一种二自由度无耦并联运动平台

技术领域

本发明属于压电精密驱动领域，具体涉及一种二自由度无耦并联运动平台。可广泛运用于高精密加工成型、超精密位移控制等精密定位输出领域。

背景技术

微动平台系统在众多精密微操作任务中得到广泛应用，例如原子力显微镜、光刻、扫描探针显微镜以及纳米操纵等。为了提高工作质量与效率，微动平台越来越需要更加精密的驱动器来实现。在众多驱动器中，压电驱动器利用压电材料逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，其具有分辨率高、响应速度快和动态特性好等许多优点，适用于驱动微动平台。在微装配技术领域，经常需要使用微动平台进行微米级别到毫米级别的运动，因此，微动平台应该具有大行程。现有的微动平台频率小，应力大，运动精度较低。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，提供一种二自由度无耦并联运动平台。该平台能提高运动精度，具有易控制，运行稳定和灵活的特点。

一种二自由度无耦并联运动平台，包含底部平台、底座、矩钹形机构、输出平台和导轨机构；底部平台安装在底座上，一个矩钹形机构的两侧分别贴合有一个压电纤维片并组成一个驱动器，两个驱动器布置在底部平台上，中心块四周通过被动柔性铰链与底座平台相连，主动柔性铰链机构固定在底座上并与被动柔性铰链相连，相邻两组主动柔性铰链机构分别由一个驱动器驱动，以实现中心块沿横向或者纵向运动，输出平台竖向顶压在中心块上且二者之间形成静摩擦，输出平台沿横向和纵向可滑动地设置在导轨机构上，导轨机构固定在底部平台上。

进一步地，所述矩钹形机构包含杆件、四组柔性铰链A和框架；杆件和框架之间布置有与二者相连的四组柔性铰链A，四组柔性铰链A绕杆件周向均布设置，框架上相对外侧面分别贴有压电纤维片。

进一步地，每组所述主动柔性铰链机构包含固定块、活动块和两组柔性铰链B；固定块固定在底座上，固定块与活动块之间布置有与二者相连的两组柔性铰链B，活动块通过被动柔性铰链分别与中心块和底座平台相连，矩钹形机构两侧抵靠在固定块和活动块上。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明通过贴合压电纤维片的矩钹形机构进行输出控制，能够提高运动精度，降低控制难度，减小误差。在矩钹形机构和底部平台中均设有柔性铰链，使得底部平台的中心块的运动具有无摩擦、无噪声、无磨损、运动灵敏度高、容易控制、运行稳定等许多优点，且柔性铰链一体成形，不需要装配，重量轻，适合在微动平台中使用。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1为本发明的二自由度无耦并联运动平台的立体结构示意图；

图2为本发明的二自由度无耦并联运动平台的爆炸图；

图3为矩钹形机构的结构示意图；

图4为底座平台的俯视图；

图5为底座平台的立体图；

图6为导轨机构的示意图；

图7为输出平台的立体图；

图8为从下向上看的输出平台的立体图。

其中：1、底部平台，2、底座，3、矩钹形机构，3-1、杆件，3-2、柔性铰链A，3-3、框架，4、压电纤维片，5、主动柔性铰链机构，5-1、固定块，5-2、活动块，5-3、柔性铰链B，6、中心块，7、导轨机构，7-1、滑轨，7-2、固定轨，7-3、连接件，8、输出平台，8-1、空心槽，8-2、形变梁，10、螺钉二，11、螺钉一，14、被动柔性铰链，b、弹性弧形片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1、如图1-图2所示，一种二自由度无耦并联运动平台包含底部平台1、底座2、矩钹形机构3、输出平台8和导轨机构7；底部平台1安装在底座2上；

一个矩钹形机构3的两侧分别贴合有一个压电纤维片4并组成一个驱动器，两个驱动器布置在底部平台1上，中心块6四周通过被动柔性铰链14与底座平台1相连，主动柔性铰链机构5固定在底座2上并与被动柔性铰链14相连，相邻两组主动柔性铰链机构5分别由一个驱动器驱动，以实现中心块6沿横向或者纵向运动，输出平台8竖向顶压在中心块6上且二者之间形成静摩擦，输出平台8沿横向和纵向可滑动地设置在导轨机构7上，导轨机构7固定在底部平台1上。

本实施例中，如图1所示，横向定义为x向，纵向的定义为y向，当给压电纤维片4加电压时，矩钹形机构3产生输出，主动柔性铰链机构5产生形变带动被动柔性铰链14作用下，驱动中心块6产生横向或者纵向位移，在静摩擦力的作用下，中心块6带动输出平台8作向x向或y向的运动。导轨运动机构7降低输出平台8的耦合比，并修正输出平台8的运动方向。

本实施例中两组主动柔性铰链机构5相邻设置，并分别布置在x向和y向上，确保中心块6为二自由度下作微位移运动。本实施例的运动平台采用粘滑原理驱动，具有高频低应力，频率高容易控制，低应力疲劳寿命大的优点。

实施例2、如图3所示，所述矩钹形机构3包含杆件3-1、四组柔性铰链A3-2和框架3-3；杆件3-1和框架3-3之间布置有与二者相连的四组柔性铰链A3-2，四组柔性铰链A3-2绕杆件3-1周向均布设置，框架3-3上相对外侧面分别贴有压电纤维片4。

本实施例的具体工作是，当给压电纤维片4加电压时伸长，驱动框架3-3并带动柔性铰链A3-2沿着长度方向伸长，框架3-3上的顶板驱动被动柔性铰链14，进而驱动中心块6向x向或y向运动。

可选地，柔性铰链A3-2为仿生柔性铰链，包含一体制成的两个弹性弧形片，两个弹性弧形片的内弧面相向布置，两个弹性弧形片的一端固定在对应的弹性弧形片内弧面，两个弹性弧形片的另一端分别与杆件3-1和框架3-3连接。

实施例3、基于上述实施例，如图4和图5所示，本实施例限定每组所述主动柔性铰链机构5包含固定块5-1、活动块5-2和两组柔性铰链B5-3；

固定块5-1固定在底座2上，固定块5-1与活动块5-2之间布置有与二者相连的两组柔性铰链B5-3，活动块5-2通过被动柔性铰链14分别与中心块6和底座平台1相连，矩钹形机构3两侧抵靠在固定块5-1和活动块5-2上。每一个活动块5-2均使用被动柔性铰链14分别与底部平台1和中心块6连接。当给压电纤维片4加电压时，矩钹形机构3顶住活动块5-2产生输出，被动柔性铰链14产生形变带动中心块6产生位移，调整两个矩钹形机构3上压电纤维片4的电压，即可实现中心块6在x、y向两个自由度的移动。输出平台8由螺钉一11预紧在中心块6上，中心块6的运动即可带动输出平台运动。

进一步地，如图4所示，所述被动柔性铰链14为仿生柔性铰链，包含一体制成的两个弹性弧形片b，两个弹性弧形片b的内弧面相向布置，两个弹性弧形片b的一端固定在对应的弹性弧形片内弧面，两个弹性弧形片b的另一端分别与中心块6和活动块5-2连接。以及两个弹性弧形片6的另一端分别与活动块5-2和底座平台1连接。

如图4所示，所述柔性铰链B5-3为仿生柔性铰链，包含一体制成的两个弹性弧形片b，两个弹性弧形片b的内弧面相向布置，两个弹性弧形片b的一端固定在对应的弹性弧形片内弧面，两个弹性弧形片b的另一端分别与固定块5-1和活动块5-2连接。

矩钹形机构3和底部平台1中均设计此种仿生柔性铰链，使得底部平台1的中心块6的运动具有无摩擦、无噪声、无磨损、运动灵敏度高、容易控制、运行稳定等许多优点，且该种柔性铰链一体成型(采用线切割在底座平台1上切割而成)，不需要装配，重量轻，适合在微动平台中使用。

实施例4、如图6所示，所述导轨机构7包含滑轨7-1、固定轨7-2和连接件7-3；

输出平台8上沿横向和纵向分别固定有两条滑轨7-1，底部平台1上沿横向和纵向分别安装有两个固定轨7-2，四条滑轨7-1通过连接件7-3与固定轨7-2相连，并可带动输出平台8沿横向或纵向移动。

本实施例具体工作时，每个连接件7-3上还设置滑轨7-1，该滑轨7-1可滑动地设置在固定轨7-2的轨道上，而连接件7-3上还设置固定轨7-2的轨道，输出平台8上的滑轨7-1可滑动地设置在固定轨7-2的轨道上，如此设置，输出平台8上的滑轨7-1在连接件7-3的轨道上滑动，以及连接件7-3上的滑轨7-1在固定轨7-2的轨道上滑动，最终表现为沿x向或y向运动。优选地，每个连接件7-3做成L型板，l型板一个板上设置轨道，另一个板上设置滑轨。

所述底部平台1通过线切割一体成型。如此成型的底部平台无需装配、无间隙、无摩擦、导向精度高。其余与实施例1-3相同。

实施例5、进一步地，基于上述实施例1-实施例4的任意实施例，如图7和图8所示，所述输出平台8包含空心槽8-1和形变梁8-2；空心槽8-1倒置，形变梁8-2竖向布置在空心槽8-1内连接为一体，螺钉一11旋拧在空心槽8-1内，并预紧形变梁8-2，使得形变梁8-2压在中心块6上表面上。矩钹形机构3或者活动快3-2上两侧分别贴合一片压电纤维片4，通过螺钉二10预紧在底部平台1上。形变梁8-2的下端为中空的双铰链相连结构。这样螺钉一11旋拧在形变梁8-2的底板上，发生形变挤压中心块6形成静摩擦力，在压电纤维片4的作用下二者实现同步移动，实现输出平台8通过预紧与底部平台1的中心块6相连，并在四套导轨机构7的限制下无耦高精度运动。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。