-3，两根相邻的第一柔性支链3分别与X向驱动器5-1和Y向驱动器5-2连接，X向驱动器5-1和Y向驱动器5-2分别与中部刚性连接部311连接，第二柔性支链4与Z向驱动器5-3连接，Z向驱动器5-3与中心刚性连接部411连接，驱动器分别用于驱动沿其轴向的柔性支链，使与柔性支链连接的动平台2沿驱动器的轴向平动。

结合图3位于中部刚性连接部311两侧的簧片一312一端与中部刚性连接部311连接另一端连接有刚性固定连接部一313，结合图4位于中心刚性连接部411四周的簧片二412一端与中心刚性连接部411连接另一端连接有固定连接部二413，固定连接部二413与基座1连接，固定连接部一313与基座1的支柱11连接；其中，如图1、图6所示，基座1呈方形，固定连接部二413与基座1每条边的中点连接，支柱11位于基座1相邻两条边的连接点处；同时，位于XY平面内，用于连接驱动器的安装支架一12分别与固定连接部一313连接；在Z轴方向上，用于连接驱动器的安装支架二13与基座1底部连接。

采用上述结构的优点在于：（1）提出了一种基于柔性细长杆的2T3R型柔性运动副，是一种兼具大行程且可有效消除寄生运动的新型多自由度柔性运动副；（2）基于新型2T3R柔性运动副结构，设计了一种综合性能优越的大行程柔性微定位平台；（3）采用反向串联结构的运动副及五支链的空间对称分布结构，有效减少了平台的运动耦合现象，消除了部分情况下的伴生转动；（4）具有较好的结构工艺性，便于实现模块一体化加工。

以上，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台，其包括基座、动平台、第一柔性支链、第二柔性支链以及驱动器，所述第一柔性支链、所述动平台位于XY平面内并且所述第一柔性支链分布在所述动平台四周，所述第二柔性支链位于Z轴方向上并且位于所述基座和所述动平台之间，其特征在于：所述第一柔性支链包括呈一字形的柔性模块一、与所述柔性模块一垂直设置的连接杆、与所述柔性模块一垂直设置的柔性模块二，所述柔性模块一包括中部刚性连接部和位于所述中部刚性连接部两侧的簧片，所述连接杆一端与所述中部刚性连接部连接，另一端与所述柔性模块二连接，所述柔性模块二与所述动平台连接；所述第二柔性支链包括呈十字形的柔性模块三、与所述柔性模块三垂直设置的连接杆、与所述柔性模块三垂直设置的柔性模块二，所述柔性模块三包括中心刚性连接部和位于所述中心刚性连接部四周的簧片，所述连接杆一端与所述中心刚性连接部连接，另一端与所述柔性模块二连接，所述柔性模块二与所述动平台连接；所述柔性模块二包括呈方形的刚性连接框、柔性杆、刚性连接块一和刚性连接块二，所述柔性杆一端分别与刚性连接框四条边框的中点连接，其中相对的两根所述柔性杆与刚性连接块一连接，另外两根所述柔性杆分别与刚性连接块二连接，所述刚性连接块一与所述连接杆连接，所述刚性连接块二与所述动平台连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台，其特征在于：所述驱动器包括X向驱动器、Y向驱动器和Z向驱动器，两根相邻的第一柔性支链分别与所述X向驱动器和所述Y向驱动器连接，所述X向驱动器和所述Y向驱动器分别与所述中部刚性连接部连接，所述第二柔性支链与所述Z向驱动器连接，所述Z向驱动器与所述中心刚性连接部连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台，其特征在于：位于所述中部刚性连接部两侧的簧片一端与所述中部刚性连接部连接另一端连接有刚性固定连接部一，位于所述中心刚性连接部四周的簧片一端与所述中心刚性连接部连接另一端连接有固定连接部二，所述固定连接部二与所述基座连接，所述固定连接部一与所述基座的支柱连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台，其特征在于：所述基座呈方形，所述固定连接部二与所述基座每条边的中点连接，所述支柱位于所述基座相邻两条边的连接点处。

5.根据权利要求4所述的一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台，其特征在于：位于XY平面内，用于连接所述驱动器的安装支架分别与所述固定连接部一连接；在Z轴方向上，用于连接所述驱动器的安装支架与基座底部连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台，其特征在于：位于所述中部刚性连接部两侧的簧片分别有两个并且平行设置并且其与连接在中部刚性连接部上的连接杆垂直设置。

7.根据权利要求1或6所述的一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台，其特征在于：位于所述中心刚性连接部四周的簧片分别有两个并且平行设置并且其与连接在中心刚性连接部上的连接杆垂直设置。

8.根据权利要求1所述的一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台，其特征在于：同一个所述柔性模块一同时连接有两根平行设置的所述连接杆和两个所述柔性模块二。

9.根据权利要求1或8所述的一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台，其特征在于：所述第二柔性支链包括四根所述连接杆和四个所述柔性模块二，四个所述连接杆和所述柔性模块二呈十字形连接在所述中心刚性连接部上，相对的两个所述柔性模块二平行设置，相邻的两个所述柔性模块二垂直设置。

10.根据权利要求1所述的一种基于2T3R型柔性运动副的微定位平台，其特征在于：所述刚性连接块二呈长方体形状，当所述刚性连接块二与所述动平台连接时，其上表面与所述动平台上表面平行。

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