二维恒力机构及具有该机构的定位平台制造技术

本发明专利技术公开了一种二维恒力机构及具有该机构的定位平台，用于在二维平面内的指定方向提供恒力输出，包括力输入端、力输出端和用于连接两者并传导作用力的力传导件，还包括基座，力传导件包括在第一方向上向力输出端传导作用力的第一传导件和在第二方向上向力输出端传导作用力的第二传导件；力输入端对应地分别设置于第一传导件和第二传导件的一端，力输入端分别通过可产生负刚度的第一柔性铰链和可产生正刚度的第二柔性铰链连接在基座上；第一柔性铰链和第二柔性铰链并联且构成准零刚度系统。采用本发明专利技术的二维恒力机构及具有该机构的定位平台，实现了恒力输出，二自由度运动，并且定位精度高，结构简单。

Two dimensional constant force mechanism and positioning platform with the mechanism

The positioning platform of the invention discloses a two-dimensional constant force mechanism and with the mechanism, to provide a constant output specified direction in the two-dimensional plane, including the power input terminal, the power output end for connecting the two parts and force transmission and transmission force, also includes a force transmitting member includes a first conductive member output transmission force to force in a first direction and a second output end of the conduction force to the force in second directions guide; force corresponding to the input end are respectively arranged on the first conductive member and second conductive parts, power input respectively through negative first flexible hinge stiffness and can produce positive stiffness second flexible hinge is connected with the base; the first flexible hinges and second parallel flexible hinge and constitute a quasi zero stiffness system. By adopting the two-dimensional constant force mechanism and the positioning platform with the mechanism, the constant force output and two degrees of freedom motion can be realized, and the positioning accuracy is high, and the structure is simple.

【技术实现步骤摘要】
二维恒力机构及具有该机构的定位平台
本专利技术涉及一种恒力机构，特别是一种能够在二维平面内指定的方向输出恒力的二维恒力机构。本专利技术还涉及具有该恒力机构的定位平台，其属于精密机械系统中的精密定位平台，主要应用于微操作技术(如扫描探针显微镜)、生物工程(细胞注射)、精确排版(3D打印)等领域。
技术介绍
基于柔性机构的精密定位平台技术是利用柔性铰链代替传统的链接零件进而实现零件的运动与定位，具有零摩擦、零磨损、小冲击、结构简单、造价低廉以及兼容性强等优点，在微型操作、定位系统中具有广泛的应用。恒力微定位平台是近些年来新兴的装置，恒力平台技术是通过对平台结构进行设计使其在一定行程范围内具有输出恒力或者恒力矩的特性。由于微定位平台所承载的物体或者机构具有体积小、结构精密等特点，因此承受冲击力的能力较小，而非恒力平台在移动过程中产生的力是变化的，因此所承载的物体会受到一定的冲击力，对其精密的结构产生一定影响。随着微机械系统和生物工程等领域的研究深入，实验及生产加工过程中对微操作、定位平台的恒力性的需求也是越来越强烈。近年来，国内外很多单位和研究机构致力于基于柔性机构的恒力微操作、微定位系统的研究。如GuangboHao,JohnMullins和KevinCronin在文章“Simplifiedmodellinganddevelopmentofabi-directionallyadjustableconstant-forcecompliantgripper”中提出一种基于柔性铰链的恒力夹钳。Yi-HoChen和Chao-ChiehLan于2012年在JournalofMechanicalDesign杂志上发表的文章“AnAdjustableConstant-ForceMechanismforAdaptiveEnd-EffectorOperations”中设计一种基于柔性铰链的恒力一维机构。然而这些设计尚处于研究阶段，并没有投入实际应用。对于双稳态梁的研究已经日渐成熟，相关的专利技术专利也有很多。如，中国专利CN101561556B通过双稳态梁的双稳态性提出一种全柔性MEMS光开关；中国专利CN103198922A通过利用双稳态梁双稳态性提出一种梳齿电容精密装配方法。但这些专利专利技术都是利用双稳态梁的双稳态性将其作为开关使用，没有能够利用其在双稳态转换过程中发生屈曲变形产生负刚度的性质。有关恒力机构的专利技术专利也有很多，如美国专利US6920936B2和US7677540B1利用弹簧和凸轮的结构通过对凸轮的外形进行设计提出一种一维的常力输出机构。中国专利CN103438141A利用压簧和滑块等装置提出一种可调恒力装置。显而易见的是，这些专利技术专利所提出的恒力装置都是由传统的运动传递零件连接组成。由于这些零件的间隙、磨损等固有缺点，这些恒力机构很难实现精确定位，或者通过非常复杂的结构才能实现较高精度定位。美国专利US005649454A通过对柔性铰链的布置方案进行设计提出一种一维的恒力机构。中国专利CN101614613B利用柔顺滑块机构、曲柄滑块机构和压力传感器提出一种柔顺滑块常力机构实验装置，可以提供一个自由度的常力输出。CN102537610B通过将柔性杆、刚性杆按顺序与导向块固结形成组合杆实现恒力，进而提出一种柔顺恒力支撑机构，其本质也是一种一维的恒力机构。显而易见，上述的柔性恒力机构都只是实现了一维的恒力导向位移。现有的基于柔性机构的恒力装置都只能实现一维的恒力移动，这在实际应用过程中是远远不够的。例如，在进行细胞注射操作时，如果载物台只能一个方向移动是无法有效完成注射的。而其他的恒力机构(如US7677540B1、US6920936B2、CN103438141A)多是利用传统连接件进行连接，由于传统连接件具有间隙而且工作时会产生磨损，因此很难实现高精度的定位，而且这类设计的结构都较复杂、不易制造且造价较高。本专利技术的目的就是针对上述现有技术的缺点设计一种新型的二维的具有恒力输出的高精度平台，使其能够满足实际工作要求。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种二维恒力机构及具有该机构的定位平台，能够实现两个自由度的恒力输出以及高精度的定位。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种二维恒力机构，用于在二维平面内的指定方向提供恒力输出，包括力输入端、力输出端和用于连接两者并传导作用力的力传导件，还包括基座，且，所述力传导件包括在第一方向上向所述力输出端传导作用力的第一传导件和在第二方向上向所述力输出端传导作用力的第二传导件；所述力输入端对应地分别设置于所述第一传导件和所述第二传导件的一端，所述力输入端分别通过可产生负刚度的第一柔性铰链和可产生正刚度的第二柔性铰链连接在所述基座上；所述第一柔性铰链和所述第二柔性铰链并联且构成准零刚度系统。作为优选，所述第一柔性铰链为一双稳态机构；所述第一柔性铰链并联位于两个所述第二柔性铰链之间形成一端固定，而另一端活动的悬臂梁机构；所述力输入端夹持固定在两个所述悬臂梁机构的活动端之间。作为优选，所述双稳态机构为双稳态梁，所述第二柔性铰链为薄壁梁。作为优选，所述第一传导件和所述第二传导件也由薄壁梁构成，且两者之间互成直角设置。作为优选，所述第一传导件和所述第二传导件分别具有两个移动端，且均由分处于所述力输出端相对两侧的两个直段构成，整体呈“十”字形分布；所述力输入端设置有四个并分别对应地通过所述悬臂梁机构固定在所述第一传导件和所述第二传导件的移动端。作为优选，构成所述第一传导件和所述第二传导件的薄壁梁为四根且相互平行。作为优选，所述基座上还设置有对所述力输入端的行程范围进行限制的限位装置。本专利技术公开了一种定位平台，包括上述的二维恒力机构、垫块、上平台、底座，所述上平台通过所述垫块与所述力输出端固定连接，所述底座与所述基座固定连接，所述底座上固定设置有驱动电机和位移传感器，所述驱动电机的输出端与所述力输入端连接以提供力给所述二维恒力机构，所述位移传感器通过测量所述上平台的位移以检测所述二维恒力机构移动的距离。作为优选，所述位移传感器为激光位移传感器。作为优选，所述驱动电机为音圈电机。与现有技术相比，本专利技术的二维恒力机构及具有该机构的定位平台的有益效果在于：通过设置柔性铰链，实现了恒力输出，结构简单，易于加工制作，相较于现有的利用传统传动零件实现恒力输出的专利专利技术，由于采用柔性铰链连接传递运动，克服了传统传动零件具有摩擦、间隙以及冲击等缺点，使定位精度可以达到纳米级；通过设置分别在第一方向上和第二方向上传导作用力的第一传导件和第二传导件，实现了平台的并联结构，实现了平台的二自由度运动，进而实现平台的二维恒力输出。附图说明图1为本专利技术的二维恒力机构的结构示意图；图2为本专利技术的二维恒力机构的局部结构示意图；图3为本专利技术的二维恒力机构的薄壁梁的结构示意图；图4为本专利技术的二维恒力机构的薄壁梁发生弹性形变时产生的力和位移的曲线图；图5为本专利技术的二维恒力机构的双稳态梁发生屈曲变形时产生的力和位移的曲线图；图6为本专利技术的二维恒力机构的准零刚度系统的反作用力和位移的曲线图；图7为本专利技术的二维恒力机构的工作状态时的示意图；图8为本专利技术的带有限位装置的二维恒力机构的结构示意图；图9为本专利技术的带本文档来自技高网...

【技术保护点】
二维恒力机构，用于在二维平面内的指定方向提供恒力输出，包括力输入端、力输出端和用于连接两者并传导作用力的力传导件，其特征在于，还包括基座，且，所述力传导件包括在第一方向上向所述力输出端传导作用力的第一传导件和在第二方向上向所述力输出端传导作用力的第二传导件；所述力输入端对应地分别设置于所述第一传导件和所述第二传导件的一端，所述力输入端分别通过可产生负刚度的第一柔性铰链和可产生正刚度的第二柔性铰链连接在所述基座上；所述第一柔性铰链和所述第二柔性铰链并联且构成准零刚度系统。

【技术特征摘要】
1.二维恒力机构，用于在二维平面内的指定方向提供恒力输出，包括力输入端、力输出端和用于连接两者并传导作用力的力传导件，其特征在于，还包括基座，且，所述力传导件包括在第一方向上向所述力输出端传导作用力的第一传导件和在第二方向上向所述力输出端传导作用力的第二传导件；所述力输入端对应地分别设置于所述第一传导件和所述第二传导件的一端，所述力输入端分别通过可产生负刚度的第一柔性铰链和可产生正刚度的第二柔性铰链连接在所述基座上；所述第一柔性铰链和所述第二柔性铰链并联且构成准零刚度系统。2.根据权利要求1所述的二维恒力机构，其特征在于，所述第一柔性铰链为一双稳态机构；所述第一柔性铰链并联位于两个所述第二柔性铰链之间形成一端固定，而另一端活动的悬臂梁机构；所述力输入端夹持固定在两个所述悬臂梁机构的活动端之间。3.根据权利要求2所述的二维恒力机构，其特征在于，所述双稳态机构为双稳态梁，所述第二柔性铰链为薄壁梁。4.根据权利要求1所述的二维恒力机构，其特征在于，所述第一传导件和所述第二传导件也由薄壁梁构成，且两者之间互成直角设置。5.根据权利要求2所述的二维恒...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐青松，
申请(专利权)人：澳门大学，珠海澳大科技研究院，
类型：发明
国别省市：中国澳门,82