两自由度运动解耦柔性铰链机构的制作方法
两自由度运动解耦柔性铰链机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械设计与制造技术领域，尤其涉及到高精度传动机构的设计技术。
【背景技术】
[0002]微动机构具有运动精度、分辨率高，结构紧凑，运动范围小等特点，被广泛应用于微纳米操作领域，如原子力显微镜、光刻掩膜平台、精钢石车削、精密运动平台等。一种经常使用到的微动机构是柔性铰链，柔性铰链利用了弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得高位移分辨率。考虑到柔性铰链具有运动无摩擦、磨损，无需润滑，而且具有结构紧凑、轻巧，制造装配方便等优点，因此被广泛应用于微动机构的设计中，称为柔性铰链机构。
[0003]柔性铰链机构根据其结构组成特点可以分为串联式和并联式，串联式柔性铰链机构由柔性铰链和刚性连接部分依次串联而成，并联式柔性铰链机构则由多个串联支链与终端平台并联构成，至少存在两个或两个以上的闭环结构。相比于串联式柔性铰链机构，并联式柔性铰链机构具有更高的刚度、固有频率。更为重要的是，串联式柔性铰链机构在运动过程中，除了运动方向的自由度外，因为铰链的变形还会产生其他非运动方向的耦合误差，从而影响机构的输出运动精度，另外，由于柔性铰链机构大多采用压电陶瓷致动器进行驱动，该致动器只能承受轴向载荷，不能承受横向载荷弯矩，否则会对致动器造成损害，因此由于各向运动和载荷的耦合，会在压电陶瓷致动器终端产生非轴向载荷，造成致动器的破坏。并联式柔性铰链机构通过结构的设计，可以实现各向运动近乎解耦，这给机构的运动控制带来了极大的便利，而且可以实现更为高精度的运动，因此现有的柔性铰链机构都采用并联形式实现。在并联式柔性铰链机构中，有空间和平面并联柔性铰链机构两种形式，由于控制柔性铰链机构需要使用二维、三维柔性铰链，加工困难，精度难以保证，因此目前使用较多的是平面柔性铰链机构。
[0004]实现柔性铰链微动机构的运动解耦是该类机构设计的重点和难点，目前采取手段是添加解耦结构，但现有的解耦结构形式较为复杂，这增加了机构加工装配的难度，对机构的运动精度带来了一定的影响，而且会增加机构运动部件的质量，降低其动态运行性能。结构较为简单的解耦结构的解耦性能又难以达到要求，因此如何设计结构简单、紧凑，解耦性能优异的柔性铰链机构是一项具有挑战和急需解决的任务。
【发明内容】
[0005]鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种具有高精度的平面两自由度运动解耦柔性铰链微动机构，该机构具有解耦紧凑，各向运动解耦、运动精度高的特点。
[0006]为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。
[0007]一种两自由度运动解耦柔性铰链机构，所述机构包括柔性铰链基体和驱动支链，其中柔性铰链基体包括柔性铰链支链和刚性连接件，
[0008]刚性连接件包括位于柔性铰链基体中间部分的终端刚性输出平台和分别位于柔性铰链基体上、下、左、右部分的上端、下端、左端、右端刚性平台；
[0009]所述上端、下端、左端、右端刚性平台分别通过柔性铰链支链与终端刚性输出平台连接，且上端、下端、左端、右端刚性平台分别通过柔性铰链支链与柔性铰链基体的刚性基体连接。
[0010]特别地，所述柔性铰链支链包括多个相互平行布置的柔性铰链单元。
[0011]所述连接终端刚性输出平台和上端、下端、左端、右端刚性平台的柔性铰链支链包括3个相互平行布置的柔性铰链单元；所述连接上端、下端、左端、右端刚性平台和柔性铰链基体的刚性基体的柔性铰链支链包括2个相互平行布置的柔性铰链单元。
[0012]其中，所述柔性铰链单元为矩形柔性铰链单元。
[0013]所述驱动支链包括相互垂直方向驱动的第一驱动支链和第二驱动支链，第一驱动支链包括第一压电陶瓷致动器和第一致动器连接头，第二驱动支链包括第二压电陶瓷致动器和第二致动器连接头，其中，
[0014]第一驱动支链的第一压电陶瓷致动器通过第一致动器连接头连接至上端、下端、左端、右端刚性平台中的一个；
[0015]第二驱动支链的第二压电陶瓷致动器通过第二致动器连接头连接至与第一致动器连接头连接的刚性平台相正交方向的另一刚性平台。
[0016]特别地，所述第一驱动支链还包括第一法兰盘、第一拉压力传感器和第一压紧盖，第二驱动支链还包括第二法兰盘、第二拉压力传感器和第二压紧盖，其中，
[0017]第一拉压力传感器与第一压电陶瓷致动器同轴，通过第一法兰盘连接至第一压电陶瓷致动器的尾端，第一拉压力传感器的另一端与第一压紧盖固定连接，第一压紧盖用螺栓连接至柔性铰链基体的一端；
[0018]第二拉压力传感器与第二压电陶瓷致动器同轴，通过第二法兰盘连接至第二压电陶瓷致动器的尾端，第二拉压力传感器的另一端与第二压紧盖固定连接，第二压紧盖用螺栓连接至柔性铰链基体的另一端。
[0019]另外，第一压紧盖或第二压紧盖和与之相连的柔性铰链基体的端部间具有间隙，用于通过所述螺栓对第一压电陶瓷致动器或第二压电陶瓷致动器施加轴向预紧载荷。
[0020]所述两自由度运动解耦柔性铰链机构还包括位移测量系统和测量基准，所述位移测量系统包括分别测量两个正交方向上的位移的第一位移测量系统和第二位移测量系统，其中，
[0021]第一位移测量系统固定于所述柔性铰链基体的一端，包括第一位移传感器和第一安装座，所述第一位移传感器的测量方向与所述第一压电陶瓷致动器的轴线方向平行；
[0022]第二位移测量系统固定于所述柔性铰链基体的与第一位移测量系统安装端相垂直方向的一端，包括第二位移传感器和第二安装座，所述第二位移传感器的测量方向与所述第二压电陶瓷致动器的轴线方向平行；
[0023]测量基准固定连接至所述柔性铰链基体的终端刚性输出平台，具有两个端面，第一端面与第一位移传感器的测量方向垂直，第二端面与第二位移传感器的测量方向垂直。
[0024]本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构中所述位移传感器为激光位移传感器。
[0025]通过采用本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构，能够获得以下有益技术效果O
[0026]1、本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构柔性铰链基体的运动部分采取了对称的并联结构形式，具有结构紧凑，刚度高的优点，而且这种结构形式可以保证终端各向运动和力之间的解耦，从而有助于提高两自由度运动解耦柔性铰链机构的运动精度。
[0027]2.本发明采取了矩形柔性铰链单元作为整体机构的变形单元，矩形柔性铰链单元加工容易，加工精度高，而且可以实现比其他形式柔性铰链单元更为紧凑的结构。
[0028]3.本发明两自由度运动解耦柔性铰链机构中，与柔性铰链基体终端平台固接的柔性铰链支链采用的是多个矩形柔性铰链单元组合，与输入端刚性平台固接的柔性铰链支链采用的是多个矩形柔性铰链单元组合，这种多个铰链单元平行布置所形成的支链比采取单个柔性铰链单元具有更大的弯曲刚度以及更大的横向柔度，这样可以增加机构运动方向的行程，同时增加非运动方向的刚度，有助于提高机构抵抗外载荷扰动的影响，保证高的运动精度。
[0029]4.本发明两自由度运动解耦柔性铰链机构中，将拉压力传感器固定安装于压电陶瓷致动器的尾端，这样可以避免因将拉压力传感器固定安装于致动器前端增加运动部件质量，从而降低机构的动态运行性能，同时可以实时监测致动器的轴向受载，为预紧力施加的监测及动力学控制提供了便利。
【附图说明】
[0030]图1为本发明【具体实施方式】中两自由度运动解耦柔性铰链机构的透视图。
[0031]图2为本发明【具体实施方式】中两自由度运动解耦柔性铰链机构的柔性铰链基体的透视图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图，对本发明作详细说明。
[0033]首先说明附图标记中的零部件名称。
[0034]I柔性铰链基体；
[0035]2第一压电陶瓷致动器；
[0036]3第一致动器连接头；
[0037]4第一拉压力传感器；
[0038]5第一法兰盘；
[0039]6第一压紧盖；
[0040]7第二压电陶瓷致动器；
[0041]8第二致动器连接头；
[0042]9第二拉压力传感器；
[0043]10第二法兰盘；
[0044]11第二压紧盖；
[0045]12第一安装座；
[0046]13第一激光位移传感器；
[0047]14测量基座；
[0048]15第二安装座；
[0049]16第二激光位移传感器；
[0050]1-1终端刚性输出 平台；
[0051]1-2柔性铰链支链；
[0052]1-3柔性铰链支链；
[0053]1-4柔性铰链支链；
[0054]1-5柔性铰链支链；
[0055]1-6上端刚性平台；
[0056]1-7柔性铰链支链；
[0057]1-8柔性铰链支链；
[0058]1-9左端刚性平台；
[0059]1-10柔性铰链支链；
[0060]1-11柔性铰链支链；
[0061]1-12右端刚性平台；
[0062]1-13柔性铰链支链；
[0063]1-14柔性铰链支链；
[0064]1-15下端刚性平台；
[0065]1-16柔性铰链支链；
[0066]1-17柔性铰链支链；
[0067]1-18刚性基体。
[0068]以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。
[0069]然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。
[0070]同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。
[0071]如图1所示，本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构，所述机构包括柔性铰链基体I和驱动支链，其中柔性铰链基体I包括多个柔性铰链支链和刚性连接件，
[0072]刚性连接件包括位于柔性铰链基体I中间部分的终端刚性输出平台1-1和分别位于柔性铰链基体上、下、左、右部分的上端刚性平台1-6、下端刚性平台1-15、左端刚性平台1-9和右端刚性平台1-12 ；
[0073]所述上端刚性平台1-6、下端刚性平台1-15、左端刚性平台1-9和右端刚性平台1-12分别通过柔性铰链支链与终端刚性输出平台1-1连接，且上端刚性平台1-6、下端刚性平台1-15、左端刚性平台1-9和右端刚性平台1-12分别通过柔性铰链支链与柔性铰链基体的刚性基体1-18连接。
[0074]因此，本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构柔性铰链基体的运动部分采取了对称的并联结构形式，具有结构紧凑，刚度高的优点，而且这种结构形式可以保证终端各向运动和力之间的解耦，从而有助于提高两自由度运动解耦柔性铰链机构的运动精度。
[0075]在本发明的【具体实施方式】中，所述柔性铰链支链包括多个相互平行布置的柔性铰链单元。
[0076]特别地，所述连接终端刚性输出平台和上端、下端、左端、右端刚性平台的柔性铰链支链包括三个相互平行布置的柔性铰链单元；所述连接上端、下端、左端、右端刚性平台和柔性铰链基体的刚性基体的柔性铰链支链包括三个相互平行布置的柔性铰链单元。
[0077]另一方面，本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构采取了矩形柔性铰链单元作为整体机构的变形单元，矩形柔性铰链单元加工容易，加工精度高，而且可以实现比其他形式柔性铰链单元更为紧凑的结构。
[0078]另外，与柔性铰链基体终端刚性输出平台固接的柔性铰链支链采用的是多个矩形柔性铰链单元的组合，与上端、下端、左端、右端刚性平台固接的柔性铰链支链采用的也是多个矩形柔性铰链单元组合，这种多个铰链单元平行布置所形成的支链比采取单个柔性铰链单元具有更大的弯曲刚度以及更大的横向柔度，这样可以增加机构运动方向的行程，同时增加非运动方向的刚度，有助于提高机构抵抗外载荷扰动的影响，保证高的运动精度。
[0079]具体而言，如图2所示，柔性铰链基体I的主要部分由柔性铰链支链和刚性连接件所组成，呈现关于XY轴对称的结构形式。柔性铰链基体I的中间部分为终端刚性输出平台1-1，在终端刚性输出平台1-1的上、下、左和右部分分别连接有相同的柔性铰链支链1-2、1-3、1-4和1-5。柔性铰链支链1-2由三个竖直平行且等间距布置的相同矩形柔性铰链单元所组成，在柔性铰链支链1-2的上端固接有上端刚性平台1-6，上端刚性平台1-6的左右两端分别对称固接有柔性铰链支链1-7和1-8，柔性铰链支链1-7和1-8都是由两个相同且水平平行布置的矩形柔性铰链单元所组成，它们的另一端分别固接于刚性基体1-18上；柔性铰链支链1-3由三个水平平行且等间距布置的相同矩形柔性铰链单元所组成，在柔性铰链支链1-3的左端固接有左端刚性平台1-9，左端刚性平台1-9的上下两端分别对称固接有柔性铰链支链1-10和1-11，柔性铰链支链1-10和1-11都是由两个相同且竖直平行布置的矩形柔性铰链单元所组成，它们的另一端分别固接于刚性基体1-18上；柔性铰链支链1-4由三个水平平行且等间距布置的相同矩形柔性铰链单元所组成，在柔性铰链支链1-4的右端固接有右端刚性平台1-12，右端刚性平台1-12的上下两端分别对称固接有柔性铰链支链1-13和1-14，柔性铰链支链1-13和1-14都是由两个相同且竖直平行布置的矩形柔性铰链单元所组成，它们的另一端分别固接于刚性基体1-18上；柔性铰链支链1-5由三个竖直平行且等间距布置的相同矩形柔性铰链单元所组成，在柔性铰链支链1-5的下端固接有下端刚性平台1-15，下端刚性平台1-15的左右两端分别对称固接有柔性铰链支链1-16和1-17，柔性铰链支链1-16和1-17都是由两个相同且水平平行布置的矩形柔性铰链单元所组成，它们的另一端分别固接于刚性基体1-18上。
[0080]本领域内技术人员应当明白，以上实施方式中，连接上端、下端、左端和右端刚性平台和终端输出刚性平台的柔性铰链支链包括三个相互平行布置的柔性铰链单元；以及连接上端、下端、左端、右端刚性平台和柔性铰链基体的刚性基体的柔性铰链支链包括两个相互平行布置的柔性铰链单元，这仅仅只是一个示例，本领域内技术人员在本发明技术方案的启示下，可以使用其他数量的柔性铰链单元，来实现接近的技术效果。
[0081]如图1所示，所述驱动支链包括相互垂直方向驱动的第一驱动支链和第二驱动支链，第一驱动支链包括第一压电陶瓷致动器2和第一致动器连接头3，第二驱动支链包括第二压电陶瓷致动器7和第二致动器连接头8。
[0082]另外，在本发明【具体实施方式】中，所述第一驱动支链还包括第一法兰盘5、第一拉压力传感器4和第一压紧盖6，第二驱动支链还包括第二法兰盘10、第二拉压力传感器9和第二压紧盖11。
[0083]具体而言，第一压电陶瓷致动器2通过第一致动器连接头3与柔性铰链基体I的左端刚性平台1-9固定连接，第一拉压力传感器4通过第一法兰盘5与第一压电陶瓷致动器2的尾端固定连接，第一拉压力传感器4的轴线与第一压电陶瓷致动器2的轴线保持共线，第一拉压力传感器4的另一端与第一压紧盖6固定连接，第一压紧盖6的两端通过螺栓连接于柔性铰链基体I的左侧端部，第一压紧盖6与柔性铰链基体I左侧端部之间必须留有一定的间隙，以便通过螺栓预紧对第一压电陶瓷致动器2施加一定的轴向预紧载荷。
[0084]第二压电陶瓷致动器7通过第二致动器连接头8与柔性铰链基体I的下端刚性平台1-15固定连接，第二拉压力传感器9通过第二法兰盘10与第二压电陶瓷致动器7的尾端固定连接，第二拉压力传感器9的轴线与第二压电陶瓷致动器7的轴线保持共线，第二拉压力传感器9的另一端与第二压紧盖11固定连接，第二压紧盖11的两端通过螺栓连接于柔性铰链基体I的下侧端部，第二压紧盖11与柔性铰链基体I下侧端部之间必须留有一定的间隙，以便通过螺栓预紧对第二压电陶瓷致动器7施加一定的轴向预紧载荷。
[0085]另外，在本发明一【具体实施方式】中，所述两自由度运动解耦柔性铰链机构还包括位移测量系统和测量基准，所述位移测量系统包括分别测量两个正交方向上的位移的第一位移测量系统和第二位移测量系统，其中，
[0086]第一位移测量系统固定于所述柔性铰链基体的一端，包括第一位移传感器13和第一安装座12，所述第一位移传感器13的测量方向与所述第一压电陶瓷致动器2的轴线方向平行；
[0087]第二位移测量系统固定于所述柔性铰链基体的与第一位移测量系统安装端相垂直方向的一端，包括第二位移传感器16和第二安装座15，所述第二位移传感器16的测量方向与所述第二压电陶瓷致动器7的轴线方向平行；
[0088]测量基准14固定连接至所述柔性铰链基体的终端刚性输出平台，具有两个端面，第一端面与第一位移传感器13的测量方 向垂直，第二端面与第二位移传感器16的测量方向垂直。
[0089]特别地，所述位移传感器为激光位移传感器。
[0090]具体而言，如图2所示，第一安装座12通过螺栓固定于柔性铰链基体I的右端部，在第一安装座12上固定安装有第一激光位移传感器13，第一激光位移传感器13的测量方向与第一压电陶瓷致动器2的轴线方向保持平行，测量基准14固定安装于柔性铰链基体I的终端刚性输出平台1-1上，测量基座14的右端面与所述第一激光位移传感器13的测量方向保持垂直。第二安装座15通过螺栓固定安装于柔性铰链基体I的上端部，在第二安装座15上固定安装有第二激光位移传感器16，第二激光位移传感器16的测量方向与第二压电陶瓷致动器7的轴线方向保持平行，测量基座14的上端面与所述第二激光位移传感器16的测量方向保持垂直。
[0091]因此，本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构的工作原理为:所述机构可以实现XY平面内的两自由度运动，为了说明其工作方式，令柔性铰链基体I终端刚性输出平台1-1的中心点为坐标原点，第一压电陶瓷致动器2的轴向方向为X轴，第二压电陶瓷致动器7的轴线方向为Y轴。由于机构X和Y轴运动的过程和控制原理完全相同，这里以X轴运动为例说明机构的工作原理。
[0092]首先为了保证第一压电陶瓷致动器2工作过程中的输出位移精度和运动的可靠性，需要对第一压电陶瓷致动器2施加一定的轴向预紧载荷，该轴向预紧载荷是通过第一压紧盖6两端的螺栓预紧实现，根据所需施加的预紧载荷大小，同时通过观测第一拉压力传感器4测得的轴向载荷大小，拧紧或松开第一预紧盖6两端的螺栓，不断调节第一压电陶瓷致动器2的轴向预紧载荷大小，直至达到所需预紧载荷值。
[0093]在完成机构的设计后，通过对机构的有限元分析可以获得机构柔性铰链基体I的左端刚性平台1-9与终端刚性输出平台1-1之间的位移关系，从而可以根据机构终端刚性输出平台1-1所需实现的X轴向位移，得到左端刚性平台1-9所需提供的X向输入位移，该位移量即为第一压电陶瓷致动器2所需实现位移输出值。
[0094]接下来，根据该位移输出值，第一压电陶瓷致动器2通过其驱动器控制以及内部位移传感器闭环测量下，精确输出所需的位移量。当第一压电陶瓷致动器2伸长后，推动柔性铰链基体I左端刚性平台1-9沿着X方向运动，由于柔性铰链支链1-10和1-11在X向柔度很大，因此会随着左端刚性平台1-9发生沿着X方向的弹性变形，而柔性铰链支链1-3在X向的刚度很大，因此几乎不会发生变形，因此可以将左端刚性平台1-3的运动近乎完全传递到终端刚性输出平台1-1，与终端刚性输出平台1-1相固接的柔性铰链支链1-2和1-5在X方向的柔度很大，因此会随着终端刚性输出平台1-1发生X方向的弹性变形，与终端刚性输出平台1-1相固接的柔性铰链支链1-4的X向刚度很大，因此几乎不发生变形，柔性铰链支链1-4将终端刚性输出平台1-1的运动几乎完全传递到右端刚性平台1-12，与右端刚性平台1-12固接的柔性铰链支链1-13和1-14在X向的柔度很大，因此会随着右端刚性平台1-12发生沿着X方向的弹性变形。柔性铰链支链1-5沿着X向弹性变形后，会在下端刚性平台1-15上产生X向的载荷，但由于柔性铰链支链1-5在X向的刚度很小，柔性铰链支链1-16和1-17在X向的刚度很大，因此下端刚性平台1-15几乎不会发生沿着X向的变形，因此机构在X向的运动，对第二压电陶瓷驱动器7影响非常小，也即可以实现机构优异的运动解耦性能。
[0095]当柔性铰链基体I终端刚性输出平台1-1发生X向位移后，会带动其上的测量基准14 一起运动，此时通过第一激光位移传感器13就可以精确测量出终端刚性输出平台1-1沿着X向运动位移量，将该位移量与预期的位移量进行对比，并将位移量的差值作为反馈量用于对第一压电陶瓷致动器2驱动器的输入位移修正量，从而实现整体机构运动的全闭环控制，可以保证机构实现所需的运动位移量。
[0096]需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种两自由度运动解耦柔性铰链机构，所述机构包括柔性铰链基体和驱动支链，其中柔性铰链基体包括柔性铰链支链和刚性连接件， 刚性连接件包括位于柔性铰链基体中间部分的终端刚性输出平台和分别位于柔性铰链基体上、下、左、右部分的上端、下端、左端、右端刚性平台； 所述上端、下端、左端、右端刚性平台分别通过柔性铰链支链与终端刚性输出平台连接，且上端、下端、左端、右端刚性平台分别通过柔性铰链支链与柔性铰链基体的刚性基体连接。2.根据权利要求1中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，所述柔性铰链支链包括多个相互平行布置的柔性铰链单元。3.根据权利要求2中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，所述连接终端刚性输出平台和上端、下端、左端、右端刚性平台的柔性铰链支链包括3个相互平行布置的柔性铰链单元；所述连接上端、下端、左端、右端刚性平台和柔性铰链基体的刚性基体的柔性铰链支链包括2个相互平行布置的柔性铰链单元。4.根据权利要求2中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，所述柔性铰链单元为矩形柔性铰链单元。5.根据权利要求1中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，所述驱动支链包括相互垂直方向驱动的第一驱动支链和第二驱动支链，第一驱动支链包括第一压电陶瓷致动器和第一致动器连接头，第二驱动支链包括第二压电陶瓷致动器和第二致动器连接头，其中， 第一驱动支链的第一压电陶瓷致动器通过第一致动器连接头连接至上端、下端、左端、右端刚性平台中的一个； 第二驱动支链的第二压电陶瓷致动器通过第二致动器连接头连接至与第一致动器连接头连接的刚性平台相正交方向的另一刚性平台。6.根据权利要求5中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，所述第一驱动支链还包括第一法兰盘、第一拉压力传感器和第一压紧盖，第二驱动支链还包括第二法兰盘、第二拉压力传感器和第二压紧盖，其中， 第一拉压力传感器与第一压电陶瓷致动器同轴，通过第一法兰盘连接至第一压电陶瓷致动器的尾端，第一拉压力传感器的另一端与第一压紧盖固定连接，第一压紧盖用螺栓连接至柔性铰链基体的一端； 第二拉压力传感器与第二压电陶瓷致动器同轴，通过第二法兰盘连接至第二压电陶瓷致动器的尾端，第二拉压力传感器的另一端与第二压紧盖固定连接，第二压紧盖用螺栓连接至柔性铰链基体的另一端。7.根据权利要求6中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，第一压紧盖或第二压紧盖和与之相连的柔性铰链基体的端部间具有间隙，用于通过所述螺栓对第一压电陶瓷致动器或第二压电陶瓷致动器施加轴向预紧载荷。8.根据权利要求5中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，所述两自由度运动解耦柔性铰链机构还包括位移测量系统和测量基准，所述位移测量系统包括分别测量两个正交方向上的位移的第一位移测量系统和第二位移测量系统，其中， 第一位移测量系统固定于所述柔性铰链基体的一端，包括第一位移传感器和第一安装座，所述第一位移传感器的测量方向与所述第一压电陶瓷致动器的轴线方向平行； 第二位移测量系统固定于所述柔性铰链基体的与第一位移测量系统安装端相垂直方向的一端，包括第二位移传感器和第二安装座，所述第二位移传感器的测量方向与所述第二压电陶瓷致动器的轴线方向平行； 测量基准固定连接至所述柔性铰链基体的终端刚性输出平台，具有两个端面，第一端面与第一位移传感器的测量方向垂直，第二端面与第二位移传感器的测量方向垂直。9.根据权利要求8中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，所述位移传感器为激光位移传感器。
【专利摘要】一种两自由度运动解耦柔性铰链机构，所述机构包括柔性铰链基体和驱动支链，其中柔性铰链基体包括柔性铰链支链和刚性连接件，刚性连接件包括位于柔性铰链基体中间部分的终端刚性输出平台和分别位于柔性铰链基体上、下、左、右部分的上端、下端、左端、右端刚性平台；所述上端、下端、左端、右端刚性平台分别通过柔性铰链支链与终端刚性输出平台连接，且上端、下端、左端、右端刚性平台分别通过柔性铰链支链与柔性铰链基体的刚性基体连接。通过本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构可以实现终端各向运动和力之间的解耦，从而有助于提高两自由度运动解耦柔性铰链机构的运动精度。
【IPC分类】H02N2/02, F16C11/12
【公开号】CN104895913
【申请号】CN201510223680
【发明人】李铁民, 姜峣, 杜云松, 张京雷
【申请人】清华大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月4日
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械设计与制造技术领域，尤其涉及到高精度传动机构的设计技术。
【背景技术】
[0002]微动机构具有运动精度、分辨率高，结构紧凑，运动范围小等特点，被广泛应用于微纳米操作领域，如原子力显微镜、光刻掩膜平台、精钢石车削、精密运动平台等。一种经常使用到的微动机构是柔性铰链，柔性铰链利用了弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得高位移分辨率。考虑到柔性铰链具有运动无摩擦、磨损，无需润滑，而且具有结构紧凑、轻巧，制造装配方便等优点，因此被广泛应用于微动机构的设计中，称为柔性铰链机构。
[0003]柔性铰链机构根据其结构组成特点可以分为串联式和并联式，串联式柔性铰链机构由柔性铰链和刚性连接部分依次串联而成，并联式柔性铰链机构则由多个串联支链与终端平台并联构成，至少存在两个或两个以上的闭环结构。相比于串联式柔性铰链机构，并联式柔性铰链机构具有更高的刚度、固有频率。更为重要的是，串联式柔性铰链机构在运动过程中，除了运动方向的自由度外，因为铰链的变形还会产生其他非运动方向的耦合误差，从而影响机构的输出运动精度，另外，由于柔性铰链机构大多采用压电陶瓷致动器进行驱动，该致动器只能承受轴向载荷，不能承受横向载荷弯矩，否则会对致动器造成损害，因此由于各向运动和载荷的耦合，会在压电陶瓷致动器终端产生非轴向载荷，造成致动器的破坏。并联式柔性铰链机构通过结构的设计，可以实现各向运动近乎解耦，这给机构的运动控制带来了极大的便利，而且可以实现更为高精度的运动，因此现有的柔性铰链机构都采用并联形式实现。在并联式柔性铰链机构中，有空间和平面并联柔性铰链机构两种形式，由于控制柔性铰链机构需要使用二维、三维柔性铰链，加工困难，精度难以保证，因此目前使用较多的是平面柔性铰链机构。
[0004]实现柔性铰链微动机构的运动解耦是该类机构设计的重点和难点，目前采取手段是添加解耦结构，但现有的解耦结构形式较为复杂，这增加了机构加工装配的难度，对机构的运动精度带来了一定的影响，而且会增加机构运动部件的质量，降低其动态运行性能。结构较为简单的解耦结构的解耦性能又难以达到要求，因此如何设计结构简单、紧凑，解耦性能优异的柔性铰链机构是一项具有挑战和急需解决的任务。
【发明内容】
[0005]鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种具有高精度的平面两自由度运动解耦柔性铰链微动机构，该机构具有解耦紧凑，各向运动解耦、运动精度高的特点。
[0006]为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。
[0007]一种两自由度运动解耦柔性铰链机构，所述机构包括柔性铰链基体和驱动支链，其中柔性铰链基体包括柔性铰链支链和刚性连接件，
[0008]刚性连接件包括位于柔性铰链基体中间部分的终端刚性输出平台和分别位于柔性铰链基体上、下、左、右部分的上端、下端、左端、右端刚性平台；
[0009]所述上端、下端、左端、右端刚性平台分别通过柔性铰链支链与终端刚性输出平台连接，且上端、下端、左端、右端刚性平台分别通过柔性铰链支链与柔性铰链基体的刚性基体连接。
[0010]特别地，所述柔性铰链支链包括多个相互平行布置的柔性铰链单元。
[0011]所述连接终端刚性输出平台和上端、下端、左端、右端刚性平台的柔性铰链支链包括3个相互平行布置的柔性铰链单元；所述连接上端、下端、左端、右端刚性平台和柔性铰链基体的刚性基体的柔性铰链支链包括2个相互平行布置的柔性铰链单元。
[0012]其中，所述柔性铰链单元为矩形柔性铰链单元。
[0013]所述驱动支链包括相互垂直方向驱动的第一驱动支链和第二驱动支链，第一驱动支链包括第一压电陶瓷致动器和第一致动器连接头，第二驱动支链包括第二压电陶瓷致动器和第二致动器连接头，其中，
[0014]第一驱动支链的第一压电陶瓷致动器通过第一致动器连接头连接至上端、下端、左端、右端刚性平台中的一个；
[0015]第二驱动支链的第二压电陶瓷致动器通过第二致动器连接头连接至与第一致动器连接头连接的刚性平台相正交方向的另一刚性平台。
[0016]特别地，所述第一驱动支链还包括第一法兰盘、第一拉压力传感器和第一压紧盖，第二驱动支链还包括第二法兰盘、第二拉压力传感器和第二压紧盖，其中，
[0017]第一拉压力传感器与第一压电陶瓷致动器同轴，通过第一法兰盘连接至第一压电陶瓷致动器的尾端，第一拉压力传感器的另一端与第一压紧盖固定连接，第一压紧盖用螺栓连接至柔性铰链基体的一端；
[0018]第二拉压力传感器与第二压电陶瓷致动器同轴，通过第二法兰盘连接至第二压电陶瓷致动器的尾端，第二拉压力传感器的另一端与第二压紧盖固定连接，第二压紧盖用螺栓连接至柔性铰链基体的另一端。
[0019]另外，第一压紧盖或第二压紧盖和与之相连的柔性铰链基体的端部间具有间隙，用于通过所述螺栓对第一压电陶瓷致动器或第二压电陶瓷致动器施加轴向预紧载荷。
[0020]所述两自由度运动解耦柔性铰链机构还包括位移测量系统和测量基准，所述位移测量系统包括分别测量两个正交方向上的位移的第一位移测量系统和第二位移测量系统，其中，
[0021]第一位移测量系统固定于所述柔性铰链基体的一端，包括第一位移传感器和第一安装座，所述第一位移传感器的测量方向与所述第一压电陶瓷致动器的轴线方向平行；
[0022]第二位移测量系统固定于所述柔性铰链基体的与第一位移测量系统安装端相垂直方向的一端，包括第二位移传感器和第二安装座，所述第二位移传感器的测量方向与所述第二压电陶瓷致动器的轴线方向平行；
[0023]测量基准固定连接至所述柔性铰链基体的终端刚性输出平台，具有两个端面，第一端面与第一位移传感器的测量方向垂直，第二端面与第二位移传感器的测量方向垂直。
[0024]本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构中所述位移传感器为激光位移传感器。
[0025]通过采用本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构，能够获得以下有益技术效果O
[0026]1、本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构柔性铰链基体的运动部分采取了对称的并联结构形式，具有结构紧凑，刚度高的优点，而且这种结构形式可以保证终端各向运动和力之间的解耦，从而有助于提高两自由度运动解耦柔性铰链机构的运动精度。
[0027]2.本发明采取了矩形柔性铰链单元作为整体机构的变形单元，矩形柔性铰链单元加工容易，加工精度高，而且可以实现比其他形式柔性铰链单元更为紧凑的结构。
[0028]3.本发明两自由度运动解耦柔性铰链机构中，与柔性铰链基体终端平台固接的柔性铰链支链采用的是多个矩形柔性铰链单元组合，与输入端刚性平台固接的柔性铰链支链采用的是多个矩形柔性铰链单元组合，这种多个铰链单元平行布置所形成的支链比采取单个柔性铰链单元具有更大的弯曲刚度以及更大的横向柔度，这样可以增加机构运动方向的行程，同时增加非运动方向的刚度，有助于提高机构抵抗外载荷扰动的影响，保证高的运动精度。
[0029]4.本发明两自由度运动解耦柔性铰链机构中，将拉压力传感器固定安装于压电陶瓷致动器的尾端，这样可以避免因将拉压力传感器固定安装于致动器前端增加运动部件质量，从而降低机构的动态运行性能，同时可以实时监测致动器的轴向受载，为预紧力施加的监测及动力学控制提供了便利。
【附图说明】
[0030]图1为本发明【具体实施方式】中两自由度运动解耦柔性铰链机构的透视图。
[0031]图2为本发明【具体实施方式】中两自由度运动解耦柔性铰链机构的柔性铰链基体的透视图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图，对本发明作详细说明。
[0033]首先说明附图标记中的零部件名称。
[0034]I柔性铰链基体；
[0035]2第一压电陶瓷致动器；
[0036]3第一致动器连接头；
[0037]4第一拉压力传感器；
[0038]5第一法兰盘；
[0039]6第一压紧盖；
[0040]7第二压电陶瓷致动器；
[0041]8第二致动器连接头；
[0042]9第二拉压力传感器；
[0043]10第二法兰盘；
[0044]11第二压紧盖；
[0045]12第一安装座；
[0046]13第一激光位移传感器；
[0047]14测量基座；
[0048]15第二安装座；
[0049]16第二激光位移传感器；
[0050]1-1终端刚性输出 平台；
[0051]1-2柔性铰链支链；
[0052]1-3柔性铰链支链；
[0053]1-4柔性铰链支链；
[0054]1-5柔性铰链支链；
[0055]1-6上端刚性平台；
[0056]1-7柔性铰链支链；
[0057]1-8柔性铰链支链；
[0058]1-9左端刚性平台；
[0059]1-10柔性铰链支链；
[0060]1-11柔性铰链支链；
[0061]1-12右端刚性平台；
[0062]1-13柔性铰链支链；
[0063]1-14柔性铰链支链；
[0064]1-15下端刚性平台；
[0065]1-16柔性铰链支链；
[0066]1-17柔性铰链支链；
[0067]1-18刚性基体。
[0068]以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。
[0069]然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。
[0070]同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。
[0071]如图1所示，本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构，所述机构包括柔性铰链基体I和驱动支链，其中柔性铰链基体I包括多个柔性铰链支链和刚性连接件，
[0072]刚性连接件包括位于柔性铰链基体I中间部分的终端刚性输出平台1-1和分别位于柔性铰链基体上、下、左、右部分的上端刚性平台1-6、下端刚性平台1-15、左端刚性平台1-9和右端刚性平台1-12 ；
[0073]所述上端刚性平台1-6、下端刚性平台1-15、左端刚性平台1-9和右端刚性平台1-12分别通过柔性铰链支链与终端刚性输出平台1-1连接，且上端刚性平台1-6、下端刚性平台1-15、左端刚性平台1-9和右端刚性平台1-12分别通过柔性铰链支链与柔性铰链基体的刚性基体1-18连接。
[0074]因此，本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构柔性铰链基体的运动部分采取了对称的并联结构形式，具有结构紧凑，刚度高的优点，而且这种结构形式可以保证终端各向运动和力之间的解耦，从而有助于提高两自由度运动解耦柔性铰链机构的运动精度。
[0075]在本发明的【具体实施方式】中，所述柔性铰链支链包括多个相互平行布置的柔性铰链单元。
[0076]特别地，所述连接终端刚性输出平台和上端、下端、左端、右端刚性平台的柔性铰链支链包括三个相互平行布置的柔性铰链单元；所述连接上端、下端、左端、右端刚性平台和柔性铰链基体的刚性基体的柔性铰链支链包括三个相互平行布置的柔性铰链单元。
[0077]另一方面，本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构采取了矩形柔性铰链单元作为整体机构的变形单元，矩形柔性铰链单元加工容易，加工精度高，而且可以实现比其他形式柔性铰链单元更为紧凑的结构。
[0078]另外，与柔性铰链基体终端刚性输出平台固接的柔性铰链支链采用的是多个矩形柔性铰链单元的组合，与上端、下端、左端、右端刚性平台固接的柔性铰链支链采用的也是多个矩形柔性铰链单元组合，这种多个铰链单元平行布置所形成的支链比采取单个柔性铰链单元具有更大的弯曲刚度以及更大的横向柔度，这样可以增加机构运动方向的行程，同时增加非运动方向的刚度，有助于提高机构抵抗外载荷扰动的影响，保证高的运动精度。
[0079]具体而言，如图2所示，柔性铰链基体I的主要部分由柔性铰链支链和刚性连接件所组成，呈现关于XY轴对称的结构形式。柔性铰链基体I的中间部分为终端刚性输出平台1-1，在终端刚性输出平台1-1的上、下、左和右部分分别连接有相同的柔性铰链支链1-2、1-3、1-4和1-5。柔性铰链支链1-2由三个竖直平行且等间距布置的相同矩形柔性铰链单元所组成，在柔性铰链支链1-2的上端固接有上端刚性平台1-6，上端刚性平台1-6的左右两端分别对称固接有柔性铰链支链1-7和1-8，柔性铰链支链1-7和1-8都是由两个相同且水平平行布置的矩形柔性铰链单元所组成，它们的另一端分别固接于刚性基体1-18上；柔性铰链支链1-3由三个水平平行且等间距布置的相同矩形柔性铰链单元所组成，在柔性铰链支链1-3的左端固接有左端刚性平台1-9，左端刚性平台1-9的上下两端分别对称固接有柔性铰链支链1-10和1-11，柔性铰链支链1-10和1-11都是由两个相同且竖直平行布置的矩形柔性铰链单元所组成，它们的另一端分别固接于刚性基体1-18上；柔性铰链支链1-4由三个水平平行且等间距布置的相同矩形柔性铰链单元所组成，在柔性铰链支链1-4的右端固接有右端刚性平台1-12，右端刚性平台1-12的上下两端分别对称固接有柔性铰链支链1-13和1-14，柔性铰链支链1-13和1-14都是由两个相同且竖直平行布置的矩形柔性铰链单元所组成，它们的另一端分别固接于刚性基体1-18上；柔性铰链支链1-5由三个竖直平行且等间距布置的相同矩形柔性铰链单元所组成，在柔性铰链支链1-5的下端固接有下端刚性平台1-15，下端刚性平台1-15的左右两端分别对称固接有柔性铰链支链1-16和1-17，柔性铰链支链1-16和1-17都是由两个相同且水平平行布置的矩形柔性铰链单元所组成，它们的另一端分别固接于刚性基体1-18上。
[0080]本领域内技术人员应当明白，以上实施方式中，连接上端、下端、左端和右端刚性平台和终端输出刚性平台的柔性铰链支链包括三个相互平行布置的柔性铰链单元；以及连接上端、下端、左端、右端刚性平台和柔性铰链基体的刚性基体的柔性铰链支链包括两个相互平行布置的柔性铰链单元，这仅仅只是一个示例，本领域内技术人员在本发明技术方案的启示下，可以使用其他数量的柔性铰链单元，来实现接近的技术效果。
[0081]如图1所示，所述驱动支链包括相互垂直方向驱动的第一驱动支链和第二驱动支链，第一驱动支链包括第一压电陶瓷致动器2和第一致动器连接头3，第二驱动支链包括第二压电陶瓷致动器7和第二致动器连接头8。
[0082]另外，在本发明【具体实施方式】中，所述第一驱动支链还包括第一法兰盘5、第一拉压力传感器4和第一压紧盖6，第二驱动支链还包括第二法兰盘10、第二拉压力传感器9和第二压紧盖11。
[0083]具体而言，第一压电陶瓷致动器2通过第一致动器连接头3与柔性铰链基体I的左端刚性平台1-9固定连接，第一拉压力传感器4通过第一法兰盘5与第一压电陶瓷致动器2的尾端固定连接，第一拉压力传感器4的轴线与第一压电陶瓷致动器2的轴线保持共线，第一拉压力传感器4的另一端与第一压紧盖6固定连接，第一压紧盖6的两端通过螺栓连接于柔性铰链基体I的左侧端部，第一压紧盖6与柔性铰链基体I左侧端部之间必须留有一定的间隙，以便通过螺栓预紧对第一压电陶瓷致动器2施加一定的轴向预紧载荷。
[0084]第二压电陶瓷致动器7通过第二致动器连接头8与柔性铰链基体I的下端刚性平台1-15固定连接，第二拉压力传感器9通过第二法兰盘10与第二压电陶瓷致动器7的尾端固定连接，第二拉压力传感器9的轴线与第二压电陶瓷致动器7的轴线保持共线，第二拉压力传感器9的另一端与第二压紧盖11固定连接，第二压紧盖11的两端通过螺栓连接于柔性铰链基体I的下侧端部，第二压紧盖11与柔性铰链基体I下侧端部之间必须留有一定的间隙，以便通过螺栓预紧对第二压电陶瓷致动器7施加一定的轴向预紧载荷。
[0085]另外，在本发明一【具体实施方式】中，所述两自由度运动解耦柔性铰链机构还包括位移测量系统和测量基准，所述位移测量系统包括分别测量两个正交方向上的位移的第一位移测量系统和第二位移测量系统，其中，
[0086]第一位移测量系统固定于所述柔性铰链基体的一端，包括第一位移传感器13和第一安装座12，所述第一位移传感器13的测量方向与所述第一压电陶瓷致动器2的轴线方向平行；
[0087]第二位移测量系统固定于所述柔性铰链基体的与第一位移测量系统安装端相垂直方向的一端，包括第二位移传感器16和第二安装座15，所述第二位移传感器16的测量方向与所述第二压电陶瓷致动器7的轴线方向平行；
[0088]测量基准14固定连接至所述柔性铰链基体的终端刚性输出平台，具有两个端面，第一端面与第一位移传感器13的测量方 向垂直，第二端面与第二位移传感器16的测量方向垂直。
[0089]特别地，所述位移传感器为激光位移传感器。
[0090]具体而言，如图2所示，第一安装座12通过螺栓固定于柔性铰链基体I的右端部，在第一安装座12上固定安装有第一激光位移传感器13，第一激光位移传感器13的测量方向与第一压电陶瓷致动器2的轴线方向保持平行，测量基准14固定安装于柔性铰链基体I的终端刚性输出平台1-1上，测量基座14的右端面与所述第一激光位移传感器13的测量方向保持垂直。第二安装座15通过螺栓固定安装于柔性铰链基体I的上端部，在第二安装座15上固定安装有第二激光位移传感器16，第二激光位移传感器16的测量方向与第二压电陶瓷致动器7的轴线方向保持平行，测量基座14的上端面与所述第二激光位移传感器16的测量方向保持垂直。
[0091]因此，本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构的工作原理为:所述机构可以实现XY平面内的两自由度运动，为了说明其工作方式，令柔性铰链基体I终端刚性输出平台1-1的中心点为坐标原点，第一压电陶瓷致动器2的轴向方向为X轴，第二压电陶瓷致动器7的轴线方向为Y轴。由于机构X和Y轴运动的过程和控制原理完全相同，这里以X轴运动为例说明机构的工作原理。
[0092]首先为了保证第一压电陶瓷致动器2工作过程中的输出位移精度和运动的可靠性，需要对第一压电陶瓷致动器2施加一定的轴向预紧载荷，该轴向预紧载荷是通过第一压紧盖6两端的螺栓预紧实现，根据所需施加的预紧载荷大小，同时通过观测第一拉压力传感器4测得的轴向载荷大小，拧紧或松开第一预紧盖6两端的螺栓，不断调节第一压电陶瓷致动器2的轴向预紧载荷大小，直至达到所需预紧载荷值。
[0093]在完成机构的设计后，通过对机构的有限元分析可以获得机构柔性铰链基体I的左端刚性平台1-9与终端刚性输出平台1-1之间的位移关系，从而可以根据机构终端刚性输出平台1-1所需实现的X轴向位移，得到左端刚性平台1-9所需提供的X向输入位移，该位移量即为第一压电陶瓷致动器2所需实现位移输出值。
[0094]接下来，根据该位移输出值，第一压电陶瓷致动器2通过其驱动器控制以及内部位移传感器闭环测量下，精确输出所需的位移量。当第一压电陶瓷致动器2伸长后，推动柔性铰链基体I左端刚性平台1-9沿着X方向运动，由于柔性铰链支链1-10和1-11在X向柔度很大，因此会随着左端刚性平台1-9发生沿着X方向的弹性变形，而柔性铰链支链1-3在X向的刚度很大，因此几乎不会发生变形，因此可以将左端刚性平台1-3的运动近乎完全传递到终端刚性输出平台1-1，与终端刚性输出平台1-1相固接的柔性铰链支链1-2和1-5在X方向的柔度很大，因此会随着终端刚性输出平台1-1发生X方向的弹性变形，与终端刚性输出平台1-1相固接的柔性铰链支链1-4的X向刚度很大，因此几乎不发生变形，柔性铰链支链1-4将终端刚性输出平台1-1的运动几乎完全传递到右端刚性平台1-12，与右端刚性平台1-12固接的柔性铰链支链1-13和1-14在X向的柔度很大，因此会随着右端刚性平台1-12发生沿着X方向的弹性变形。柔性铰链支链1-5沿着X向弹性变形后，会在下端刚性平台1-15上产生X向的载荷，但由于柔性铰链支链1-5在X向的刚度很小，柔性铰链支链1-16和1-17在X向的刚度很大，因此下端刚性平台1-15几乎不会发生沿着X向的变形，因此机构在X向的运动，对第二压电陶瓷驱动器7影响非常小，也即可以实现机构优异的运动解耦性能。
[0095]当柔性铰链基体I终端刚性输出平台1-1发生X向位移后，会带动其上的测量基准14 一起运动，此时通过第一激光位移传感器13就可以精确测量出终端刚性输出平台1-1沿着X向运动位移量，将该位移量与预期的位移量进行对比，并将位移量的差值作为反馈量用于对第一压电陶瓷致动器2驱动器的输入位移修正量，从而实现整体机构运动的全闭环控制，可以保证机构实现所需的运动位移量。
[0096]需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种两自由度运动解耦柔性铰链机构，所述机构包括柔性铰链基体和驱动支链，其中柔性铰链基体包括柔性铰链支链和刚性连接件， 刚性连接件包括位于柔性铰链基体中间部分的终端刚性输出平台和分别位于柔性铰链基体上、下、左、右部分的上端、下端、左端、右端刚性平台； 所述上端、下端、左端、右端刚性平台分别通过柔性铰链支链与终端刚性输出平台连接，且上端、下端、左端、右端刚性平台分别通过柔性铰链支链与柔性铰链基体的刚性基体连接。2.根据权利要求1中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，所述柔性铰链支链包括多个相互平行布置的柔性铰链单元。3.根据权利要求2中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，所述连接终端刚性输出平台和上端、下端、左端、右端刚性平台的柔性铰链支链包括3个相互平行布置的柔性铰链单元；所述连接上端、下端、左端、右端刚性平台和柔性铰链基体的刚性基体的柔性铰链支链包括2个相互平行布置的柔性铰链单元。4.根据权利要求2中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，所述柔性铰链单元为矩形柔性铰链单元。5.根据权利要求1中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，所述驱动支链包括相互垂直方向驱动的第一驱动支链和第二驱动支链，第一驱动支链包括第一压电陶瓷致动器和第一致动器连接头，第二驱动支链包括第二压电陶瓷致动器和第二致动器连接头，其中， 第一驱动支链的第一压电陶瓷致动器通过第一致动器连接头连接至上端、下端、左端、右端刚性平台中的一个； 第二驱动支链的第二压电陶瓷致动器通过第二致动器连接头连接至与第一致动器连接头连接的刚性平台相正交方向的另一刚性平台。6.根据权利要求5中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，所述第一驱动支链还包括第一法兰盘、第一拉压力传感器和第一压紧盖，第二驱动支链还包括第二法兰盘、第二拉压力传感器和第二压紧盖，其中， 第一拉压力传感器与第一压电陶瓷致动器同轴，通过第一法兰盘连接至第一压电陶瓷致动器的尾端，第一拉压力传感器的另一端与第一压紧盖固定连接，第一压紧盖用螺栓连接至柔性铰链基体的一端； 第二拉压力传感器与第二压电陶瓷致动器同轴，通过第二法兰盘连接至第二压电陶瓷致动器的尾端，第二拉压力传感器的另一端与第二压紧盖固定连接，第二压紧盖用螺栓连接至柔性铰链基体的另一端。7.根据权利要求6中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，第一压紧盖或第二压紧盖和与之相连的柔性铰链基体的端部间具有间隙，用于通过所述螺栓对第一压电陶瓷致动器或第二压电陶瓷致动器施加轴向预紧载荷。8.根据权利要求5中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，所述两自由度运动解耦柔性铰链机构还包括位移测量系统和测量基准，所述位移测量系统包括分别测量两个正交方向上的位移的第一位移测量系统和第二位移测量系统，其中， 第一位移测量系统固定于所述柔性铰链基体的一端，包括第一位移传感器和第一安装座，所述第一位移传感器的测量方向与所述第一压电陶瓷致动器的轴线方向平行； 第二位移测量系统固定于所述柔性铰链基体的与第一位移测量系统安装端相垂直方向的一端，包括第二位移传感器和第二安装座，所述第二位移传感器的测量方向与所述第二压电陶瓷致动器的轴线方向平行； 测量基准固定连接至所述柔性铰链基体的终端刚性输出平台，具有两个端面，第一端面与第一位移传感器的测量方向垂直，第二端面与第二位移传感器的测量方向垂直。9.根据权利要求8中所述的两自由度运动解耦柔性铰链机构，其特征在于，所述位移传感器为激光位移传感器。
【专利摘要】一种两自由度运动解耦柔性铰链机构，所述机构包括柔性铰链基体和驱动支链，其中柔性铰链基体包括柔性铰链支链和刚性连接件，刚性连接件包括位于柔性铰链基体中间部分的终端刚性输出平台和分别位于柔性铰链基体上、下、左、右部分的上端、下端、左端、右端刚性平台；所述上端、下端、左端、右端刚性平台分别通过柔性铰链支链与终端刚性输出平台连接，且上端、下端、左端、右端刚性平台分别通过柔性铰链支链与柔性铰链基体的刚性基体连接。通过本发明的两自由度运动解耦柔性铰链机构可以实现终端各向运动和力之间的解耦，从而有助于提高两自由度运动解耦柔性铰链机构的运动精度。
【IPC分类】H02N2/02, F16C11/12
【公开号】CN104895913
【申请号】CN201510223680
【发明人】李铁民, 姜峣, 杜云松, 张京雷
【申请人】清华大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月4日
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