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CN1962209A - 一种三支链六自由度并联柔性铰链微动机构 - Google Patents

一种三支链六自由度并联柔性铰链微动机构 Download PDF

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荣伟彬
孙立宁
王乐锋
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Abstract

本发明提供的是一种三支链六自由度并联柔性铰链微动机构。它包括基平台、动平台、设置于基平台上的驱动单元和通过柔性铰关节分别与驱动单元和动平台连接的三个支杆，所述的驱动单元包括安装在基平台上的三个弹性平板和与弹性平板相连的压电陶瓷驱动器，基平台上的三个弹性平板一体加工，每个弹性平板上连接两个压电陶瓷驱动器，两个压电陶瓷驱动器呈直角分布。本发明的三支链六自由度并联微动结构具有结构简洁紧凑，建模方便，装配误差小，有利于保证运动精度等优点。

Description

一种三支链六自由度并联柔性铰链微动机构
(一)技术领域
本发明涉及的是一种并联机构，具体地说是一种压电陶瓷驱动含有柔性铰链的三支链六自由度并联微动机构。
(二)、背景技术
微动机器人作为微操作系统的重要组成部分，在精密机械工程、光学调整、光纤作业、超精密加工、生物工程等领域具有广阔的应用前景。随着微纳米技术的快速发展，对具有纳米级定位精度的多自由度微动机器人提出了更高的要求。并联微动机器人相对串联结构而言具有结构紧凑、刚度大、误差无累积等优点，因而获得了广泛的研究。六自由度并联微动机器人目前多采用Stewart平台或其变形的结构形式，由于传动链复杂，不仅给加工和装配带来难度，而且误差分析和标定均相当困难，因此精度难以保证，极大地影响了其实际应用范围。对于并联微动机构，在实现同样功能和性能的同时，简化结构，减小装配误差是提高性能的关键。
(三)发明内容
本发明的目的在于克服目前常规的六支链六自由度并联微动机构存在结构复杂，装配困难且装配误差大等缺点，提供一种结构简单，易于保证精度的三支链六自由度并联柔性铰链微动机构。
本发明的目的是这样实现的：它包括基平台、动平台、设置于基平台上的驱动单元和通过柔性铰关节分别与驱动单元和动平台连接的三个支杆，所述的驱动单元包括基平台上的三个可两维直线运动的弹性平板和与弹性平板相连的压电陶瓷驱动器，基平台上的三个弹性平板一体化加工，每个弹性平板上连接两个压电陶瓷驱动器，两个压电陶瓷驱动器呈直角分布。
本发明还可以包括这样一些结构特征：
1、支杆两端的柔性铰关节形式为与弹性平板之间为柔性球铰、与动平台之间为柔性旋转铰
2、支杆两端的柔性铰关节形式为与弹性平板之间为柔性旋转铰、与动平台之间为柔性球铰。
本发明的基平台为整体加工的三个二自由度直角弹性平板，六个压电陶瓷驱动器提供输入，由支杆两端的柔性球铰和柔性旋转铰传递实现动平台位置和姿态的六自由度运动。
根据Kutzbach Grubler公式计算自由度：
M = 6 ( n - g - 1 ) + Σ i = 1 g f i
其中M为机构自由度数，n为构件数，g为运动副数，fi为第i个运动副的相对自由度数，对于此微动机器人：
n = 8 , g = 9 , Σ i = 1 g f i = 18 , 所以M＝6。
把三个二自由度驱动单元集成到基平台中，既使结构更为紧凑，又避免了三个二自由度驱动单元的装配带来的误差。二自由度驱动单元采用直角弹性平板结构，结构简单，一体化加工。支杆两端的柔性铰关节形式可以采用下端为柔性球铰，上端为柔性旋转铰或者下端为柔性旋转铰而上端为柔性球铰。将驱动器全部配置在基平台上，驱动器重量不构成其它驱动器的负载，因此可以有更高的预载，更少的功率损耗。本发明的驱动元件采用压电陶瓷驱动器，具有高分辨率(纳米级)、高频响(可达几十KHz)、体积小、输出力大等优点。支杆两端采用柔性铰链代替常规运动副，一体化加工，具有无摩擦、无间隙、无需润滑等优点。因此本发明的三支链六自由度并联微动结构具有结构简洁紧凑，建模方便，装配误差小，有利于保证运动精度等优点。
(四)附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是一体化下平台结构图；
图3是直角弹性平板结构图；
图4是两端带有柔性铰链的支杆结构图
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：
结合图1，三支链六自由度并联柔性铰链微动机构的组成包括基平台5、动平台1、设置于基平台上的驱动单元和通过柔性铰关节分别与驱动单元和动平台连接的三个支杆2。同时结合图2和图3，所述的驱动单元包括安装在基平台上的三个弹性平板3和与弹性平板相连的压电陶瓷驱动器7，每个弹性平板上连接两个压电陶瓷驱动器，两个压电陶瓷驱动器呈直角分布。同时结合图4，支杆两端的柔性铰关节形式可以有两种：一种为支杆与弹性平板之间采用柔性球铰6、与动平台之间采用柔性旋转铰4，柔性球铰实现三个转动自由度，柔性旋转铰采用直圆柔性铰链实现绕单轴转动；另一种为支杆与弹性平板之间采用柔性旋转铰4、与动平台之间采用柔性球铰6，这两种连接形式均可实现六自由度运动，在逆解计算、刚度分析、动力学分析等方面有所不同。
在对并联微动机构控制时，采用了德国PZ公司PSt 150/7/7 vs12型带有位置检测的压电陶瓷。压电陶瓷驱动控制器采用哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司生产的PPC系列数字式精密定位控制器。采用德国SIOS公司的SP500型激光干涉仪测试，技术指标如表1。
表1三支链六自由度并联柔性铰链微动机构的技术指标
  运动范围   运动分辨率   重复定位精度
平动   X   5.876μm   10.1nm   0.089μm
  Y   5.735μm   10.1nm   0.067μm
  Z   1.021μm   10.8nm   0.048μm
转动   X   8.79″   0.049″   0.178″
  Y   7.18″   0.047″   0.197″
  Z   26.64″   0.052″   0.141″

Claims (3)

1、一种三支链六自由度并联柔性铰链微动机构，它包括基平台、动平台、设置于基平台上的驱动单元和通过柔性铰关节分别与驱动单元和动平台连接的三个支杆，其特征是：所述的驱动单元包括基平台上的三个可两维直线运动的弹性平板和与弹性平板相连的压电陶瓷驱动器，基平台上的三个弹性平板一体化加工，每个弹性平板上连接两个压电陶瓷驱动器，两个压电陶瓷驱动器呈直角分布。
2、根据权利要求1所述的三支链六自由度并联柔性铰链微动机构，其特征是：支杆两端的柔性铰关节形式为与弹性平板之间为柔性球铰、与动平台之间为柔性旋转铰。
3、根据权利要求1所述的三支链六自由度并联柔性铰链微动机构，其特征是：支杆两端的柔性铰关节形式为与弹性平板之间为柔性旋转铰、与动平台之间为柔性球铰。
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