一種單自由度柔性微定位平臺的製作方法

2023-09-22 08:17:30

本發明涉及機械位移放大設備技術領域，更具體地說，涉及一種單自由度柔性微定位平臺。

背景技術：

目前，實現運動平臺大行程高定位精度的主流方法有兩種：一種是採用宏微兩級工作檯，宏動臺實現大行程、微動臺實現最終的定位精度。這類定位平臺設計的主要思路是將兩種類型的電動機結合起來，直流電動機控制機構大範圍運動，壓電陶瓷激勵器保證終端執行器的高精度。這種方式克服了傳統的微操作機器人工作空間小的弊端，但整體驅動系統結構複雜、體積大、造價高、無法小型化。

另一種是用精確的位移輸入裝置如壓電陶瓷驅動器和鉸鏈機構組合成的單層工作檯實現大行程納米定位，雖然結構簡單，但是彈性鉸鏈運動方向上的剛度使位移輸入裝置所輸入的實際伸長量小於名義伸長量，若使微定位平臺的工作行程達到使用要求,需要增加位移輸入裝置的長度，然而壓電陶瓷驅動器類的位移輸入裝置的長度又受到微定位平臺結構緊湊性的限制。如果在微定位平臺的設計中採用了槓桿原理來增加微定位平臺的工作行程，槓桿機構中彈性鉸鏈的運動剛度會影響位移輸入裝置的輸出位移，同時普通槓桿機構還將導致微定位平臺在運動過程中產生偏移誤差。

綜上所述，如何有效地解決現有柔性微定位平臺所存在大行程與高精度相互矛盾等的技術問題，是目前本領域技術人員急需解決的問題。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種單自由度柔性微定位平臺，該單自由度柔性微定位平臺的結構設計可以有效地解決現有柔性微定位平臺所存在大行程與高精度相互矛盾等的技術問題。

為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種單自由度柔性微定位平臺，包括運動輸入裝置、柔性運動平臺及用於固定柔性運動平臺的平臺底座，所述柔性運動平臺包括設置於同一平面的第一半部和第二半部，所述運動輸入裝置通過第一平臺將平移運動輸入至第一半部和第二半部，所述第一半部與所述第二半部的結構關於所述第一平臺的中軸軸對稱；

所述第一半部包括第二平臺，所述第二平臺的首端通過第一柔性鉸鏈與第一槓桿的尾端連接，尾端通過第二柔性鉸鏈與第二槓桿的中段連接；

所述第一槓桿與所述第一平臺背離一側的首端通過第三柔性鉸鏈與第三槓桿的首端連接，所述第一槓桿面向所述第一平臺一側的中段與所述平臺底座通過第四柔性鉸鏈連接；

所述第二槓桿的首端通過第五柔性鉸鏈與所述第三槓桿的中段連接，所述第二槓桿面向所述第一平臺一側的尾端與所述平臺底座之間，通過第六柔性鉸鏈連接；

所述第三槓桿背離所述第二槓桿一側的尾端通過第七柔性鉸鏈與輸出平臺連接，所述輸出平臺連接有限制其沿所述運動輸入裝置輸入的動作的方向運動的限位結構。

優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述第一平臺的一側與所述運動輸入裝置的輸出端連接，另一側的一端通過第八柔性鉸鏈與所述第二平臺的中段連接，所述第一平臺的另一端設置有用於與第二半部連接的第九柔性鉸鏈。

優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述輸出平臺的首端和末端均通過柔性鉸鏈與所述第一半部和第二半部連接，與所述第一半部的連接點和與所述第二半部的連接點關於輸出平臺的中軸對稱。

優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述柔性運動平臺還設置有本體與所述平臺底座安裝固定的固定部，所述第四柔性鉸鏈和第六柔性鉸鏈的一端均通過所述固定部與所述平臺底座連接。

優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述第一柔性鉸鏈、第二柔性鉸鏈、第四柔性鉸鏈、第六柔性鉸鏈、第八柔性鉸鏈均為圓弧形柔性鉸鏈。

優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述第三柔性鉸鏈為直梁型柔性鉸鏈。

優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述第五柔性鉸鏈和第七柔性鉸鏈均為倒角圓直梁柔性鉸鏈。

優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述柔性運動平臺與所述平臺底座之間通過緊固螺栓面貼合安裝固定。

優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述柔性運動平臺與所述平臺底座之間還設置有平臺墊片。

優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述運動輸入裝置具體為壓電陶瓷驅動器。

本發明提供的單自由度柔性微定位平臺，包括運動輸入裝置、柔性運動平臺及用於固定柔性運動平臺的平臺底座，柔性運動平臺包括設置於同一平面的第一半部和第二半部，運動輸入裝置通過第一平臺將平移運動輸入至第一半部和第二半部，第一半部與第二半部的結構關於第一平臺的中軸軸對稱；第一半部包括第二平臺，第二平臺的首端通過第一柔性鉸鏈與第一槓桿的尾端連接，尾端通過第二柔性鉸鏈與第二槓桿的中段連接；第一槓桿與第一平臺背離一側的首端通過第三柔性鉸鏈與第三槓桿的首端連接，第一槓桿面向第一平臺一側的中段與平臺底座通過第四柔性鉸鏈連接；第二槓桿的首端通過第五柔性鉸鏈與第三槓桿的中段連接，第二槓桿面向第一平臺一側的尾端與平臺底座之間，通過第六柔性鉸鏈連接；第三槓桿背離第二槓桿一側的尾端通過第七柔性鉸鏈與輸出平臺連接，輸出平臺連接有限制其沿運動輸入裝置輸入的動作的方向運動的限位結構。這種單自由度柔性微定位平臺包括多級差動式槓桿將位移放大，提高了放大的行程，槓桿之間和槓桿與底座之間均採用柔性鉸鏈連接傳導位移，在柔性鉸鏈和槓桿本身位置及尺寸精準的情況下，可以實現位移的較為精確的放大；並且這種設計結構簡明，佔據的空間相對現有技術中的設計較小，設計採用對稱的結構，整體剛性較高，可以較為穩定和準確的輸出位移，在機構本身尺寸精準的前提下，能夠有效消除側向附加位移，減小機構自身的縱向耦合位移誤差，提升了位移放大的精度，柔性鉸鏈的設計易於一體加工，可以避免裝配誤差。綜上所述，本發明提供的這種單自由度柔性微定位平臺在相對較小的空間內、以相對較小的設備成本較為精確地實現了位移放大，有效地解決了現有柔性微定位平臺所存在大行程與高精度相互矛盾等的技術問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的單自由度柔性微定位平臺的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的單自由度柔性微定位平臺的俯視結構示意圖。

附圖中標記如下：

柔性運動平臺1、緊固螺栓2、平臺墊片3、平臺底座4、壓電陶瓷驅動器6、第一平臺7、第八柔性鉸鏈8、第二平臺9、第一柔性鉸鏈10、第四柔性鉸鏈11、第一槓桿12、第三柔性鉸鏈13、第三槓桿14、第五柔性鉸鏈15、第二槓桿16、第二柔性鉸鏈17、第六柔性鉸鏈18、固定部19、第七柔性鉸鏈20、輸出平臺21。

具體實施方式

本發明實施例公開了一種單自由度柔性微定位平臺，以地解決現有柔性微定位平臺所存在大行程與高精度相互矛盾等的技術問題。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

請參閱圖1、圖2，圖1為本發明實施例提供的單自由度柔性微定位平臺的結構示意圖；圖2為本發明實施例提供的單自由度柔性微定位平臺的俯視結構示意圖。

一種單自由度柔性微定位平臺，包括運動輸入裝置、柔性運動平臺1及用於固定柔性運動平臺1的平臺底座4，柔性運動平臺1包括設置於同一平面的第一半部和第二半部，運動輸入裝置通過第一平臺7將平移運動輸入至第一半部和第二半部，第一半部與第二半部的結構關於第一平臺7的中軸軸對稱；

第一半部包括第二平臺9，第二平臺9的首端通過第一柔性鉸鏈10與第一槓桿12的尾端連接，尾端通過第二柔性鉸鏈17與第二槓桿16的中段連接；

第一槓桿12與第一平臺7背離一側的首端通過第三柔性鉸鏈13與第三槓桿14的首端連接，第一槓桿12面向第一平臺7一側的中段與平臺底座4通過第四柔性鉸鏈11連接；

第二槓桿16的首端通過第五柔性鉸鏈15與第三槓桿14的中段連接，第二槓桿16面向第一平臺7一側的尾端與平臺底座4之間，通過第六柔性鉸鏈18連接；

第三槓桿14背離第二槓桿16一側的尾端通過第七柔性鉸鏈20與輸出平臺21連接，輸出平臺21連接有限制其沿運動輸入裝置輸入的動作的方向運動的限位結構。

其中需要說明的是，柔性鉸鏈是一種結構簡單、形狀較為規則的彈性支承，具有和幾何中心軸重合的迴轉中心，依靠在圓周徑向均布的彈性薄片的有限變形進行工作。在扭轉載荷下，繞其迴轉中心在有限角度範圍內產生迴轉運動。本發明中採用的柔性鉸鏈本身可以與槓桿或平臺內的其他固定部件一體成型加工，可有效避免裝配誤差。

其中，第一半部和第二半部在結構上相對於輸出運動的中軸完全軸對稱，通過完全對稱的機構設計實現增加系統剛度，穩定運動輸出，簡化機構設計的目的，第一半部和第二半部的底部共同與第一平臺連接，通過第一平臺向二者輸出相同的位移運動。

另外，首端、末端和中段是相對的概念，用於說明槓桿或平臺上連接點的相對位置，並無具體的尺寸和位置限制，具體應用中可通過需要輸出的位移的大小和柔性鉸鏈的設計具體調整鉸接點的位置以適應具體應用環境。

本實施例提供的這種單自由度柔性微定位平臺大致工作原理如下：運動輸入裝置輸入初始運動擠壓第一平臺，第一平臺向圖2中的上方發生位移，擠壓第二平臺，在柔性鉸鏈的傳導下，第一槓桿以第四柔性鉸鏈為中軸逆時針轉動一定角度，同理第二槓桿在第二柔性鉸鏈的作用下，以第六柔性鉸鏈為中軸順時針轉動一定角度，在第一槓桿和第二槓桿的轉動推動下，第三槓桿在第五柔性鉸鏈和第三柔性鉸鏈的作用下同時發生向上方的平移和逆時針的轉動通過其尾端的第七柔性鉸鏈將該發大後的位移傳導至輸出平臺，輸出平臺在限位結構的限定下，輸出預設放大比例的向上方的平移，該平移放大的比例由各個槓桿、平臺的尺寸、及其上各柔性鉸鏈連接點的位置及柔性鉸鏈的具體設計確定。

優選的設計是通過對稱結構的設計第一半部和第二半部同時輸出向上方的位移，並通過對稱的設計抵消由槓桿扭轉導致的水平平動，達到水平方向限位的目的。

這種單自由度柔性微定位平臺包括多級差動式槓桿將位移放大，提高了放大的行程，槓桿之間和槓桿與底座之間均採用柔性鉸鏈連接傳導位移，在柔性鉸鏈和槓桿本身位置及尺寸精準的情況下，可以實現位移的較為精確的放大；並且這種設計結構簡明，佔據的空間相對現有技術中的設計較小，設計採用對稱的結構，整體剛性較高，可以較為穩定和準確的輸出位移，在機構本身尺寸精準的前提下，能夠有效消除側向附加位移，減小機構自身的縱向耦合位移誤差，提升了位移放大的精度，柔性鉸鏈的設計易於一體加工，可以避免裝配誤差。綜上所述，本發明提供的這種單自由度柔性微定位平臺在相對較小的空間內、以相對較小的設備成本較為精確地實現了位移放大，有效地解決了現有柔性微定位平臺所存在大行程與高精度相互矛盾等的技術問題。

為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述第一平臺7的一側與所述運動輸入裝置的輸出端連接，另一側的一端通過第八柔性鉸鏈8與所述第二平臺9的中段連接，所述第一平臺7的另一端設置有用於與第二半部連接的第九柔性鉸鏈。

本實施例提供的技術方案通過柔性鉸鏈的設計將第一平臺的位移傳遞給第一半部和第二半部，其中第二半部設置有與第一半部結構相同對稱設置的平臺，通過柔性鉸鏈傳遞運動可以實現精準的位移傳遞。

為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述輸出平臺21的首端和末端均通過柔性鉸鏈與所述第一半部和第二半部連接，與所述第一半部的連接點和與所述第二半部的連接點關於輸出平臺21的中軸對稱。

本實施例提供的技術方案中第一半部和第二半部通過第一平臺的連接結構實現完全結構對稱的設計，在運動輸入端即保證輸出位移一致，有效確保了系統的對稱性。

為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述柔性運動平臺1還設置有本體與所述平臺底座4安裝固定的固定部19，所述第四柔性鉸鏈11和第六柔性鉸鏈18的一端均通過所述固定部19與所述平臺底座4連接。

本實施例提供的技術方案中固定部為柔性運動平臺的延伸部分，柔性運動平臺通過固定部與平臺底座實現安裝固定，固定部並不僅僅指某一個特定結構而是柔性運動平臺與平臺底座固定不動的部分，通過第四柔性鉸鏈和第六柔性鉸鏈的一端與固定部的連接有效確保了槓桿運動的支點固定穩定。

為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述第一柔性鉸鏈10、第二柔性鉸鏈17、第四柔性鉸鏈11、第六柔性鉸鏈18、第八柔性鉸鏈8均為圓弧形柔性鉸鏈。

其中，圓弧形鉸鏈是鉸鏈連接的兩端在過度位置均採用圓弧形的設計，鉸鏈本身呈現兩個相對圓弧的結構，其在柔性鉸鏈中具有運動傳遞精度高，轉動範圍較小的特點適合本技術方案中第一、第二、第四、第六、第八柔性鉸鏈的應用位置。

為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述第三柔性鉸鏈13為直梁型柔性鉸鏈。

直梁型鉸鏈是鉸鏈連接的兩端在過度位置均採用直角形的設計，由於設計需要，第三柔性鉸鏈需要能夠實現較大的位移傳遞，由於其他柔性鉸鏈的限位作用不要求很高的運動精度，所以採用直梁型柔性鉸鏈。

為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述第五柔性鉸鏈15和第七柔性鉸鏈20均為倒角圓直梁柔性鉸鏈。本實施例提供的技術方案中第五柔性鉸鏈和第七柔性鉸鏈均為倒角圓直梁柔性鉸鏈，這種柔性鉸鏈具能夠兼顧運動傳遞的精度和運動的傳遞範圍，適合本技術方案的應用。

為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述柔性運動平臺1與所述平臺底座4之間通過緊固螺栓2面貼合安裝固定。採用緊固螺栓在柔性運動平臺的需要位置如固定部，將平臺與平臺底座安裝固定，確保運動平臺位置的固定，防止由於輸入運動的作用平臺位置偏移。

為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述柔性運動平臺1與所述平臺底座4之間還設置有平臺墊片3。通過墊片的設計將柔性運動平臺稍微抬離平臺底座，防止平臺上需要發生運動的部位與平臺底座發生摩擦，給其中部件的運動造成阻力，造成位移傳遞放大的精度降低。

為進一步優化上述技術方案，在上述實施例的基礎上優選的，上述單自由度柔性微定位平臺中，所述運動輸入裝置具體為壓電陶瓷驅動器6。壓電陶瓷驅動器是一種利用壓電陶瓷的逆壓電原理，通過控制電流輸入實現精確位移輸出的裝置，採用壓電陶瓷驅動器能夠提供精準的運動輸入，從而令經過柔性運動平臺發大輸出的位移能夠更加精準可控。

本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。