CN109079766B - 一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台，采用压电陶瓷配合弧形柔性放大机构实现微位移放大，结构简单，具有响应速度快和控制方便的效果；同时，采用弧形柔性放大机构，能够使得基于柔性放大机构的三自由度运动平台的运动结构更加紧凑，有效地降低了装置的占地面积，能够同时满足响应速度快、控制方便和占地面积小的要求，解决了现有的缺少一种容易控制、响应速度快又占地面积小的位移放大机构的技术问题。

Description

一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台

技术领域

本申请涉及位移放大机构技术领域，尤其涉及一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台。

背景技术

压电陶瓷驱动器具有位移分辨率高、驱动力大、响应速度快、不受磁场干扰、结构简单等优点，因此其在微定位平台领域具有广泛的应用前景。

然而压电陶瓷伸长量有限，对于在5-30μm的输出运动范围，压电陶瓷驱动器可单独完成运动，无需借助其他设备，但是在执行系统输出要达到毫米甚至厘米级的领域，单一的依靠压电陶瓷驱动器完成作业是没法实现的。因此必须借助微位移放大机构来实现柔性铰链机构输出的微位移的放大和传递，以满足光学定位工作台的行程要求。柔性铰链以其无机械摩擦、无间隙及运动灵敏度高等优点成为光学精密定位平台及仪器研究热点。柔性铰链具有较好的运动特性和输出效果，柔性环节越多的位移放大机构，输出性能难以控制，同时，系统的动态响应速度也越慢；单级放大机构具有较好的输入输出线性关系，同时，响应速度也越快，但是，由于柔性放大机构应用的是杠杆放大原理，因此，柔性铰链的中间环节越少，机构占地面积就越大。

因此，如何设计一种容易控制、响应速度快又占地面积小的位移放大机构，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台，用于解决现有的缺少一种容易控制、响应速度快又占地面积小的位移放大机构的技术问题。

本申请提供了一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台，包括：弧形柔性放大机构和动平台；

所述弧形柔性放大机构包括：固定座、连杆、第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链、压电陶瓷、弧形杠杆和末端；

所述连杆的一端与所述固定座连接，所述连杆的另一端通过所述第二柔性铰链与所述弧形杠杆连接；

所述末端通过所述第一柔性铰链的与所述弧形杠杆连接；

所述固定座、所述连杆、所述第一柔性铰链、所述第二柔性铰链、所述第三柔性铰链、所述弧形杠杆和所述末端一体化连接；

所述压电陶瓷的一端与所述固定座连接，所述压电陶瓷的另一端通过所述第三柔性铰链与所述弧形杠杆连接；

所述末端与所述动平台连接；

所述弧形柔性放大机构的数量为3个，3个所述弧形柔性放大机构以同一个轴心呈120°夹角的螺旋状分布。

优选地，所述基于柔性放大机构的三自由度运动平台还包括：基座；

所述弧形柔性放大机构固定在所述基座上。

优选地，所述第一柔性铰链包括：第一柔性片和第二柔性片；

所述第一柔性片与所述第二柔性片呈十字交叉形式一体化连接。

优选地，所述第一柔性铰链、所述第二柔性铰链和所述第三柔性铰链均为倒圆角柔性铰链。

优选地，所述动平台为圆形动平台。

优选地，所述弧形杠杆的弧度为60°。

优选地，所述动平台上设置有螺栓固定位，所述末端通过螺栓固定在所述螺栓固定位上。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请中提供的一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台，包括：弧形柔性放大机构和动平台；弧形柔性放大机构包括：固定座、连杆、第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链、压电陶瓷、弧形杠杆和末端；连杆的一端与固定座连接，连杆的另一端通过第二柔性铰链与弧形杠杆连接；末端通过第一柔性铰链的与弧形杠杆连接；固定座、连杆、第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链、弧形杠杆和末端一体化连接；压电陶瓷的一端与固定座连接，压电陶瓷的另一端通过第三柔性铰链与弧形杠杆连接；末端与动平台连接；弧形柔性放大机构的数量为3个，3个弧形柔性放大机构以同一个轴心呈120°夹角的螺旋状分布。本申请提供的基于柔性放大机构的三自由度运动平台，采用压电陶瓷配合弧形柔性放大机构实现微位移放大，结构简单，具有响应速度快和控制方便的效果；同时，采用弧形柔性放大机构，能够使得基于柔性放大机构的三自由度运动平台的运动结构更加紧凑，有效地降低了装置的占地面积，能够同时满足响应速度快、控制方便和占地面积小的要求，解决了现有的缺少一种容易控制、响应速度快又占地面积小的位移放大机构的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例中提供的一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台的整体结构示意图；

图2为图1中的一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台的不包含基座时的俯视图；

图3为本申请中提供的弧形柔性放大机构的结构示意图；

其中，附图标记为：

1、动平台；2、基座；A、弧形柔性放大机构；11、螺栓固定位；A1、第一柔性铰链；A2、弧形杠杆；A3、第二柔性铰链；A4、固定座；A5、压电陶瓷；A6、第三柔性铰链；A7、末端；L1、连杆。

具体实施方式

本实申请实施例公开了一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台，用于解决现有的缺少一种容易控制、响应速度快又占地面积小的位移放大机构的技术问题。

请参阅图1至图3，本申请提供了一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台的一个实施例，本申请实施例提供的基于柔性放大机构的三自由度运动平台，包括：弧形柔性放大机构和动平台；

弧形柔性放大机构A包括：固定座A4、连杆L1、第一柔性铰链A1、第二柔性铰链A3、第三柔性铰链A6、压电陶瓷A5、弧形杠杆A2和末端A7；

连杆L1的一端与固定座A4连接，连杆L1的另一端通过第二柔性铰链A3与弧形杠杆A2连接；

末端A7通过第一柔性铰链A1的与弧形杠杆A2连接；

固定座A4、连杆L1、第一柔性铰链A1、第二柔性铰链A3、第三柔性铰链A6、弧形杠杆A2和末端A7一体化连接；

压电陶瓷A5的一端与固定座A4连接，压电陶瓷A5的另一端通过第三柔性铰链A6与弧形杠杆A2连接；

末端A7与动平台1连接；

弧形柔性放大机构A的数量为3个，3个弧形柔性放大机构A以同一个轴心呈120°夹角的螺旋状分布。

需要说明的是，柔性铰链是通过金属的变形从而产生旋转和位移的传递，好处是可以克服以往的通过两个机械结构连接而成的铰链总是有存在间隙和摩擦，但是，在使得金属片产生形变的过程中，必定要消耗能量，从受力到产生变形会有一定的时间差，从输入位移到最后的位移输出不可能是按照设定的N倍位移放大，可能是小于N倍位移输出，也可能是大于N倍位移输出，这就存在了误差，尤其是在多级柔性杠杆放大机构中，误差将会更加明显，同时，控制难度也更加困难，响应起来更慢，而单级杠杆放大的线性度是最好的，误差能够减到最小，相对于多级柔性杠杆放大机构控制简单，响应速度快，但是，要放大N倍的位移输出，那么整个补偿结构的占地面积就会相对于动平台的面积多出一倍多，而本申请实施例中的基于柔性放大机构的三自由度运动平台，保持了系统具有较好的响应速度和线性输出关系，同时又克服了单级放大机构占地面积大，结构不紧凑的问题。

本申请实施例中，弧形柔性放大机构A采用一体化设计，可以减少中间连接环节，减少误差累积，从而提高误差精度。采用压电陶瓷A5作为微位移驱动器，以柔性铰链为支撑导向机构，具有位移分辨率高、驱动力大、响应速度快、不受磁场干扰、结构简单和控制方便的优点。采用弧形柔性放大机构A设计，运动结构紧凑，能够有效减少占地面积。本申请实施例的基于柔性放大机构的三自由度运动平台工作过程可以描述为：对压电陶瓷A5输入驱动电压，压电陶瓷A5通电之后会产生相应的微位移，第三柔性铰链A6受到压电陶瓷A5的作用力，从而使得弧形杠杆A2整体以第二柔性铰链A3为旋转点向上偏转，第一柔性铰链A1的第一柔性片A11和第二柔性片A12之间由于机械结构的运动机理关系响应的发生偏转，使得动平台产生相应的放大位移。当然，可以理解的是，由于三个弧形柔性放大机构A的第二柔性铰链A3都可以作为，且可以同时作为支撑点或旋转点。

本申请实施例中提供的一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台，包括：弧形柔性放大机构A和动平台1；弧形柔性放大机构A包括：固定座A4、连杆L1、第一柔性铰链A1、第二柔性铰链A3、第三柔性铰链A6、压电陶瓷A5、弧形杠杆A2和末端A7；连杆L1的一端与固定座A4连接，连杆L1的另一端通过第二柔性铰链A3与弧形杠杆A2连接；末端A7通过第一柔性铰链A1的与弧形杠杆A2连接；固定座A4、连杆L1、第一柔性铰链A1、第二柔性铰链A3、第三柔性铰链A6、弧形杠杆A2和末端A7一体化连接；压电陶瓷A5的一端与固定座A4连接，压电陶瓷A5的另一端通过第三柔性铰链A6与弧形杠杆A2连接；末端A7与动平台1连接；弧形柔性放大机构A的数量为3个，3个弧形柔性放大机构A以同一个轴心呈120°夹角的螺旋状分布。本申请提供的基于柔性放大机构的三自由度运动平台，采用压电陶瓷A5配合弧形柔性放大机构A实现微位移放大，结构简单，具有响应速度快和控制方便的效果；同时，采用弧形柔性放大机构A，能够使得基于柔性放大机构的三自由度运动平台的运动结构更加紧凑，有效地降低了装置的占地面积，能够同时满足响应速度快、控制方便和占地面积小的要求，解决了现有的缺少一种容易控制、响应速度快又占地面积小的位移放大机构的技术问题。

以上是本申请提供的一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台的一个实施例，以下是本申请提供的一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台的另一个实施例。

请参阅图1至图3，本申请提供了一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台的另一个实施例，本申请实施例提供的基于柔性放大机构的三自由度运动平台，包括：弧形柔性放大机构、压电陶瓷和动平台；

弧形柔性放大机构A包括：固定座A4、连杆L1、第一柔性铰链A1、第二柔性铰链A3、第三柔性铰链A6、弧形杠杆A2和末端A7；

连杆L1的一端与固定座A4连接，连杆L1的另一端通过第二柔性铰链A3与弧形杠杆A2连接；

末端A7通过第一柔性铰链A1的与弧形杠杆A2连接；

固定座A4、连杆L1、第一柔性铰链A1、第二柔性铰链A3、第三柔性铰链A6、弧形杠杆A2和末端A7一体化连接；

压电陶瓷A5的一端与固定座A4连接，压电陶瓷A5的另一端通过第三柔性铰链A6与弧形杠杆A2连接；

末端A7与动平台1连接；

弧形柔性放大机构A的数量为3个，3个弧形柔性放大机构A以同一个轴心呈120°夹角的螺旋状分布。

进一步地，基于柔性放大机构的三自由度运动平台还包括：基座2；

弧形柔性放大机构A固定在基座2上。

需要说明的是，为了增加基于柔性放大机构的三自由度运动平台的安装稳定性，还可以设计基座2，将弧形柔性放大机构A固定在基座2上。

进一步地，第一柔性铰链A1包括：第一柔性片A11和第二柔性片A12；

第一柔性片A11与第二柔性片A12呈十字交叉形式一体化连接。

需要说明的是，本申请实施例中，为了增加第一柔性铰链A1的柔软性，提高第一柔性铰链A1的位移放大性能，将第一柔性片A11与第二柔性片A12设计为呈十字交叉形式一体化连接方式。

进一步地，第一柔性片铰链A1、第二柔性铰链A3和第三柔性铰链A6均为倒圆角柔性铰链。

需要说明的是，本申请中第一柔性片铰链A1、第二柔性铰链A3和第三柔性铰链A6均为倒圆角柔性铰链，倒圆角柔性铰链能够降低应力集中的现象。

进一步地，动平台1为圆形动平台。

进一步地，弧形杠杆的弧度为60°。

进一步地，动平台1上设置有螺栓固定位11，末端A7通过螺栓固定在螺栓固定位11上。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于柔性放大机构的三自由度运动平台，其特征在于，包括：弧形柔性放大机构和动平台；

所述弧形柔性放大机构包括：固定座、连杆、第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链、压电陶瓷、弧形杠杆和末端；

所述连杆的一端与所述固定座连接，所述连杆的另一端通过所述第二柔性铰链与所述弧形杠杆连接；

所述末端通过所述第一柔性铰链的与所述弧形杠杆连接；

所述固定座、所述连杆、所述第一柔性铰链、所述第二柔性铰链、所述第三柔性铰链、所述弧形杠杆和所述末端一体化连接；

所述压电陶瓷的一端与所述固定座连接，所述压电陶瓷的另一端通过所述第三柔性铰链与所述弧形杠杆连接；

所述末端与所述动平台连接；

所述弧形柔性放大机构的数量为3个，3个所述弧形柔性放大机构以同一个轴心呈120°夹角的螺旋状分布；

所述基于柔性放大机构的三自由度运动平台还包括：基座；

所述弧形柔性放大机构固定在所述基座上；

所述第一柔性铰链包括：第一柔性片和第二柔性片；

所述第一柔性片与所述第二柔性片呈十字交叉形式一体化连接；

所述第一柔性铰链、所述第二柔性铰链和所述第三柔性铰链均为倒圆角柔性铰链。

2.根据权利要求1所述的基于柔性放大机构的三自由度运动平台，其特征在于，所述动平台为圆形动平台。

3.根据权利要求1所述的基于柔性放大机构的三自由度运动平台，其特征在于，所述弧形杠杆的弧度为60°。

4.根据权利要求1所述的基于柔性放大机构的三自由度运动平台，其特征在于，所述动平台上设置有螺栓固定位，所述末端通过螺栓固定在所述螺栓固定位上。