一种对称解耦单自由度柔性操作机构制造技术

本发明专利技术公开一种对称解耦单自由度柔性操作机构。其特征在于该柔性操作机构包括按设计要求连接组装的下述零部件：一个压电陶瓷驱动器、一个球形接头、一个驱动端柔性铰链、一个刚性连接块、四组柔性铰链组合、两个柔性链、一个刚性动平台、一个刚性支撑框和一个底座。该机构采用柔性联相结构、单自由度柔性铰链和压电陶瓷驱动器驱动技术，具有一个执行末端，可应用于微/纳操作机械系统，具有高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累、无机械摩擦、无间隙，且便于加工制造和工业化实施等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械领域的微/纳米操作系统，具体为一种对称解耦单自由度柔性操作机构。该机构可实现一个面内平动自由度的柔性微动操作。
技术介绍
微机械技术是微纳米技术的重要分支。应用扫描探针显微镜技术进行分子或原子量级的操作、改型加工处理、制作微型机械零部件乃至微机械整体、生物工程领域中的动植物细胞转基因注射、医疗领域中利用微小的剪刀、微型摄像机、微型传感器等专用微型医疗器械进行微创伤侵入性医疗手术这些情况的实现，都是建立在微操作系统或装置的精密性基础之上的。在微操作领域，要求机构实行较大范围工作空间的运动能力以及精密的定位精度，现有柔性机构中多采用由绕固定转动轴运动的单自由度柔性铰链按不同串并联方式构成的柔性链传动，单个支链往往造成度柔性机构执行末端运动方向上不准确，影响了机构的精度及运动范围。德国PI，英国Queensgate等公司均已生产了基于压电陶瓷驱动的微纳米级柔性操作机构的成形产品，主要用于光线系统检测、微加工、微装配等场合。MuneebUllahKhan等，一种用于微操作领域的大行程电磁驱动XY定位平台(MuneebUllahKhan,NabilBencheikh,ChristinePrelle,FrédéricLamarque,TobiasBeutel,StephanusBüttgenbach,AlongstrokeelectromagneticXYposi-tioningstageformicroapplication,ProceedingsofIEEE/ASMETransactionsonmechatronics,October,2012,17(5):866-874)中报导了一种由四个线性电磁马达直接驱动的洛伦兹力XY定位平台；YongWang等，一种由压电陶瓷驱动器驱动的长行程纳米定位平台(YongWang,FujunSun,JunhuiZhu,MingPang,ChanghaiRu,Long-strokenanopositioningstagedrivenbypiezoelectricmotor,JournalofSensors,2014:1-8)中报道了一种基于压电陶瓷驱动的两轴纳米定位平台。YangmingLi等，一种用于微纳米定位的新型压电驱动的并联解耦及多层柔性结构XY平台(YangmingLi,QingsongXu,AnovelpiezoactuatedXYstagewithparallel,decoupled,andstackedflexurestructureformi-cro-/nanopositioning.)中介绍了一种两层柔性结构的XY定位平台，其每层结构中的柔性支链采用并联方式，具有运动解耦能力。在这一领域，我国的科研工作者们也做出了一定的成绩，如张彦斌等在《无耦合3自由度并联机构的设计和分析》(农业机械学报，2008年，39卷8期，208-210)中介绍的一种无耦合二移动一转动3自由度空间并联机构；刘庆玲在《柔性对称微位移放大机构性能分析方法的研究》(工程设计学报，2013年，20卷4期，344-347)中介绍了一种结构对称的柔性微位移放大机构；李仕华等《新型3-RPC柔性精密平台的刚度与动力学分析》(中国机械工程，2013年，24卷17期，2317-2322)中介绍了由3路压电陶瓷驱动器驱动，具有运动解耦能力的空间3自由度柔性操作平台。上述柔性操作机构由多个或多层柔性支链支撑，但多采用由压电陶瓷驱动器或线性马达直接驱动的方式，中间没有放大环节，造成末端执行器运动空间范围的极大限制。
技术实现思路
针对现有技术的不足，特别是现有柔性机构中运动耦合及无法实现更大工作空间要求的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种对称解耦单自由度柔性操作机构。该机构采用柔性联相结构、单自由度柔性铰链和压电陶瓷驱动器驱动技术，具有一个执行末端，可应用于微/纳操作机械系统，具有高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累、无机械摩擦、无间隙，且便于加工制造和工业化实施等优点。本专利技术解决所述技术问题的技术方案是：设计一种对称解耦单自由度柔性操作机构，其特征在于该机构包括：一个压电陶瓷驱动器、一个球形接头、一个驱动端柔性铰链、一个刚性连接块、四组柔性铰链组合、两个柔性链、一个刚性动平台、一个刚性支撑框和一个底座；所述刚性支撑框内部挖空，呈倒置的“凸”字形，除所述底座外，上述各部分结构均位于所述倒置“凸”字形空腔内，所述刚性支撑框四个边角位置设置四个螺纹通孔，所述球形接头安装在压电陶瓷驱动器的顶端，压电陶瓷驱动器的尾端通过螺纹刚性固定于所述刚性支撑框倒置“凸”字形下边缘中间的内侧壁上，且使所述球形接头顶在所述驱动端柔性铰链下端面的中间位置上，构成赫兹接触；所述刚性连接块为正方形结构，刚性连接块下部边缘对称中线位置与所述驱动端柔性铰链的上端相连，所述刚性连接块上部边缘左右对称分别连接所述两个柔性链，所述刚性连接块左侧边缘和右侧边缘分别连接一个所述柔性铰链组合；所述驱动端柔性铰链由一个竖直梁构成，所述竖直梁上左右对称开有两个半圆凹槽，所述驱动端柔性铰链上端连接于所述刚性连接块的下部边缘，下端与所述压电陶瓷驱动器顶端的球形接头相抵，形成赫兹接触；所述柔性铰链组合均由两个开有半圆凹槽的水平横梁构成，两个水平横梁自上而下分布，每个水平横梁上均开有两组半圆凹槽，每组半圆凹槽为两个，上下对称分布在水平横梁左右两端的内外两个侧壁上；所述柔性铰链组合包含四组，根据分布位置分别命名为左上柔性铰链组合，右上柔性铰链组合，左下柔性铰链组合和右下柔性铰链组合，所述左上柔性铰链组合位于所述刚性动平台左侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形左上侧内壁之间，所述右上柔性铰链组合位于所述刚性动平台右侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形右上侧内壁之间，所述左下柔性铰链组合位于所述刚性连接块左侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形左下侧内壁之间，所述右下柔性铰链组合位于所述连接块右侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形右下侧内壁之间；所述两个柔性链结构完全一致，左右对称分布于所述刚性连接块和所述刚性动平台之间，所述右柔性链由右上梁、右中梁、右下梁和一个水平右横梁组成，所述右上梁和所述右下梁均竖直放置，所述右上梁从上到下包括上竖直梁，竖直短梁和下竖直梁三部分，所述上竖直梁左右对称开有两个半圆凹槽，所述下竖直梁左右对称开有两个半圆凹槽，所述两组半圆凹槽尺寸一致，所述右上梁中的上竖直梁的上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对称解耦单自由度柔性操作机构，其特征在于该柔性操作机构包括：一个压电陶瓷驱动器、一个球形接头、一个驱动端柔性铰链、一个刚性连接块、四组柔性铰链组合、两个柔性链、一个刚性动平台、一个刚性支撑框和一个底座；所述刚性支撑框内部挖空，呈倒置的“凸”字形，除所述底座外，上述各部分结构均位于所述倒置“凸”字形空腔内，所述刚性支撑框四个边角位置设置四个螺纹通孔，所述球形接头安装在压电陶瓷驱动器的顶端，压电陶瓷驱动器的尾端通过螺纹刚性固定于所述刚性支撑框倒置“凸”字形下边缘中间的内侧壁上，且使所述球形接头顶在所述驱动端柔性铰链下端面的中间位置上，构成赫兹接触；所述刚性连接块为正方形结构，刚性连接块下部边缘对称中线位置与所述驱动端柔性铰链的上端相连，所述刚性连接块上部边缘左右对称分别连接所述两个柔性链，所述刚性连接块左侧边缘和右侧边缘分别连接一个所述柔性铰链组合；所述驱动端柔性铰链由一个竖直梁构成，所述竖直梁上左右对称开有两个半圆凹槽，所述驱动端柔性铰链上端连接于所述刚性连接块的下部边缘，下端与所述压电陶瓷驱动器顶端的球形接头相抵，形成赫兹接触；所述柔性铰链组合均由两个开有半圆凹槽的水平横梁构成，两个水平横梁自上而下分布，每个水平横梁上均开有两组半圆凹槽，每组半圆凹槽为两个，上下对称分布在水平横梁左右两端的内外两个侧壁上；所述柔性铰链组合包含四组，根据分布位置分别命名为左上柔性铰链组合，右上柔性铰链组合，左下柔性铰链组合和右下柔性铰链组合，所述左上柔性铰链组合位于所述刚性动平台左侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形左上侧内壁之间，所述右上柔性铰链组合位于所述刚性动平台右侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形右上侧内壁之间，所述左下柔性铰链组合位于所述刚性连接块左侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形左下侧内壁之间，所述右下柔性铰链组合位于所述连接块右侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形右下侧内壁之间；所述两个柔性链结构完全一致，左右对称分布于所述刚性连接块和所述刚性动平台之间，所述右柔性链由右上梁、右中梁、右下梁和一个水平右横梁组成，所述右上梁和所述右下梁均竖直放置，所述右上梁从上到下包括上竖直梁，竖直短梁和下竖直梁三部分，所述上竖直梁左右对称开有两个半圆凹槽，所述下竖直梁左右对称开有两个半圆凹槽，所述两组半圆凹槽尺寸一致，所述右上梁中的上竖直梁的上端连接于所述刚性动平台的下部边缘右侧，所述右上梁中的下竖直梁的下端连接于所述水平右横梁的右端上侧面，所述右下梁和所述右上梁结构和尺寸完全一致，所述右下梁中的上竖直梁的上端连接于所述水平右横梁的左端下侧面，所述右下梁中的下竖直梁的下端与所述刚性连接块上部边缘右端相连，所述右中梁也竖直放置，所述右中梁上左右对称开有两个半圆凹槽，所述右中梁上端连接于所述水平右横梁中线位置下侧面，下端连接于所述刚性支撑框倒置“凸”字形右侧上内壁；所述左柔性链和右柔性链结构一致，左右对称分布于所述刚性连接块上侧边缘中线两侧，所述左柔性链由左上梁、左中梁、左下梁和一个水平左横梁组成，所述左上梁和所述左下梁均竖直放置，所述左上梁从上到下包括上竖直梁，竖直短梁和下竖直梁三部分，所述上竖直梁左右对称开有两个半圆凹槽，所述下竖直梁左右对称开有两个半圆凹槽，所述两组半圆凹槽尺寸一致，所述左上梁中的上竖直梁的上端连接于所述刚性动平台的下部边缘左侧，所述左上梁中的下竖直梁的下端连接于所述水平左横梁的左端上侧面，所述左下梁和所述左上梁结构和尺寸完全一致，所述左下梁中的上竖直梁的上端连接于所述水平左横梁的右端下侧面，所述左下梁中的下竖直梁的下端与所述刚性连接块的上部边缘左端相连，所述左中梁也竖直放置，所述左中梁上左右对称开有两个半圆凹槽，所述左中梁上端连接于所述水平左横梁中线位置下侧面，下端连接于所述刚性支撑框倒置“凸”字形左侧上内壁；所述刚性动平台为长方形结构，所述刚性动平台下部边缘左端与左柔性链的上端连接，所述刚性动平台下部边缘右端与右柔性链的上端连接，所述刚性动平台左侧面与所述左上柔性铰链组合相连，所述刚性动平台右侧面与所述右上柔性铰链组合相连；所述底座为矩形结构，四个边角位置向上凸起四个矩形块，在所述四个矩形块中心位置分别设置一个螺纹通孔，所述四个矩形块和四个螺纹通孔尺寸均完全一致，并且所述底座上四个螺纹通孔尺寸和所述刚性支撑框上四个螺纹通孔尺寸完全一致，所述刚性支撑框及其内部柔性结构安装在所述矩形底座上方，所述刚性支撑框上的四个螺纹通孔和所述底座上的四个螺纹通孔分别一一对齐，通过四个螺栓刚性连接。...

【技术特征摘要】
1.一种对称解耦单自由度柔性操作机构，其特征在于该柔性操作机构包括：一个压电陶瓷驱动器、一个球形接头、一个驱动端柔性铰链、一个刚性连接块、四组柔性铰链组合、两个柔性链、一个刚性动平台、一个刚性支撑框和一个底座；
所述刚性支撑框内部挖空，呈倒置的“凸”字形，除所述底座外，上述各部分结构均位于所述倒置“凸”字形空腔内，所述刚性支撑框四个边角位置设置四个螺纹通孔，所述球形接头安装在压电陶瓷驱动器的顶端，压电陶瓷驱动器的尾端通过螺纹刚性固定于所述刚性支撑框倒置“凸”字形下边缘中间的内侧壁上，且使所述球形接头顶在所述驱动端柔性铰链下端面的中间位置上，构成赫兹接触；
所述刚性连接块为正方形结构，刚性连接块下部边缘对称中线位置与所述驱动端柔性铰链的上端相连，所述刚性连接块上部边缘左右对称分别连接所述两个柔性链，所述刚性连接块左侧边缘和右侧边缘分别连接一个所述柔性铰链组合；
所述驱动端柔性铰链由一个竖直梁构成，所述竖直梁上左右对称开有两个半圆凹槽，所述驱动端柔性铰链上端连接于所述刚性连接块的下部边缘，下端与所述压电陶瓷驱动器顶端的球形接头相抵，形成赫兹接触；
所述柔性铰链组合均由两个开有半圆凹槽的水平横梁构成，两个水平横梁自上而下分布，每个水平横梁上均开有两组半圆凹槽，每组半圆凹槽为两个，上下对称分布在水平横梁左右两端的内外两个侧壁上；
所述柔性铰链组合包含四组，根据分布位置分别命名为左上柔性铰链组合，右上柔性铰链组合，左下柔性铰链组合和右下柔性铰链组合，所述左上柔性铰链组合位于所述刚性动平台左侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形左上侧内壁之间，所述右上柔性铰链组合位于所述刚性动平台右侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形右上侧内壁之间，所述左下柔性铰链组合位于所述刚性连接块左侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形左下侧内壁之间，所述右下柔性铰链组合位于所述连接块右侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形右下侧内壁之间；
所述两个柔性链结构完全一致，左右对称分布于所述刚性连接块和所述刚性动平台之间，所述右柔性链由右上梁、右中梁、右下梁和一个水平右横梁组成，所述右上梁和所述右下梁均竖直放置，所述右上梁从上到下包括上竖直梁，竖直短梁和下竖直梁三部分，所述上竖直梁左右对称开有两个半圆凹槽，所述下竖直梁左右对称开有两个半圆凹槽，所述两组半圆凹槽尺寸一致，所述右上梁中的上竖直梁的上端连接于所述刚...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾晓辉，刘今越，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12