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一种双复合柔性平行四杆机构
申请号	CN201810288164.7	申请日	2018-04-03	公开(公告)号	CN108389603B	公开(公告)日	2023-09-01
申请人	中国科学院宁波材料技术与工程研究所; 中国科学院大学;			发明人	张驰; 曹志琨; 李荣; 陈进华; 杨桂林;
摘要	本发明公开了一种双复合柔性平行四杆机构，包括由上框架和下框架构成的外框架，上框架与下框架之间设有柔性支撑组件。柔性支撑组件分为内侧组柔性支撑组件和外侧组柔性支撑组件两组。在外框架的内部设有用作驱动源的音圈电机，音圈电机的音圈电机定子通过支架与外侧组柔性支撑组件相连接，音圈电机的音圈电机动子与内侧组柔性支撑组件相连接。本发明通过将两组柔性支撑组件串联方式提高了柔性机构有效的线性行程范围，通过并联方式消除单个柔性单元产生的寄生位移，利用音圈电机电流与力线性关系，通过常规的控制方式便可实现大行程、高精度、无寄生位移的单自由度直线运动。
权利要求	1.一种双复合柔性平行四杆机构，其特征是：包括由上框架（42）和下框架（41）构成的外框架，所述的上框架（42）与下框架（41）之间设有柔性支撑组件（11、12、13、14、21、22、23、 24）；所述柔性支撑组件（11、12、13、14、21、22、23、24）分为内侧组柔性支撑组件（21、22、23、 24）和外侧组柔性支撑组件（11、12、13、14）两组；在所述外框架的内部设有用作驱动源的音圈电机，所述音圈电机主要包括音圈电机下底板（61）、音圈电机上底板（62）、音圈电机定子（63）和音圈电机动子（64），音圈电机定子（63）通过支架与所述的外侧组柔性支撑组件（11、 12、13、14）相连接，音圈电机动子（64）与所述的内侧组柔性支撑组件（21、22、23、24）相连接；每个柔性支撑组件（11、12、13、14、21、22、23、24）包括两个柔性支撑单元；每个柔性支撑单元包括一个矩形臂杆（112）以及通过矩形臂杆（112）相串联的两个直角柔性铰链（111）；所述的外侧组柔性支撑组件（11、12、13、14）通过定子连接件（311、312、313、314）连接两个柔性支撑单元，使对应的一对柔性支撑单元形成并联结构；所述的内侧组柔性支撑组件（21、22、23、24）通过动子连接件（321、322）连接两个柔性支撑单元，使对应的一对柔性支撑单元形成并联结构；所述音圈电机的音圈电机动子（64）通过动子连接件（321、322）连接所述的内侧组柔性支撑组件（21、22、23、24）；所述的支架包括左侧支架（51、53）和右侧支架（52、54），所述左侧支架（51、53）和右侧支架（52、54）分别通过定子连接件（311、312、313、314）与对应的外侧组柔性支撑组件（11、 12、13、14）相连接。 2.根据权利要求1所述的双复合柔性平行四杆机构，其特征在于：所述的柔性支撑组件（11、12、13、14、21、22、23、24）的数量为偶数组，且柔性支撑组件（11、12、13、14、21、22、23、 24）分成两部分，对称分布于外框架的两个对立侧面处，且每部分中各个柔性支撑组件平行并联布置。 3.根据权利要求2所述的双复合柔性平行四杆机构，其特征在于：每一部分的内侧组柔性支撑组件（21、22、23、24）和外侧组柔性支撑组件（11、12、13、14）的数量均为偶数。 4.根据权利要求1所述双复合柔性平行四杆机构，其特征在于：所述的左侧支架（51、 53）和右侧支架（52、54）通过螺栓与音圈电机下底板（61）连接构成刚性整体，并支撑所述的外框架。 5.根据权利要求1所述双复合柔性平行四杆机构，其特征在于：所述的上框架（42）和下框架（41）为上下对称的矩形框架结构，所述音圈电机定子（63）和音圈电机动子（64）紧凑安装在矩形框架结构的内部，且所述音圈电机定子（63）采用Halbach结构。 6.根据权利要求1所述双复合柔性平行四杆机构，其特征在于：所述的柔性支撑组件（11、12、13、14、21、22、23、24）为线性切割方式加工而成的一体化结构。
说明书全文	一种双复合柔性平行四杆机构技术领域 [0001] 本发明涉及机械领域的微纳定位装置，具体地说是一种基于音圈电机驱动的双复合柔性平行四杆机构。背景技术 [0002] 超高精度定位技术是精密制造的关键。而随着现代制造业的发展，对于零件加工尺寸要求以及精密仪器的定位精度要求已经达到纳米级别，因此实现微纳米定位是推动现代制造业发展的关键。除了应用于精密制造、精密测量等领域，微纳米定位在半导体制造与装配、生物医学、纳米压印、光纤对准、数据储存与读取以及各种精密光学仪器等方面有着广泛的应用。而柔性铰链与高性能的电机构成的微纳米定位平台是实现微纳米定位任务的一种有效方式，也得到了广泛的研究：六十年代初，美国国家标准局成功研制了行程为0～50μm的一维微动平台，其位移驱动器为压电陶瓷，执行机构为柔性铰链，主要应用于航天领域。2005年，韩国Gwang‑Ju等人设计的以音圈电机为位移驱动器，柔性铰链为执行机构的一维微动机构，其定位精度可以达到0.5nm,但是其行程只有±10μm。2008年，新加坡学者Teo等人提出单自由度的纳米定位装置，以音圈电机为位移驱动器，采用双柔性平行四杆结构作为音圈电机的位移导向机构。 [0003] 但是，现有的微纳米定位装置难以在定位精度达到纳米级别情况下又满足大行程的需要，而定位装置的性能不仅和柔性铰链的结构相关也和其采用的电机密切相关：压电陶瓷制动器是实现纳米定位的一种装置，但是其行程只能达到几百微米；磁悬浮技术能够在较大行程内实现纳米定位，但是其效率对于负载变化非常敏感；传统的音圈电机响应快、行程长，但是其力常数较小，只能达到10N/A。实际应用中，缺少针对大推力，大行程，高性能电机所需的柔性支撑结构。发明内容 [0004] 本发明针对现有技术现状，而提供一种双复合柔性平行四杆机构，基于音圈电机驱动，实现柔性支撑结构的大线性行程和高定位精度。 [0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种双复合柔性平行四杆机构，包括由上框架和下框架构成的外框架，上框架与下框架之间设有柔性支撑组件。柔性支撑组件分为内侧组柔性支撑组件和外侧组柔性支撑组件两组。在外框架的内部设有用作驱动源的音圈电机，音圈电机的音圈电机定子通过支架与外侧组柔性支撑组件相连接，音圈电机的音圈电机动子与内侧组柔性支撑组件相连接。 [0006] 上述的柔性支撑组件的数量为偶数组。且柔性支撑组件分成两部分，对称分布于外框架的两个对立侧面处，且每部分中各个柔性支撑组件平行并联布置。 [0007] 上述每一部分的内侧组柔性支撑组件和外侧组柔性支撑组件的数量均为偶数。 [0008] 上述每个柔性支撑组件包括两个柔性支撑单元。每个柔性支撑单元包括一个矩形臂杆以及通过矩形臂杆相串联的两个直角柔性铰链。 [0009] 上述的外侧组柔性支撑组件通过定子连接件连接两个柔性支撑单元，使对应的一对柔性支撑单元形成并联结构。内侧组柔性支撑组件通过动子连接件连接两个柔性支撑单元，使对应的一对柔性支撑单元形成并联结构。 [0010] 上述音圈电机的音圈电机动子通过动子连接件连接内侧组柔性支撑组件。 [0011] 上述的支架包括左侧支架和右侧支架，左侧支架和右侧支架分别通过定子连接件与对应的外侧组柔性支撑组件相连接。 [0012] 上述的左侧支架和右侧支架通过螺栓与音圈电机下底板连接构成刚性整体，并支撑外框架。 [0013] 上述的上框架和下框架为上下对称的矩形框架结构，音圈电机定子和音圈电机动子紧凑安装在矩形框架结构内部，且音圈电机定子采用Halbach结构。 [0014] 上述的柔性支撑组件为线性切割方式加工而成的一体化结构。 [0015] 与现有技术相比，本发明通过将两组柔性支撑组件串联方式提高了柔性机构有效的线性行程范围，为通常的双平行柔性四杆机构的两倍；通过并联方式消除单个柔性单元产生的寄生位移，并与所述音圈电机组装构成结构紧凑、控制简单的定位装置；利用音圈电机电流与力线性关系，通过常规的控制方式便可实现大行程、高精度、无寄生位移的单自由度直线运动。附图说明 [0016] 图1是本发明实施例的立体结构示意图。 [0017] 图2是图1的正面视图。 [0018] 图3是图1中的平行四杆机构部分的立体结构示意图。具体实施方式 [0019] 以下通过具体实施例及附图，对本发明的双复合柔性平行四杆机构及其对应的驱动装置进行进一步详细说明，但本发明的实施方式并不仅限于此。 [0020] 图1至图3所示为本发明的结构示意图。 [0021] 其中的附图标记为：外侧组柔性支撑组件11、12、13、14、内侧组柔性支撑组件21、22、23、24、直角柔性铰链111、矩形臂杆112、定子连接件311、312、313、314、动子连接件321、 322、下框架41、上框架42、左侧支架51、53、右侧支架52、54、音圈电机下底板61、音圈电机上底板62、音圈电机定子63、音圈电机动子64。 [0022] 本发明的双复合柔性平行四杆机构，可实现平面内一个自由度的直线运动。双复合柔性平行四杆机构包括由上框架42和下框架41构成的外框架，上框架42与下框架41之间设有柔性支撑组件11、12、13、14、21、22、23、24。柔性支撑组件11、12、13、14、21、22、23、24分为内侧组柔性支撑组件21、22、23、24和外侧组柔性支撑组件11、12、13、14两组。 [0023] 在外框架的内部设有用作驱动源的音圈电机，本实施例所用的为Halbach结构音圈电机。在本发明中音圈电机具有响应快，推力大，结构简单的特点，主要包括音圈电机下底板61、音圈电机上底板62、音圈电机定子63和音圈电机动子64。 [0024] 音圈电机的音圈电机定子63通过支架与外侧组柔性支撑组件11、12、13、14相连接，音圈电机的音圈电机动子64与内侧组柔性支撑组件21、22、23、24相连接。 [0025] 柔性支撑组件11、12、13、14、21、22、23、24的数量为偶数组。且柔性支撑组件11、12、13、14、21、22、23、24分成两部分，对称分布于外框架的两个对立侧面处，且每部分中各个柔性支撑组件平行并联布置。 [0026] 每一部分的内侧组柔性支撑组件21、22、23、24和外侧组柔性支撑组件11、12、13、14的数量均为偶数。 [0027] 每个柔性支撑组件11、12、13、14、21、22、23、24包括两个柔性支撑单元。每个柔性支撑单元包括一个矩形臂杆112以及通过矩形臂杆112相串联的两个直角柔性铰链111。 [0028] 外侧组柔性支撑组件11、12、13、14通过定子连接件311、312、313、314连接两个柔性支撑单元，使对应的一对柔性支撑单元形成并联结构。内侧组柔性支撑组件21、22、23、24通过动子连接件321、322连接两个柔性支撑单元，使对应的一对柔性支撑单元形成并联结构。 [0029] 音圈电机的音圈电机动子64通过动子连接件321、322连接内侧组柔性支撑组件21、22、23、24。 [0030] 在本发明中，支架包括左侧支架51、53和右侧支架52、54，左侧支架51、53和右侧支架52、54分别通过定子连接件311、312、313、314与对应的外侧组柔性支撑组件11、12、13、14相连接。 [0031] 左侧支架51、53和右侧支架52、54通过螺栓与音圈电机下底板61连接构成刚性整体，从而实现固定、支撑整个柔性机构的作用。 [0032] 上框架42和下框架41为上下对称的矩形框架结构，音圈电机定子63和音圈电机动子64紧凑安装在矩形框架结构内部，且音圈电机定子63采用Halbach结构。上框架42与下框架41通过八个柔性支撑组件11、12、13、14、21、22、23、24相连，并且作为本机构的次级平台使柔性支撑组件11、12、13、14、21、22、23、24形成并联关系。上框架42和下框架41的框架结构为驱动装置音圈电机预留了安装空间，提高整个机构紧凑性。 [0033] 外侧组柔性支撑组件11、12、13、14通过定子连接件311、312、313、314使对应的一对柔性支撑单元形成并联结构，从而消除单个柔性支撑单元产生的寄生位移。各个外侧组柔性支撑组件11、12、13、14通过外框架形成并联结构，同样各个内侧组柔性支撑组件21、22、23、24通过外框架也形成并联结构，并且通过次级平台即上框架42和下框架41使上述两组并联结构形成串联连接，从而提高了整个机构有效行程，为原单个并联结构行程的2倍。 [0034] 本发明的双复合柔性平行四杆机构相较于传统的轴承，导轨等传递机构，具有如下优点：1.该柔性机构具有无间隙，无摩擦的特点，降低了影响装置工作的物理因素，有效地提高了其定位精度；2.该柔性机构受力与产生的位移为线性关系，降低了控制难度；3.该机构结构简单，便于加工，并可采用线切割方式制造为一体化结构。 [0035] 本发明通过两组串联方式提高了双复合柔性平行四杆机构的有效线性行程范围，通过并联方式消除单个柔性单元产生的寄生位移，并与音圈电机组装成结构紧凑、控制简单的定位装置；利用音圈电机电流与力线性关系，通过常规的控制方式便可实现大行程、高精度、无寄生位移的单自由度直线运动。 [0036] 以上实施例仅表达了本发明的一种优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。