本发明专利技术公开了一种具有远程转动中心的二自由度柔性平行对准装置，该平行对准装置包括有基座、外套筒、支撑座、三个运动传递机构、三个驱动组件和三个测量组件；运动传递机构和测量组件安装在支撑座上，驱动组件安装在基座的沉头腔中，基座与外套筒固定。本发明专利技术设计的平行对准装置通过三个运动支链的具有RCM功能的平行四边形导向机构与力输出平台相结合，实现了绕远程中心转动的平行对准功能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种平行对准装置，更特别地说，是指具有远程转动中心的二自由度 柔性平行对准装置。
技术介绍
在微纳米操作领域，如纳米压印、光纤装配、半导体加工以及光学元件对准等， 实现两个操作平面间高精度的平行对准是必不可少的。平行对准需要对准设备沿离面 (out-of-plane)方向进行倾角调节以消除两个操作平面间的平行度误差。传统平行对准 装置一般由三个并联直线运动支链连接一个末端输出平台组成，通过调节三个并联支链的 输出位移可以实现输出平台的倾角调节。然而，由于输出平台的转动中心通常位于机构内 部，在倾角调节过程中，输出平台末端会产生沿水平方向的寄生误差，从而大大降低对准系 统的性能。如在纳米压印中，这一寄生误差会破坏已经压印好的图案，造成压印失败。 具有远程转动中心（remote-center-of-motion，RCM)的机构，可以使末端执行器 绕远离机构本身的某个固定点做旋转运动。RCM机构的这一特点使得其在微创手术机器人 中得到了广泛的应用。在微创手术过程中，具有RCM功能的机器手通过操作手术套管针围 绕病人体表的微小切口进行转动以完成各手术环节。RCM机构在微创手术中得到应用一方 面是由于微创手术特点要求所致，另一方面则是因为RCM功能的引入可以将手术机器人的 机构主体设置于远离病人的位置，从而为手术提供大范围的操作空间，并且手术的安全性 也得以大大提高。而将RCM机构引入精密平行对准系统的设计则可以进一步提高平行对准 系统的对准精度。例如，在设计中可以将输出平台的末端与RCM机构的远程中心点重合，这 样输出平台在倾角调节过程中将围绕其末端中心转动，从而消除了侧向寄生误差，对准精 度得以大大提高。 具有RCM功能的平行对准系统，其RCM运动导向机构的设计一般可以采用弧形 滑轨（circular-prismatic)机构、瞬时（instantaneous)RCM机构以及基于平行四边形 的RCM机构等几种构型。弧形滑轨机构通常结构简单、体积小巧，但需要非常高的机械加 工精度以保证弧形导轨的圆度，并且机构整体需要装配，因此会产生摩擦、间隙以及装配误 差等问题，导致机构对准精度下降。瞬时RCM机构是一类具有瞬时转动中心的机构，在小 范围的倾角调节过程中机构的输出端可以近似围绕该瞬时中心点转动。在2008年8月， 在期刊 Journal of Mechanical Design 上公开的《The Stiffness Model of Leaf-Type Isosceles-Trapezoidal Flexural Pivots》文中公开了一种具有瞬时RCM的柔性梯形旋转 导向机构。此类梯形机构结构简单、易于加工制造，但由于梯形机构的驱动半径较大，当采 用压电陶瓷（PZT)等行程较小的驱动器时，机构的输出角度有限，不能满足系统性能的要 求。基于平行四边形的RCM机构，其原理是利用平行四边形构型的几何约束作用，使得机构 输出杆的延长端可以绕一个远程的虚拟中心点实现纯转动。此类RCM机构具有较大的倾角 调节范围，并且转动精度很高。此外，通过将驱动点设置于靠近基座的位置还可以获得较小 的驱动半径，因此在采用较小输出行程的驱动器时依然能获得较大的转动行程输出。 RCM平行对准装置在机构设计上一般可以采用刚性机构和柔性机构（compliant mechanism)两种设计方式。与刚性机构不同，柔性机构是一类利用材料的弹性变形传递或 转换运动、力或能量的新型机构。这类机构通常应用在精密工程场合，因此又称为柔性精微 机构。较之于传统的刚性机构，柔性机构具有许多优点：如一体化设计和加工，免于装配； 无间隙和摩擦，线性度好，可实现高精度运动；免于磨损，提高寿命；免于润滑，避免污染等 等。由此可见，基于柔性机构的RCM平行对准装置一般具有更高的对准精度，避免了传统刚 性机构由于加工、装配、摩擦和间隙等带来的有害误差影响。 柔性二自由度的RCM机构设计的一个重要问题是需考虑两个自由度方向上的解 耦设计，以简化系统控制。要实现解耦设计，从构型角度来讲一般可以选择串联或并联构 型实现。串联构型通过将两个单一自由度的机构级联在一起实现两个自由度方向的解耦设 计。这种构型比较简单，容易实现，但机构容易产生累积误差，并且系统的动态性能较差。相 比于串联机构，并联机构通过巧妙的解耦设计可以实现小的寄生误差，并且不存在累积误 差，机构的整体刚度大，系统动态性能好，因此是更适合于精密对准系统的构型选择。 此外，在精密微纳米定位领域，目前的驱动方式一般包括电热驱动、电磁驱动、压 电驱动、静电驱动和形状记忆合金驱动等。在这些驱动器中，压电驱动是一种被广泛应用的 驱动方式，它通过对压电材料施加电压以获取机械变形。压电陶瓷驱动器（PZT)是常见的 一种压电驱动器，它具有无限高的分辨率、快速响应、大的驱动力、宽的动态响应范围等优 点，非常适合作为精密定位系统的驱动器。 综上所述，压电陶瓷驱动的基于柔性平行四边形机构的RCM平行对准装置更适合 应用于高精度的平行对准场合。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于柔性平行四边形机构的具有远程转动中心（RCM) 的并联二自由度平行对准装置。本专利技术采用柔性平行四边形机构实现RCM运动导向，通过 三个并联支链连接末端输出平台完成围绕远程中心点转动的平行对准功能。该装置通过 对平行四边形机构的输出杆进行横向延长以获得RCM点的横向移动，从而成功组合三个并 联支链并实现两个自由度方向的解耦。平行四边形的几何约束使得RCM导向机构具有高精 度的转动输出，并且在不损失旋转精度的前提下通过调节平行四边形机构的初始角度即可 实现系统操作空间的调节。输出平台与平行四边形机构的延长端通过多自由度柔性铰链 连接，三个并联支链的直线运动通过该柔性铰链传递给输出平台，实现系统RCM运动输出。 RCM导向机构采用压电陶瓷驱动器驱动，通过调节驱动点位置可以实现较小的驱动半径，从 而获得不错的转动行程输出。本专利技术运动传递机构采用一体化结构设计及加工，运用线切 割加工工艺，从而避免了多个零部件安装所带来的装配误差。压电陶瓷驱动器整体固定于 基座的凹腔内，并通过具有位移缩小功能的两个楔形垫片实现预紧，可以实现预紧力的精 细调节，平台整体结构也比较紧凑。 本专利技术设计的一种具有远程转动中心的二自由度柔性平行对准装置，其特征在 于：该二自由度柔性平行对准装置包括有基座（1)、外套筒（11)、支撑座（2)、第一运动传递 机构（3)、第二运动传递机构（4)、第三运动传递机构（5)、力输出平台（6)、第一测量组件 (7)、第二测量组件（8)、第三测量组件（9)、第一驱动组件（IOA)、第二驱动组件（IOB)和第 三驱动组件（IOC)。 其中，第一运动传递机构（3)、第二运动传递机构（4)和第三运动传递机构（5)的 结构相同； 其中，第一测量组件（7)、第二测量组件（8)和第三测量组件（9)的结构相同； 其中，第一驱动组件（IOA)、第二驱动组件（IOB)和第三驱动组件（IOC)的结构相 同； 基座（1)上设有内圆盘（IB)、外圆盘（IA);外圆盘（IA)用于安装外套筒（11)，内 圆盘（IB)用于安装支撑座（2)。 内圆本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有远程转动中心的二自由度柔性平行对准装置，其特征在于：该二自由度柔性平行对准装置包括有基座(1)、外套筒(11)、支撑座(2)、第一运动传递机构(3)、第二运动传递机构(4)、第三运动传递机构(5)、力输出平台(6)、第一测量组件(7)、第二测量组件(8)、第三测量组件(9)、第一驱动组件(10A)、第二驱动组件(10B)和第三驱动组件(10C)；其中，第一运动传递机构(3)、第二运动传递机构(4)和第三运动传递机构(5)的结构相同；其中，第一测量组件(7)、第二测量组件(8)和第三测量组件(9)的结构相同；其中，第一驱动组件(10A)、第二驱动组件(10B)和第三驱动组件(10C)的结构相同；基座(1)上设有内圆盘(1B)、外圆盘(1A)；外圆盘(1A)用于安装外套筒(11)，内圆盘(1B)用于安装支撑座(2)；内圆盘(1B)上设有第一T形盲孔腔(1B1)、第二T形盲孔腔(1B2)、第三T形盲孔腔(1B3)、AB通孔(1B4)；第一T形盲孔腔(1B1)的一侧面板上设有AA螺纹孔(1A1)，AA螺纹孔(1A1)与外圆盘(1A)的圆环体导通，第一T形盲孔腔(1B1)用于放置第一驱动力组件(10A)的A压电陶瓷(10A4)和垫片；第二T形盲孔腔(1B2)的一侧面板上设有AB螺纹孔(1A2)，AB螺纹孔(1A2)与外圆盘(1A)的圆环体导通，第二T形盲孔腔(1B2)用于放置第二驱动力组件(10B)的B压电陶瓷(10B4)和垫片；第三T形盲孔腔(1B3)的一侧面板上设有AC螺纹孔(1A3)，AC螺纹孔(1A3)与外圆盘(1A)的圆环体导通，第三T形盲孔腔(1B3)用于放置第三驱动力组件(10C)的C压电陶瓷(10C4)和垫片；AB通孔(1B4)用于螺钉穿过，穿过AB通孔(1B4)后的螺钉螺纹连接在支撑座(2)的下面板(2E)的B螺纹孔(2E1)中；外圆盘(1A)的盘面上设有AA通孔(1A4)，该AA通孔(1A4)用于A螺钉(1C)穿过，穿过AA通孔(1A4)后的A螺钉(1C)螺纹连接在外套筒(11)的A螺纹孔(11A)中；外圆盘(1A)的圆环体上设有AA螺纹孔(1A1)、AB螺纹孔(1A2)、AC螺纹孔(1A3)，A预紧螺钉(10A3)螺纹连接在AA螺纹孔(1A1)中，B预紧螺钉(10B3)螺纹连接在AB螺纹孔(1A2)中，C预紧螺钉(10C3)螺纹连接在AC螺纹孔中；外套筒(11)的一端设有中心通孔(11B)，该中心通孔(11B)用于放置力输出平台(6)的圆台(6D)，外套筒(11)的另一端设有A螺纹孔(11A)，该A螺纹孔(11A)用于螺纹连接A螺钉(1C)；支撑座(2)在径向方向上设有A凸起(2A)、B凸起(2B)、C凸起(2C)；在A凸起(2A)的A安装面板(2A1)上固定有第一运动传递机构(3)，在A凸起(2A)的B安装面板(2A2)上固定有第一T形支架(7B)；在B凸起(2B)的C安装面板(2B1)上固定有第二运动传递机构(4)，在B凸起(2B)的D安装面板上固定有第二T形支架(8B)；在C凸起(2C)的E安装面板(2C1)上固定有第三运动传递机构(5)，在C凸起(2C)的F安装面板(2C2)上固定有第三T形支架(9B)；支撑座(2)的上面板(2D)的上方放置有力输出平台(6)，且力输出平台(6)与上面板(2D)不接触，预留有间隙(2F)；支撑座(2)的下面板(2E)上设有B螺纹孔(2E1)，通过在所述B螺纹孔(2E1)中放置螺钉实现支撑座(2)的下面板(2E)与基座(1)的固定；第一运动传递机构(3)上切割有AA切缝(31)、AB切缝(32)、AC切缝(33)、AD切缝(34)、AE切缝(35)和AF切缝(36)；AA切缝(31)位于第一运动传递机构(3)的左上部，为第一运动传递机构(3)的上开口；AB切缝(32)位于A固定板(3B)、AC刚性梁(3E)和AB刚性梁(3D)之间；AC切缝(33)位于AC刚性梁(3E)与A输出板(3A)之间；AD切缝(34)位于A固定板(3B)、AB刚性梁(3D)和AA刚性梁(3C)之间；AE切缝(35)位于AB刚性梁(3D)和AA刚性梁(3C)之间；AF切缝(36)位于第一运动传递机构(3)的右下部，为第一运动传递机构(3)的下开口；第一运动传递机构(3)上设有A输出板(3A)、A固定板(3B)、AA刚性梁(3C)、AB刚性梁(3D)、AC刚性梁(3E)、A凹腔(3F)、AA柔性梁(30A)、AB柔性梁(30B)、AC柔性梁(30C)、AD柔性梁(30D)和AE柔性梁(30E)；A固定板(3B)通过螺钉固定安装在支撑座(2)的A凸起(2A)的A安装面板(2A1)上；A输出板(3A)的侧面板上设有CA沉头通孔(3A1)，A螺钉(12A)穿过CA沉头通孔(3A1)后螺纹连接在第一力传递...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟海，屈见亮，张建斌，陈文杰，田帅，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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