柔性移动装置的制作方法

本发明实施例涉及柔性机械结构技术，尤其涉及一种柔性移动装置。

背景技术：

随着科技的发展，对精密机械的精度要求越来越高，其中，精密机械结构设计中，各部件之间的间隙和摩擦是影响精密机械精度的主要因素。而传统的精密机械为刚性结构，由刚性构件装配而成，当精密机械工作时，利用相互连接的刚性构件来传递力或运动，使精密机械完成工作。

由于刚性构件之间连接关系复杂，当精密机械工作时，相互连接的刚性构件之间不可避免的存在铰链间隙、摩擦问题，因此导致精密机械在运动过程中产生的运动误差较大，例如运动方向发生偏移，运动距离不准确。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种柔性移动装置，以解决精密机械中因刚性构件之间复杂的连接关系，以及因复杂的连接关系而引起的互相连接的刚性构件之间存在铰链间隙、摩擦，从而引起较大的误差的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种柔性移动装置，包括：

固定座、n个中间刚体、移动平台和n组弹性件；其中，n大于或等于2；一组弹性件包括四个弹性片；

所述n个中间刚体设置在所述固定座内；所述移动平台位于所述n个中间刚体的下方；

所述n个中间刚体分别通过所述n组弹性件与所述移动平台弹性连接；

所述中间刚体还分别通过所述n组弹性件与所述固定座弹性连接。

在一种可能的实施方式中，所述固定座中设置有n个凹槽，相邻两个凹槽之间通过凹槽壁隔开；

每个凹槽内设置有一个所述中间刚体。

在一种可能的实施方式中，其特征在于，所述n等于2。

在一种可能的实施方式中，所述移动平台的两端的上部分分别位于所述固定座的两个凹槽的开口处。

在一种可能的实施方式中，所述移动平台的两端之间开设有凹部；所述凹槽壁嵌入所述凹部中。

在一种可能的实施方式中，所述移动平台的两端的长度小于所述凹槽的开口处的长度；所述凹槽壁的厚度小于凹部开口处的长度。

在一种可能的实施方式中，所述四个弹性片一端与所述中间刚体连接，位于所述中间刚体与所述移动平台之间的最外侧两个弹性片的另一端与所述固定座连接；位于所述中间刚体与所述移动平台之间的最内侧两个弹性片的另一端与所述移动平台连接，使得所述移动平台沿所述柔性移动装置的长度方向在所述固定座的两端侧壁之间进行平移运动。

在一种可能的实施方式中，所述弹性片与竖直方向上的夹角相等；其中，夹角的范围为大于等于0度且小于90度。

在一种可能的实施方式中，所述弹性片采用对称布置。

在一种可能的实施方式中，所述弹性片与竖直方向上的夹角为10°。

本发明实施例提供一种柔性移动装置，通过弹性件将中间刚体分别与固定座、移动平台弹性连接，整个柔性移动装置为唯一部件，即不存在复杂的装配关系，可以采用一提加工的方式制作，减少连接点数量，从而减少了连接点处的间隙以及摩擦对移动平台移动方向以及移动距离的影响。在柔性移动装置使用时，固定固定座，使用推动装置推动移动平台，利用弹性片的应力作用使移动平台产生移动，使移动平台实现在行程内的直线移动，并且通过弹性片的应力作用使移动平台紧靠推动装置，无间隙存在。减小移动平台在移动过程中方向的偏移量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的柔性移动装置的整体结构示意；

图2为本发明另一实施例提供的柔性移动装置的主视图；

图3为本发明一实施例提供的柔性移动装置中弹性件与竖直方向上的夹角为0°时的主视图；

图4为图2所示实施例提供的柔性移动装置处于正常状态时组成的柔性梯形示意图；

图5本发明图2所示实施例提供的柔性移动装置受向右推力时的示意图；

图6为图5所示实施例提供的柔性移动装置中中间刚体以及移动平台旋转示意图；

图7为本发明另一实施例提供的柔性移动装置中弹性件与竖直方向上的夹角为5°时的主视图；

图8为本发明另一实施例提供的柔性移动装置中弹性件与竖直方向上的夹角为15°时的主视图；

图9为本发明另一实施例提供的柔性移动装置中弹性件与竖直方向上的夹角为20°时的主视图；

图10为本发明另一实施例提供的柔性移动装置中弹性件与竖直方向上的夹角为25°时的主视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先需要说明的是，本发明实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a,b,或c中的至少一项(个)，可以表示：a,b,c,a-b,a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c可以是单个，也可以是多个。并且，本发明实施例中所述的方位仅为附图中显示的位置关系，并不是对位置关系进行限定。

柔性机构为利用柔性铰链的运动和柔性构件的弹性变形所产生的运动，传递某种特定力或运动，最终完成既定功能的构件，具有高精度、重量轻、成本低、易于小型化等优势。因此，柔性机构的应用范围不断扩大，尤其在精密机械以及精密仪器等许多尖端领域，柔性机构得到了广泛应用。本发明实施例利用柔性机构的上述特点，设计了一种柔性移动装置。

图1为本发明一实施例提供的柔性移动装置的整体结构示意。如图1所示，该柔性移动装置包括：固定座10、n组弹性件20、n个中间刚体30以及移动平台40。其中，n大于或等于2，一组弹性件20包括四个弹性片。

n个中间刚体30设置在固定座10内；移动平台40位于中间刚体30的下方；

n个中间刚体30分别通过n组弹性件20与移动平台40弹性连接；

n个中间刚体30还通过n组弹性件20与固定座10弹性连接。

本实施例中，中间刚体30的数目为至少两个，每个中间刚体30对应一组弹性件20。每个中间刚体30可通过一组弹性件20与移动平台40弹性连接，也可通过该组弹性件20与固定座10弹性连接。其中，图1所示的本实施例中，柔性移动装置设置有两个中间刚体30，其中每个中间刚体30通过一组弹性件20与移动平台40以及固定座10弹性连接，需要说明的是，本实施例中的每组弹性件由至少两个具有弹性性能的连接部件组成，其中，图1中示出了每组弹性件中包含四个具有弹性性能的连接部件的情况。

中间刚体30与移动平台40平行，且中间刚体30位于移动平台40的正上方，移动平台40沿与该柔性移动装置平行的方向移动。当移动平台40受到方向与中间刚体30平行方向相同的推动力时，弹性件20发生弹性形变，使得移动平台40沿与中间刚体30平行的方向平移。

本实施例，通过弹性件将中间刚体分别与固定座、移动平台弹性连接，整个柔性移动装置为唯一部件，即不存在复杂的装配关系，可以采用一提加工的方式制作，减少连接点数量，从而减少了连接点处的间隙以及摩擦对移动平台移动方向以及移动距离的影响。在柔性移动装置使用时，固定固定座，使用推动装置推动移动平台，利用弹性片的应力作用使移动平台产生移动，使移动平台实现在行程内的直线移动，并且通过弹性片的应力作用使移动平台紧靠推动装置，无间隙存在。减小移动平台在移动过程中方向的偏移量。

可选的，固定座10中设置有n个凹槽，相邻两个凹槽之间通过凹槽壁隔开；

每个凹槽内设置有一个所述中间刚体30。

可选的，n等于2。

图2为本发明另一实施例提供的柔性移动装置的主视图。可选的，如图2所示，在图1所示实施例的基础上，固定座10中设置有两个凹槽11、12，两个凹槽之间通过凹槽壁13隔开；

两个凹槽11、12内分别设置有一个中间刚体30。

其中，中间刚体30包括中间刚体3a和中间刚体3b，中间刚体3a位于凹槽11内，中间刚体3b位于凹槽12内。

将中间刚体30设置在固定座10的两个凹槽11、12中，可以防止其他部件触碰到中间刚体30，从而避免中间刚体30位置发生变化引起的移动平台40移动时方向发生偏移或移动距离不准确的问题。

可选的，仍然参照图2，移动平台40的两端的上部分分别位于固定座10的两个凹槽11、12的开口处。

可选的，仍然参照图2，移动平台40的两端之间开设有凹部41；凹槽壁13嵌入凹部41中。

可选的，移动平台40的两端的长度小于凹槽11和凹槽12的开口处的长度，凹槽壁13的厚度小于凹部41开口处的长度。

可选的，弹性件20包括四个弹性片，四个弹性片的一端与中间刚体30连接，位于中间刚体30与移动平台40之间的最外侧两个弹性片的另一端与固定座10连接；位于中间刚体30与移动平台40之间的最内侧两个弹性件20的另一端与移动平台40连接，使得移动平台40沿柔性移动装置的长度方向在固定座10的两端侧壁之间进行平移运动。优选的，弹性片例如可以是柔性簧片。

具体的，如图2所示，与中间刚体3a连接的弹性件20包括弹性片2a、弹性片2b、弹性片2c、弹性片2d、与中间刚体3b连接的弹性件20包括弹性片2e、弹性片2f、弹性片2g以及弹性片2h。以中间刚体3a为例进行说明，中间刚体3a通过弹性片2a和弹性片2d与固定座10弹性连接，通过弹性片2b、弹性片2c与移动平台40弹性连接，使得移动平台40沿柔性移动装置的长度方向(即与中间刚体3a平行的方向)在固定座10的两端侧壁之间进行平移运动。

本实施例中，分别通过两个弹性件将中间刚体与移动平台、固定座弹性连接，增加了柔性移动装置的稳定性，从而可以减小移动平台平移时方向偏移量以及提高平移距离的准确性。

可选的，仍然参照图2，弹性件20与竖直方向上的夹角相等；其中，夹角的范围为大于等于0度且小于90度。

具体的，弹性片2a、弹性片2b、弹性片2c、弹性片2d、弹性片2e、弹性片2f、弹性片2g以及弹性片2h与竖直方向的夹角相等，其夹角可在0°-90°内变化。其中，图2中示出的是弹性片2a、弹性片2b、弹性片2c、弹性片2d、弹性片2e、弹性片2f、弹性片2g以及弹性片2h与竖直方向上的夹角为锐角时的情况，图3示出的是弹性片2a、弹性片2b、弹性片2c、弹性片2d、弹性片2e、弹性片2f、弹性片2g以及弹性片2h与竖直方向上的夹角为0°时的情况。

本实施例，通过改变弹性片与竖直方向上的夹角的大小，可改变移动平台的移动距离，从而可以满足不同需求。

可选的，仍然参照图2，且在图2所示的上述各实施例的基础上，弹性件20采用对称布置。

具体的，以与中间刚体3a弹性连接的弹性片2a、弹性片2b、弹性片2c、弹性片2d为例对对称布置进行说明。如图2所示，弹性片2a与弹性片2d对称，弹性片2b与弹性片2c对称。其中，如图4所示，弹性片2a、弹性片2d、固定座10、中间刚体3a与移动平台40组合为柔性梯形abcd，弹性片2b、弹性片2c、中间刚体3a与移动平台40组合为柔性梯形efgh。

图5为本发明图2所示实施例提供的柔性移动装置受向右推力时的示意图。如图5所示，当移动平台40受向右推力时，弹性片2a、弹性片2b、弹性片2c、弹性片2d发生弹性形变，从而使中间刚体3a做逆时针旋转，移动平台40向柔性移动装置的右端移动。如果移动平台40下方没有其他装置，例如，柔性移动装置悬空，则当移动平台40受到向右的推力时，移动平台40将与中间刚体3a平行。然而，实际上，由于移动平台40下方有支撑装置，例如，移动平台40位于地面上，因此，相对于移动平台40下方没有其他装置时，移动平台40的位置，此时，移动平台40可以认为做了顺时针旋转。具体的，

图6为图5所示实施例提供的柔性移动装置中中间刚体以及移动平台旋转示意图。如图6所示，移动平台40受向右推力时，柔性梯形abcd的边ac(弹性片2a)和bd(弹性片2d)发生弹性形变，边ab(中间刚体3a)以o1为圆心做逆时针旋转，旋转角度为θ1。类似的，柔性梯形efgh的边eg(弹性片2b)和fh(弹性片2c)发生弹性形变，边ef(中间刚体3a)以o2为圆心做逆时针旋转，旋转角度为θ1，如果移动平台40下方没有其他装置，则边gh(移动平台40)做顺时针旋转，旋转角度为θ2。此时，由于弹性片2a、弹性片2b、弹性片2c、弹性片2d为对称布置的四杆机构，因此，中间刚体3a旋转的角度与移动平台40的旋转角度相等，即θ1＝θ2，使得移动平台40的向右做直线运动，从而实现了一维移动的功能，并且减小该柔性移动装置在移动时的偏移，减小移动误差，使移动的距离更精确。

可选的，弹性片2a、弹性片2b、弹性片2c、弹性片2d、弹性片2e、弹性片2f、弹性片2g以及弹性片2h与竖直方向上的夹角为10°。

当中间刚体30与移动平台40之间的距离一定时，弹性片2a、弹性片2b、弹性片2c、弹性片2d、弹性片2e、弹性片2f、弹性片2g以及弹性片2h与竖直方向上的夹角不同使得柔性移动装置的性能不同。柔性移动装置的性能通过运动刚度、移动平台40的最大移动距离以及动态性能三个指标综合评价。

其中，运动刚度定义为受力与形变的比值，本发明实施例中柔性移动装置的运动刚度可以通过公式1表示：

k表示柔性移动装置的运动刚度，k1表示中间刚体20受力后的运动刚度、k2表示移动平台40受力后的运动刚度，其中，e，i与弹性件20的材料的属性有关。如图4所示，h1表示移动平台40与中间刚体20旋转圆心o1之间的距离，h2表示中间刚体20与移动平台40旋转圆心o2之间的距离，h1和h2与弹性件20与竖直方向上的夹角或有关。ht表示中间刚体30与移动平台40之间的距离。

移动平台40的最大移动距离为移动平台40可在固定座10的两端侧壁之间平移运动的最大距离，其中，在上述一些实施例中，若移动平台40的两端的长度小于凹槽11、12的开口处的长度，则移动平台40的两端的长度与凹槽11或凹槽12的开口处的长度之差大于或等于移动平台40的最大移动距离。凹槽壁13的厚度小于凹部41开口处的长度，则凹槽壁13的厚度与凹部41开口处的长度之差大于或等于移动平台40的最大移动距离。

本发明实施例中，柔性移动装置中移动平台40的最大移动距离可通过公式2计算得到，公式2的表达式可以为：

其中，s表示移动平台40的最大移动距离，e为材料的杨氏模量，[σ]为材料的许用应力，t表示弹性件20的厚度。如图4所示，h1表示移动平台40与中间刚体20旋转圆心o1之间的距离，h2表示中间刚体20与移动平台40旋转圆心o2之间的距离，h1和h2与弹性件20与竖直方向上的夹角或有关。ht表示中间刚体30与移动平台40之间的距离。

本发明实施例中，柔性移动装置的动态性能为移动平台40沿柔性移动装置的长度方向在固定座10的两端侧壁之间进行平移运动，而移动平台40平移时方向不发生偏移的性能。各阶固有频率和柔性移动装置的自身相关，在本发明实施例中，当移动平台40沿柔性移动装置的长度方向在固定座10的两端侧壁之间进行平移运动时，由于移动平台40具有多阶振型除一阶固有频率外的二阶及以上固有频率越大，说明该柔性移动装置的移动平台40在在固定座10的两端侧壁之间进行平移时，其他方向的运动越不明显，即该柔性移动装置的动态性能越好。本发明能有效的降低除一阶固有频率外的二阶及以上固有频率，尤其表现为二阶模态为转动并非移动。通过仿真系统，如图7-图10所示，保持中间刚体30与移动平台40之间的距离固定，改变弹性件20与竖直方向的夹角，获得柔性移动装置的动态性能。其中，动态性能通过该柔性移动装置的二阶固有频率表示。通过仿真可知，该柔性移动装置的二阶固有频率对应的振型为转动，且随着角度的增大，二阶固有频率的值也增大。

综合考虑上述三个指标，通过分析柔性移动装置的运动刚度计算公式(例如公式1)可知，柔性移动装置的运动刚度取决于移动平台40与中间刚体20旋转圆心o1之间的距离，以及中间刚体20与移动平台40旋转圆心o2之间的距离之和，若中间刚体30和移动平台40之间的距离一定时，增大弹性件20与竖直方向的夹角，则移动平台40与中间刚体20旋转圆心o1之间的距离，以及中间刚体20与移动平台40旋转圆心o2之间的距离之和减小，此时，柔性移动装置的运动刚度越大。同时，通过分析柔性移动装置中移动平台40的最大移动距离的计算公式(公式2)可知，弹性件20与竖直方向的夹角增大时，移动平台40的最大移动距离将减小。

因此，当弹性件20与竖直方向的夹角越大时，柔性移动装置的运动刚度越好，并且动态性能也越好，但夹角过大时移动平台40的最大移动距离将减小，综合考虑其性能，选取高动态性能的柔性移动单元的簧片与竖直方向夹角为10°。

在此需要说明的是，本发明各实施例中所示的柔性移动装置的整体大小可根据实际需求进行等比例缩放。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。