一种单自由度柔性微定位平台

摘要

本发明公开了一种单自由度柔性微定位平台，包括运动输入装置、柔性运动平台及用于固定柔性运动平台的平台底座，柔性运动平台包括对称设置两个半部运动机构，每个半部均包括由柔性铰链连接的运动平台和多级差动杠杆这种设计将位移放大，在柔性铰链和杠杆本身位置及尺寸精准的情况下，可以实现位移的较为精确的放大；设计结构简明，占据的空间相对较小，采用对称的结构，可较为稳定的输出位移，有效消除侧向附加位移，减小机构自身的纵向耦合位移误差，提升了位移放大的精度，柔性铰链的设计易于一体加工，可以避免装配误差。在相对较小的空间内、以较低的成本精确地实现位移放大，解决了柔性微定位平台的大行程与高精度难以兼顾的问题。

权利要求

1.一种单自由度柔性微定位平台，包括运动输入装置、柔性运动平台及用于固定柔性运动平台的平台底座，其特征在于，所述柔性运动平台包括设置于同一平面的第一半部和第二半部，所述运动输入装置通过第一平台将平移运动输入至第一半部和第二半部，所述第一半部与所述第二半部的结构关于所述第一平台的中轴轴对称；

所述第一半部包括第二平台，所述第二平台的首端通过第一柔性铰链与第一杠杆的尾端连接，尾端通过第二柔性铰链与第二杠杆的中段连接；

所述第一杠杆与所述第一平台背离一侧的首端通过第三柔性铰链与第三杠杆的首端连接，所述第一杠杆面向所述第一平台一侧的中段与所述平台底座通过第四柔性铰链连接；

所述第二杠杆的首端通过第五柔性铰链与所述第三杠杆的中段连接，所述第二杠杆面向所述第一平台一侧的尾端与所述平台底座之间，通过第六柔性铰链连接；

所述第三杠杆背离所述第二杠杆一侧的尾端通过第七柔性铰链与输出平台连接，所述输出平台连接有限制其沿所述运动输入装置输入的动作的方向运动的限位结构。

2.根据权利要求1所述的单自由度柔性微定位平台，其特征在于，所述第一平台的一侧与所述运动输入装置的输出端连接，另一侧的一端通过第八柔性铰链与所述第二平台的中段连接，所述第一平台的另一端设置有用于与第二半部连接的第九柔性铰链。

3.根据权利要求2所述的单自由度柔性微定位平台，其特征在于，所述输出平台的首端和末端均通过柔性铰链与所述第一半部和第二半部连接，与所述第一半部的连接点和与所述第二半部的连接点关于输出平台的中轴对称。

4.根据权利要求2所述的单自由度柔性微定位平台，其特征在于，所述柔性运动平台还设置有本体与所述平台底座安装固定的固定部，所述第四柔性铰链和第六柔性铰链的一端均通过所述固定部与所述平台底座连接。

5.根据权利要求2至4任一项所述的单自由度柔性微定位平台，其特征在于，所述第一柔性铰链、第二柔性铰链、第四柔性铰链、第六柔性铰链、第八柔性铰链均为圆弧形柔性铰链。

6.根据权利要求5所述的单自由度柔性微定位平台，其特征在于，所述第三柔性铰链为直梁型柔性铰链。

7.根据权利要求6所述的单自由度柔性微定位平台，其特征在于，所述第五柔性铰链和第七柔性铰链均为倒角圆直梁柔性铰链。

8.根据权利要求5所述的单自由度柔性微定位平台，其特征在于，所述柔性运动平台与所述平台底座之间通过紧固螺栓面贴合安装固定。

9.根据权利要求5所述的单自由度柔性微定位平台，其特征在于，所述柔性运动平台与所述平台底座之间还设置有平台垫片。

10.根据权利要求7所述的单自由度柔性微定位平台，其特征在于，所述运动输入装置具体为压电陶瓷驱动器。

说明书

一种单自由度柔性微定位平台

技术领域

[0001] 本发明涉及机械位移放大设备技术领域，更具体地说，涉及一种单自由度柔性微定位平台。

背景技术

[0002] 目前，实现运动平台大行程高定位精度的主流方法有两种：一种是采用宏微两级工作台，宏动台实现大行程、微动台实现最终的定位精度。这类定位平台设计的主要思路是将两种类型的电动机结合起来，直流电动机控制机构大范围运动，压电陶瓷激励器保证终端执行器的高精度。这种方式克服了传统的微操作机器人工作空间小的弊端，但整体驱动系统结构复杂、体积大、造价高、无法小型化。

[0003] 另一种是用精确的位移输入装置如压电陶瓷驱动器和铰链机构组合成的单层工作台实现大行程纳米定位，虽然结构简单，但是弹性铰链运动方向上的刚度使位移输入装置所输入的实际伸长量小于名义伸长量，若使微定位平台的工作行程达到使用要求,需要增加位移输入装置的长度，然而压电陶瓷驱动器类的位移输入装置的长度又受到微定位平台结构紧凑性的限制。如果在微定位平台的设计中采用了杠杆原理来增加微定位平台的工作行程，杠杆机构中弹性铰链的运动刚度会影响位移输入装置的输出位移，同时普通杠杆机构还将导致微定位平台在运动过程中产生偏移误差。

[0004] 综上所述，如何有效地解决现有柔性微定位平台所存在大行程与高精度相互矛盾等的技术问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单自由度柔性微定位平台，该单自由度柔性微定位平台的结构设计可以有效地解决现有柔性微定位平台所存在大行程与高精度相互矛盾等的技术问题。

[0006] 为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 一种单自由度柔性微定位平台，包括运动输入装置、柔性运动平台及用于固定柔性运动平台的平台底座，所述柔性运动平台包括设置于同一平面的第一半部和第二半部，所述运动输入装置通过第一平台将平移运动输入至第一半部和第二半部，所述第一半部与所述第二半部的结构关于所述第一平台的中轴轴对称；

[0008] 所述第一半部包括第二平台，所述第二平台的首端通过第一柔性铰链与第一杠杆的尾端连接，尾端通过第二柔性铰链与第二杠杆的中段连接；

[0009] 所述第一杠杆与所述第一平台背离一侧的首端通过第三柔性铰链与第三杠杆的首端连接，所述第一杠杆面向所述第一平台一侧的中段与所述平台底座通过第四柔性铰链连接；

[0010] 所述第二杠杆的首端通过第五柔性铰链与所述第三杠杆的中段连接，所述第二杠杆面向所述第一平台一侧的尾端与所述平台底座之间，通过第六柔性铰链连接；

[0011] 所述第三杠杆背离所述第二杠杆一侧的尾端通过第七柔性铰链与输出平台连接，所述输出平台连接有限制其沿所述运动输入装置输入的动作的方向运动的限位结构。

[0012] 优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述第一平台的一侧与所述运动输入装置的输出端连接，另一侧的一端通过第八柔性铰链与所述第二平台的中段连接，所述第一平台的另一端设置有用于与第二半部连接的第九柔性铰链。

[0013] 优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述输出平台的首端和末端均通过柔性铰链与所述第一半部和第二半部连接，与所述第一半部的连接点和与所述第二半部的连接点关于输出平台的中轴对称。

[0014] 优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述柔性运动平台还设置有本体与所述平台底座安装固定的固定部，所述第四柔性铰链和第六柔性铰链的一端均通过所述固定部与所述平台底座连接。

[0015] 优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述第一柔性铰链、第二柔性铰链、第四柔性铰链、第六柔性铰链、第八柔性铰链均为圆弧形柔性铰链。

[0016] 优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述第三柔性铰链为直梁型柔性铰链。

[0017] 优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述第五柔性铰链和第七柔性铰链均为倒角圆直梁柔性铰链。

[0018] 优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述柔性运动平台与所述平台底座之间通过紧固螺栓面贴合安装固定。

[0019] 优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述柔性运动平台与所述平台底座之间还设置有平台垫片。

[0020] 优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述运动输入装置具体为压电陶瓷驱动器。

[0021] 本发明提供的单自由度柔性微定位平台，包括运动输入装置、柔性运动平台及用于固定柔性运动平台的平台底座，柔性运动平台包括设置于同一平面的第一半部和第二半部，运动输入装置通过第一平台将平移运动输入至第一半部和第二半部，第一半部与第二半部的结构关于第一平台的中轴轴对称；第一半部包括第二平台，第二平台的首端通过第一柔性铰链与第一杠杆的尾端连接，尾端通过第二柔性铰链与第二杠杆的中段连接；第一杠杆与第一平台背离一侧的首端通过第三柔性铰链与第三杠杆的首端连接，第一杠杆面向第一平台一侧的中段与平台底座通过第四柔性铰链连接；第二杠杆的首端通过第五柔性铰链与第三杠杆的中段连接，第二杠杆面向第一平台一侧的尾端与平台底座之间，通过第六柔性铰链连接；第三杠杆背离第二杠杆一侧的尾端通过第七柔性铰链与输出平台连接，输出平台连接有限制其沿运动输入装置输入的动作的方向运动的限位结构。这种单自由度柔性微定位平台包括多级差动式杠杆将位移放大，提高了放大的行程，杠杆之间和杠杆与底座之间均采用柔性铰链连接传导位移，在柔性铰链和杠杆本身位置及尺寸精准的情况下，可以实现位移的较为精确的放大；并且这种设计结构简明，占据的空间相对现有技术中的设计较小，设计采用对称的结构，整体刚性较高，可以较为稳定和准确的输出位移，在机构本身尺寸精准的前提下，能够有效消除侧向附加位移，减小机构自身的纵向耦合位移误差，提升了位移放大的精度，柔性铰链的设计易于一体加工，可以避免装配误差。综上所述，本发明提供的这种单自由度柔性微定位平台在相对较小的空间内、以相对较小的设备成本较为精确地实现了位移放大，有效地解决了现有柔性微定位平台所存在大行程与高精度相互矛盾等的技术问题。

附图说明

[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0023] 图1为本发明实施例提供的单自由度柔性微定位平台的结构示意图；

[0024] 图2为本发明实施例提供的单自由度柔性微定位平台的俯视结构示意图。

[0025] 附图中标记如下：

[0026] 柔性运动平台1、紧固螺栓2、平台垫片3、平台底座4、压电陶瓷驱动器6、第一平台7、第八柔性铰链8、第二平台9、第一柔性铰链10、第四柔性铰链11、第一杠杆12、第三柔性铰链13、第三杠杆14、第五柔性铰链15、第二杠杆16、第二柔性铰链17、第六柔性铰链18、固定部19、第七柔性铰链20、输出平台21。

具体实施方式

[0027] 本发明实施例公开了一种单自由度柔性微定位平台，以地解决现有柔性微定位平台所存在大行程与高精度相互矛盾等的技术问题。

[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 请参阅图1、图2，图1为本发明实施例提供的单自由度柔性微定位平台的结构示意图；图2为本发明实施例提供的单自由度柔性微定位平台的俯视结构示意图。

[0030] 一种单自由度柔性微定位平台，包括运动输入装置、柔性运动平台1及用于固定柔性运动平台1的平台底座4，柔性运动平台1包括设置于同一平面的第一半部和第二半部，运动输入装置通过第一平台7将平移运动输入至第一半部和第二半部，第一半部与第二半部的结构关于第一平台7的中轴轴对称；

[0031] 第一半部包括第二平台9，第二平台9的首端通过第一柔性铰链10与第一杠杆12的尾端连接，尾端通过第二柔性铰链17与第二杠杆16的中段连接；

[0032] 第一杠杆12与第一平台7背离一侧的首端通过第三柔性铰链13与第三杠杆14的首端连接，第一杠杆12面向第一平台7一侧的中段与平台底座4通过第四柔性铰链11连接；

[0033] 第二杠杆16的首端通过第五柔性铰链15与第三杠杆14的中段连接，第二杠杆16面向第一平台7一侧的尾端与平台底座4之间，通过第六柔性铰链18连接；

[0034] 第三杠杆14背离第二杠杆16一侧的尾端通过第七柔性铰链20与输出平台21连接，输出平台21连接有限制其沿运动输入装置输入的动作的方向运动的限位结构。

[0035] 其中需要说明的是，柔性铰链是一种结构简单、形状较为规则的弹性支承，具有和几何中心轴重合的回转中心，依靠在圆周径向均布的弹性薄片的有限变形进行工作。在扭转载荷下，绕其回转中心在有限角度范围内产生回转运动。本发明中采用的柔性铰链本身可以与杠杆或平台内的其他固定部件一体成型加工，可有效避免装配误差。

[0036] 其中，第一半部和第二半部在结构上相对于输出运动的中轴完全轴对称，通过完全对称的机构设计实现增加系统刚度，稳定运动输出，简化机构设计的目的，第一半部和第二半部的底部共同与第一平台连接，通过第一平台向二者输出相同的位移运动。

[0037] 另外，首端、末端和中段是相对的概念，用于说明杠杆或平台上连接点的相对位置，并无具体的尺寸和位置限制，具体应用中可通过需要输出的位移的大小和柔性铰链的设计具体调整铰接点的位置以适应具体应用环境。

[0038] 本实施例提供的这种单自由度柔性微定位平台大致工作原理如下：运动输入装置输入初始运动挤压第一平台，第一平台向图2中的上方发生位移，挤压第二平台，在柔性铰链的传导下，第一杠杆以第四柔性铰链为中轴逆时针转动一定角度，同理第二杠杆在第二柔性铰链的作用下，以第六柔性铰链为中轴顺时针转动一定角度，在第一杠杆和第二杠杆的转动推动下，第三杠杆在第五柔性铰链和第三柔性铰链的作用下同时发生向上方的平移和逆时针的转动通过其尾端的第七柔性铰链将该发大后的位移传导至输出平台，输出平台在限位结构的限定下，输出预设放大比例的向上方的平移，该平移放大的比例由各个杠杆、平台的尺寸、及其上各柔性铰链连接点的位置及柔性铰链的具体设计确定。

[0039] 优选的设计是通过对称结构的设计第一半部和第二半部同时输出向上方的位移，并通过对称的设计抵消由杠杆扭转导致的水平平动，达到水平方向限位的目的。

[0040] 这种单自由度柔性微定位平台包括多级差动式杠杆将位移放大，提高了放大的行程，杠杆之间和杠杆与底座之间均采用柔性铰链连接传导位移，在柔性铰链和杠杆本身位置及尺寸精准的情况下，可以实现位移的较为精确的放大；并且这种设计结构简明，占据的空间相对现有技术中的设计较小，设计采用对称的结构，整体刚性较高，可以较为稳定和准确的输出位移，在机构本身尺寸精准的前提下，能够有效消除侧向附加位移，减小机构自身的纵向耦合位移误差，提升了位移放大的精度，柔性铰链的设计易于一体加工，可以避免装配误差。综上所述，本发明提供的这种单自由度柔性微定位平台在相对较小的空间内、以相对较小的设备成本较为精确地实现了位移放大，有效地解决了现有柔性微定位平台所存在大行程与高精度相互矛盾等的技术问题。

[0041] 为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述第一平台7的一侧与所述运动输入装置的输出端连接，另一侧的一端通过第八柔性铰链8与所述第二平台9的中段连接，所述第一平台7的另一端设置有用于与第二半部连接的第九柔性铰链。

[0042] 本实施例提供的技术方案通过柔性铰链的设计将第一平台的位移传递给第一半部和第二半部，其中第二半部设置有与第一半部结构相同对称设置的平台，通过柔性铰链传递运动可以实现精准的位移传递。

[0043] 为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述输出平台21的首端和末端均通过柔性铰链与所述第一半部和第二半部连接，与所述第一半部的连接点和与所述第二半部的连接点关于输出平台21的中轴对称。

[0044] 本实施例提供的技术方案中第一半部和第二半部通过第一平台的连接结构实现完全结构对称的设计，在运动输入端即保证输出位移一致，有效确保了系统的对称性。

[0045] 为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述柔性运动平台1还设置有本体与所述平台底座4安装固定的固定部19，所述第四柔性铰链11和第六柔性铰链18的一端均通过所述固定部19与所述平台底座4连接。

[0046] 本实施例提供的技术方案中固定部为柔性运动平台的延伸部分，柔性运动平台通过固定部与平台底座实现安装固定，固定部并不仅仅指某一个特定结构而是柔性运动平台与平台底座固定不动的部分，通过第四柔性铰链和第六柔性铰链的一端与固定部的连接有效确保了杠杆运动的支点固定稳定。

[0047] 为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述第一柔性铰链10、第二柔性铰链17、第四柔性铰链11、第六柔性铰链18、第八柔性铰链8均为圆弧形柔性铰链。

[0048] 其中，圆弧形铰链是铰链连接的两端在过度位置均采用圆弧形的设计，铰链本身呈现两个相对圆弧的结构，其在柔性铰链中具有运动传递精度高，转动范围较小的特点适合本技术方案中第一、第二、第四、第六、第八柔性铰链的应用位置。

[0049] 为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述第三柔性铰链13为直梁型柔性铰链。

[0050] 直梁型铰链是铰链连接的两端在过度位置均采用直角形的设计，由于设计需要，第三柔性铰链需要能够实现较大的位移传递，由于其他柔性铰链的限位作用不要求很高的运动精度，所以采用直梁型柔性铰链。

[0051] 为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述第五柔性铰链15和第七柔性铰链20均为倒角圆直梁柔性铰链。本实施例提供的技术方案中第五柔性铰链和第七柔性铰链均为倒角圆直梁柔性铰链，这种柔性铰链具能够兼顾运动传递的精度和运动的传递范围，适合本技术方案的应用。

[0052] 为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述柔性运动平台1与所述平台底座4之间通过紧固螺栓2面贴合安装固定。采用紧固螺栓在柔性运动平台的需要位置如固定部，将平台与平台底座安装固定，确保运动平台位置的固定，防止由于输入运动的作用平台位置偏移。

[0053] 为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述柔性运动平台1与所述平台底座4之间还设置有平台垫片3。通过垫片的设计将柔性运动平台稍微抬离平台底座，防止平台上需要发生运动的部位与平台底座发生摩擦，给其中部件的运动造成阻力，造成位移传递放大的精度降低。

[0054] 为进一步优化上述技术方案，在上述实施例的基础上优选的，上述单自由度柔性微定位平台中，所述运动输入装置具体为压电陶瓷驱动器6。压电陶瓷驱动器是一种利用压电陶瓷的逆压电原理，通过控制电流输入实现精确位移输出的装置，采用压电陶瓷驱动器能够提供精准的运动输入，从而令经过柔性运动平台发大输出的位移能够更加精准可控。

[0055] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0056] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。