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