CN116292811A - 超精密执行系统及多维运动集成平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超精密执行系统及多维运动集成平台，包括：驱动机构，提供驱动力；传动机构，具有第一壳体、布置在所述第一壳体内部的活塞体，所述活塞体与所述第一壳体之间形成第一流体空间；执行机构，具有第二壳体、在所述第二壳体内部的执行体，所述执行体与所述第二壳体之间形成第二流体空间，第二流体空间连通第一流体空间，所述驱动机构能够驱使所述活塞体在所述第一壳体内部滑动进而使得所述第一流体空间内部的空间改变进而驱使执行体在第二壳体的内部滑动实现不同的运动位移。本发明具有驱动速度可调，精度高、不易受振动干扰等优势，且能够实现大负载驱动。

Description

超精密执行系统及多维运动集成平台

技术领域

本发明涉及精密微位移技术领域，具体地，涉及一种超精密执行系统及多维运动集成平台。

背景技术

近年来，工业机器人因其结构简单、加工性能稳定、工作空间大、低成本等优点，已广泛应用于装配、焊接、打磨、抛光以及工件的上下料等场合。然而由于工业机器人串联开环的结构形式，致使其绝对定位精度较差，通常大于±1mm。因此，为使机器人能够应用于精密加工制造领域，必须增加其精密度，在铣削、钻孔等切削受力较大的场合，工件加工精度往往无法得到保证，使得工业机器人在高精度加工中的应用受到限制。

现有技术中采用电机丝杠常规驱动方式实现超精密驱动，丝杠间隙始终伴随，传动间隙带来的运动不确定性使得位移移动精度不够，往往造成速度慢，精度低、易受振动干扰等缺点，且在面对大负载驱动时也存在其缺陷。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超精密执行系统及多维运动集成平台。

根据本发明提供的一种超精密执行系统，包括：

驱动机构，提供驱动力；

传动机构，具有第一壳体、布置在所述第一壳体内部的活塞体，所述活塞体与所述第一壳体之间形成第一流体空间，所述第一流体空间用于容纳流体；

执行机构，具有第二壳体、部分或全部布置在所述第二壳体内部的执行体，所述执行体与所述第二壳体之间形成第二流体空间，所述第二流体空间连通所述第一流体空间，所述驱动机构能够驱使所述活塞体在所述第一壳体内部滑动进而使得所述第一流体空间内部的空间改变使得流体从第一流体空间流入第二流体空间或流体从第二流体空间抽入到所述第一流体空间中进而驱使执行体在第二壳体的内部滑动，其中，所述第一流体空间与第二流体空间的横截面积不同使得活塞体和执行体具有不同的运动位移。

优选地，所述执行体的运动为平动和/或转动。

优选地，一个所述驱动机构和一个所述传动机构形成一套动力组，系统被配置为多套所述动力组且多套所述动力组中的所述第一流体空间的横截面积均不同，其中，所述第二流体空间的横截面积的大小在横截面积最大的第一流体空间和横截面积最小的第一流体空间之间。

优选地，一个所述驱动机构和一个所述传动机构形成一套动力组，系统被配置为所述动力组连接多个执行机构，一个所述动力组通过阀门切换能够连接任一个所述执行机构，其中，多个所述执行机构中所述第二流体空间的横截面积全部不同、部分相同或全部相同。

优选地，一个所述驱动机构和一个所述传动机构形成一套动力组，系统被配置为多个所述动力组连接一个执行机构，其中，所述执行机构中的第二流体空间的横截面积均大于第一流体空间的横截面积。

优选地，所述活塞体为磁性无活塞杆活塞体，所述驱动机构依靠磁力驱动所述活塞体运动。

优选地，所述驱动机构采用如下任一种形式：

电机丝杠组件；

电机连杆曲柄组件；

音圈电机；

齿轮齿条组件；

凸轮组件；

直线电机；

液压泵组件。

优选地，所述流体为液体、气体或纳米球体。

根据本发明提供的一种多维运动集成平台，包括所述的超精密执行系统，具有多个执行机构，多个所述执行机构通过一套动力组驱动或者通过相匹配的多个动力组驱动以实现所述多个执行机构相配合的功能执行，其中，一套所述动力组包括一个驱动机构和一个传动机构。

优选地，还包括控制系统，所述控制系统分别与驱动机构、系统所具有的阀门控制连接。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过采用电机和负压系统组合集成系统实现了超精密驱动，解决了现有技术中丝杠驱动有间隙、传动间隙带来的运动不确定性使得位移移动精度不够的问题，具有驱动速度可调，精度高、不易受振动干扰等优势，且能够实现大负载驱动。

2、本发明能够实现粗调和细调相结合的位移驱动调节，实现了快慢速复合液压传动驱动，无噪声，静压力驱动，实现了轻质量小惯性灵巧快速的运动效果。

3、本发明无减速器，动力系统空间任意布置，软导管连接两个容纳空间使得布置位置灵活，增加了产品的通用性。

4、本发明基于速度控制，速度和时间乘积的线性位移位姿控制，平转动任意组合的驱动系统构建模式，

5、本发明无振动直接干扰或者振动直接干扰小，能够实现微纳米分辨率驱动性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图，其中，采用电机丝杠的驱动结构，执行体为平动，第一容纳空间的横截面积大于第二容纳空间的横截面积；

图2为的结构示意图，其中，采用电机丝杠的驱动结构，执行体为平动，第一容纳空间的横截面积小于第二容纳空间的横截面积；

图3为本发明的结构示意图，其中，采用电机丝杠的驱动结构，执行体为转动，第一容纳空间的横截面积小于第二容纳空间的横截面积；

图4为的结构示意图，其中，采用电机丝杠的驱动结构，执行体为转动，第一容纳空间的横截面积大于第二容纳空间的横截面积；

图5为采用两套动力组和一个执行机构时的结构示意图，其中，执行体为平动；

图6为采用两套动力组和一个执行机构时的结构示意图，其中，执行体为转动；

图7为采用一套动力组和一个执行机构时的结构示意图，其中，执行体为平动，活塞体的两端均为第一容纳空间并通过两个第一容纳空间从执行体的两端同步驱动；

图8为采用一套动力组和多个执行机构时的结构示意图，其中，执行体为平动；

图9为采用多套动力组驱动一个执行机构时的结构示意图，其中，执行体为平动或转动；

图10为驱动机构采用音圈电机驱动时的结构示意图，其中，执行体为平动；

图11为采用两套动力组和一个执行机构时的结构示意图，其中，执行体为平动，两套动力组同步动作且动作方向相反，驱动机构采用音圈电机；

图12为采用一套动力组和多个执行机构时的结构示意图，其中，执行体为平动，驱动机构采用音圈电机；

图13为多维运动集成平台为6维平台时的结构示意图；

图14为多维运动集成平台为机器人关节手臂时的结构示意图。

图中示出：

驱动机构1

传动机构2

第一壳体21

活塞体22

第一流体空间23

执行机构3

第二壳体31

执行体32

第二流体空间33

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

针对现有的电机丝杠在实现超精密驱动具有精度低、易受振动干扰等缺点，本发明提供了一种超精密执行系统，将电机丝杠驱动与流体放大或缩小巧妙结合的方式解决上述缺陷，且产生了实现大负载驱动等意想不到的效果，如图1所示，包括驱动机构1、传动机构2以及执行机构3，驱动机构1为执行机构3的执行提供驱动力；传动机构2具有第一壳体21、布置在第一壳体21内部的活塞体22，活塞体22与第一壳体21之间形成第一流体空间23，第一流体空间23用于容纳流体，其中，流体优选为液体、气体或纳米球体等，当采用纳米球体时，系统受外界温度影响小。

具体地，执行机构3具有第二壳体31以及执行体32，执行体32的部分或全部布置在第二壳体31内部，执行体32与第二壳体31之间形成第二流体空间33，第一流体空间23、第二流体空间33均为密闭空间，第二流体空间33连通第一流体空间23，驱动机构1能够驱使活塞体22在第一壳体21内部滑动进而使得第一流体空间23内部的空间改变，如图1所示，当第一流体空间23变小时第一流体空间23压力变大使得流体流入第二流体空间33中，此时第二流体空间33变大从而推动执行体32向右运动；当第一流体空间23空间变大时内部压力变小，在外部大气压的作用下推动执行体32向左运动进而使得第二流体空间33体积变小，从而使得第二流体空间33中的流体被抽入到第一流体空间23中，因此驱动机构1驱使活塞体22运动最终实现了执行体32向左或向右的运动，执行体32的运动完成了相应的执行功能。

在实际应用中，第一流体空间23与第二流体空间33的横截面积可以设置为不同，可使得活塞体22和执行体32具有不同的运动位移或驱动力，实现不同目的驱动的需求。如图1所示，第一流体空间23的横截面积小于第二流体空间33的横截面积，即a<A，a表示第一流体空间23的横截面积，A表示第二流体空间33的横截面积，此时，驱动机构1驱使活塞体22运动时，活塞体22产生一个位移，则执行体32会产生一个更小的位移，进而能够实现将电机丝杠的位移按比例缩小的效果，实现目标级精密位移驱动的效果。如图2所示，第一流体空间23的横截面积大于第二流体空间33的横截面积，即a>A，此时，驱动机构1驱使活塞体22运动时，活塞体22产生一个位移，则执行体32会产生一个更大的位移，进而能够实现将电机丝杠的位移按比例放大的效果，同时，执行体32的移动速度也会变大，实现目标级速度和位移放大驱动的效果。本发明中通过将电机丝杠的驱动转变为用两个不同横截面积的腔体流体驱动的方式，将电机丝杠中传动间隙大、有窜动、有振动等缺陷转变为间隙小、窜动小、振动小等更加稳定的驱动系统，大大提升了系统的精密度和稳定性。

需要说明的是，为了空间布置不受限制，第一流体空间23与第二流体空间33之间通过可形变的软管连接，有利于执行机构和传动机构空间布置，增加产品的通用性。

具体地，执行体32的运动除了上述平动外，还可以实现执行体32转动驱动的执行，如图3所示，能够实现将电机丝杠的位移按比例缩小的效果；如图4所示，能够实现将电机丝杠的位移按比例放大的效果，在设计时可根据具体的应用场景灵活设定以满足实际产品的需求。

具体地，驱动机构1优选采用电机丝杠组件驱动，电机丝杠组件包括电机11、丝杆12以及螺母块13，螺母块13套装在丝杆12上并与丝杠12螺纹配合，当电机11驱动丝杠12转动时能够驱使螺母块13沿丝杠12的轴向方向运动，螺母块13与活塞体22磁力驱动连接，因此，当螺母块13运动时能够带动活塞体22同步运动，至于螺母块13与活塞体22磁力驱动连接属于现有技术，属于磁性无活塞杆技术，例如：磁性无活塞杆气缸，《制造技术与机床》，43页～44页，廖远谋，1991年，中公开的磁性无活塞杆的技术。除此之外，驱动机构还可以采用电机连杆曲柄组件的驱动方式，电机带动曲柄绕固定点转动进而能够通过连杆驱动固定块运动进而能够磁性驱动活塞体22运动进而实现对活塞体22的驱动。本发明中的驱动机构1还可采用音圈电机实现，又可采用齿轮齿条组件、凸轮组件、直线电机、液压泵组件、相变材料膨胀驱动组件实现，具体应根据实际的应用场景灵活选择。

具体地，一个驱动机构1和一个传动机构2形成一套动力组，在实际应用中，系统可被配置为多种形式，例如，系统可配置为多套动力组且多套动力组中的第一流体空间23的横截面积均不同，其中，第二流体空间33的横截面积的大小在横截面积最大的第一流体空间23和横截面积最小的第一流体空间23之间，可实现对执行体32运动位移精度粗调和细调的效果；再例如，一个动力组连接多个执行机构3，一个动力组通过多个阀门切换能够连接任一个执行机构3，可实现多个执行机构3中任一个或任多个的调节，可应用于复杂结构的姿态调整等，在实际应用中，多个执行机构3中第二流体空间33的横截面积可根据实际应用场景进行不同的设置，可设计为全部不同、部分相同或全部相同，以满足实际产品的多元化功能需求。还例如，多个动力组连接一个执行机构3，其中，执行机构3中的第二流体空间33的横截面积均大于第一流体空间23的横截面积，该设计可实现执行体32大推力的效果。

本发明还提供了一种多维运动集成平台，包括超精密执行系统，具有多个执行机构3，多个执行机构3通过一套动力组驱动或者通过相匹配的多个动力组驱动以实现多个执行机构3相配合的功能执行，其中，一套动力组包括一个驱动机构1和一个传动机构2，具体地，多维运动集成平台可以应用于多种产品，例如机器人的关节，再例如各种应用平台等。

进一步地，多维运动集成平台还包括控制系统，控制系统分别与驱动机构1、系统所具有的阀门控制连接，控制系统作为整个平台的大脑，接收各个传感器采集到的数据，并控制阀门、驱动机构动作等，以实现平台动作位姿的调整。

实施例2：

本实施例为实施例1的一个变化例。

本实施例中，如图5所示，在一个执行机构3的两侧均设置有一套动力组，该中布置方式在驱动时，执行机构3两侧的驱动机构1同步驱使传动机构2动作，使得执行体32受到的驱动力更大，能够实现大负载、稳定驱动的效果。

本实施例不仅适用于平动的执行体32的驱动，还可应用于转动的情景，如图6所示。

实施例3：

本实施例为实施例1的另一个变化例。

本实施例中，与实施例2不同的是，省略了一套动力组，将第一壳体21内活塞体22两侧的空间均设置为密封空间并均填充流体，如图7所示，并分别与执行体32两侧的密封空间分别相连，使得活塞体22向右或向左运动时通过两侧流体体积的变化能够驱使执行体32向左或向右运动，使得执行体32运动的稳定性更好。本实施例正反向全部为电机液压组合驱动，实现了对电机丝杠小摩擦、无振动，可实现实时位置锁定，快速灵敏，低惯性，无金属系统，可应用于平动、转动、多杆并行操控，还可实现夹钳等多种运动模式的基础驱动操作。

实施例4：

本实施例为实施例1的再一个变化例。

本实施例中，本实施例采用音圈电机进行驱动，音圈电机本身具有结构简单体积小、高速、高加速、响应快等特性，如图10所示，再配合本发明中的传动机构2、执行机构3使得整个系统更加稳定、精密、反应迅速。

本实施例中，可对采用音圈电机驱动的结构进行变换增强其稳定性，如图11所示。还可将系统设置为如图12的结构形式，可实现一个动力组控制多个执行体32动作执行的需求。

需要注意的是，音圈电机驱动时需要通过第一流体空间23与第二流体空间33之间设置的阀门控制执行体32的运动位置的定位。

实施例5：

本实施例为实施例1的一个优选例。

本实施例中，如图8所示，一个动力组同时连接有多个执行机构3，多个执行机构3并联布置，通过控制阀4的开合控制动力组与哪一个执行机构3相连，其中，执行机构3的数量为i个，执行机构3的横截面积分别为A₁A₂,A₃,…,A_i，其中，a>A_i，因此，在操作时，根据执行体32的功能需求，选择打开某一个控制阀4，以实现某一个执行机构3中执行体32驱动动作，本实施例可使得执行体32的运动的位移或速度放大，实现稳定精密的动作效果。

本实施例还提供了一种六维运动集成平台，包括超精密执行系统，具有六个执行机构3，六个执行机构3通过一套动力组驱动，实现平台位姿的调整，如图13所示，六个执行机构3分别对应平台六个支腿，支腿的伸长和缩短依靠执行体32推动流体运动实现，最终可以实现平台整体位姿的调整。

实施例6：

本实施例为实施例1的另一个优选例。

本实施例中，动力组的数量为i个，每个动力组均通过控制阀4连接同一个执行机构，且部分第一容纳空间23的横截面积a>A，部分第一容纳空间23的横截面积a<A，如图9所示，该中设置可对执行体32的运动位移可精确定位，例如先采用第一容纳空间23横截面积大的动力组对执行体32进行粗定位，而后再采用第一容纳空间23横截面积小的动力组对执行体32进行细调以达到精确定位的目的。本实施例可应用于平动或转动的情景。

实施例7：

本实施例为实施例1的又一个优选例。

本实施例还提供了一种多维运动集成平台，包括超精密执行系统，具有多个执行机构3，具体为一种机器人的关节手臂，多个执行机构3通过一套动力组驱动，实现关节转动进而实现整体手臂位姿的调整，如图14所示，多个执行机构3分别对应手臂的每个关节，关节的往复转动依靠流体推动或抽吸执行体32转动实现，最终可以实现手臂整体位姿的调整。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种超精密执行系统，其特征在于，包括：

驱动机构(1)，提供驱动力；

传动机构(2)，具有第一壳体(21)、布置在所述第一壳体(21)内部的活塞体(22)，所述活塞体(22)与所述第一壳体(21)之间形成第一流体空间(23)，所述第一流体空间(23)用于容纳流体；

执行机构(3)，具有第二壳体(31)、部分或全部布置在所述第二壳体(31)内部的执行体(32)，所述执行体(32)与所述第二壳体(31)之间形成第二流体空间(33)，所述第二流体空间(33)连通所述第一流体空间(23)，所述驱动机构(1)能够驱使所述活塞体(22)在所述第一壳体(21)内部滑动进而使得所述第一流体空间(23)内部的空间改变使得流体从第一流体空间(23)流入第二流体空间(33)或流体从第二流体空间(33)抽入到所述第一流体空间(23)中进而驱使执行体(32)在第二壳体(31)的内部滑动，其中，所述第一流体空间(23)与第二流体空间(33)的横截面积不同使得活塞体(22)和执行体(32)具有不同的运动位移。

2.根据权利要求1所述的超精密执行系统，其特征在于，所述执行体(32)的运动为平动和/或转动。

3.根据权利要求1所述的超精密执行系统，其特征在于，一个所述驱动机构(1)和一个所述传动机构(2)形成一套动力组，系统被配置为多套所述动力组且多套所述动力组中的所述第一流体空间(23)的横截面积均不同，其中，所述第二流体空间(33)的横截面积的大小在横截面积最大的第一流体空间(23)和横截面积最小的第一流体空间(23)之间。

4.根据权利要求1所述的超精密执行系统，其特征在于，一个所述驱动机构(1)和一个所述传动机构(2)形成一套动力组，系统被配置为所述动力组连接多个执行机构(3)，一个所述动力组通过阀门切换能够连接任一个所述执行机构(3)，其中，多个所述执行机构(3)中所述第二流体空间(33)的横截面积全部不同、部分相同或全部相同。

5.根据权利要求1所述的超精密执行系统，其特征在于，一个所述驱动机构(1)和一个所述传动机构(2)形成一套动力组，系统被配置为多个所述动力组连接一个执行机构(3)。

6.根据权利要求1所述的超精密执行系统，其特征在于，所述活塞体(22)为磁性无活塞杆活塞体(22)，所述驱动机构(1)依靠磁力驱动所述活塞体(22)运动。

7.根据权利要求1所述的超精密执行系统，其特征在于，所述驱动机构(1)采用如下任一种形式：

电机丝杠组件；

电机连杆曲柄组件；

音圈电机；

齿轮齿条组件；

凸轮组件；

直线电机；

液压泵组件；

相变材料膨胀驱动组件。

8.根据权利要求1所述的超精密执行系统，其特征在于，所述流体为液体、气体或纳米球体。

9.一种多维运动集成平台，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的超精密执行系统，具有多个执行机构(3)，多个所述执行机构(3)通过一套动力组驱动或者通过相匹配的多个动力组驱动以实现所述多个执行机构(3)相配合的功能执行，其中，一套所述动力组包括一个驱动机构(1)和一个传动机构(2)。

10.根据权利要求9所述的多维运动集成平台，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统分别与驱动机构(1)、系统所具有的阀门控制连接。

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