本发明涉及xyθz三自由度作动技术领域，具体涉及一种压电-电磁混合驱动的xyθz三自由度柔性作动器及其作动方法。
背景技术：
近年来，随着微纳米定位技术、微机电系统技术(mems)和航天通讯技术等高新技术的迅速发展，多自由度微位移定位平台在天文望远镜、图像稳定控制以及卫星成像等方面成为不可或缺的部件。目前情况下，已有的xyθz三自由度压电型驱动机构虽然重量轻、响应快和作动精度高，但由于线位移作动行程小，驱动电压高，限制了其应用范围。而由于其应用环境的特殊性，往往还要求作动机构在低驱动电压下具有较大的平动位移和一定范围的角位移。
音圈电机具有结构简单、体积小、高精度、力控制精确、急速响应、寿命长以及驱动行程大等卓越特性。因此音圈电机也被广泛应用于精密作动领域中。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种压电-电磁混合驱动的xyθz三自由度柔性作动器及方法，该作动器基于压电和电磁混合驱动，结合了压电和音圈电机各自的优点，在具有体积小、响应快、高的位移分辨率等特点的同时，还能在低电压下实现较大的xy平动位移和满足应用需求的绕z轴角位移；并且驱动构件可一体化加工而成，避免了多个驱动构件安装带来的不可控误差，可实现xyθz三自由度高精度独立调节。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种压电-电磁混合驱动的xyθz三自由度柔性作动器，包括上平台1和底座2；所述上平台1包括四个两两开口相对的u形移动块3、与u形移动块3的内部通过h形柔性铰链12连接的动平台4、与动平台4之间通过柔性铰链连接的居中设置的变截面梁5以及与u形移动块3的外部通过双平行板柔性铰链13连接的分设在四个角部的固定体11，位于变截面梁5两端异侧的动平台4上开有凹槽，凹槽内设置有带预压力的第一压电堆9和第二压电堆10；所述底座2的四角设置有四个支撑体2-1，相邻边设置有固定基座2-2；所述变截面梁5包括位于中心的输出质量块5-1以及分别与输出质量块5-1两端通过直圆柔性铰链连接的第一偏转梁5-2和第二偏转梁5-3；还包括设置在位于上平台1相邻侧面的连接块7与底座2的固定基座2-2之间的第一音圈电机6和第二音圈电机8；所述第一音圈电机6包括第一磁缸6-2和置于第一磁缸6-2内的第一线圈6-1；所述第二音圈电机8与第一音圈电机6组成和规格均相同；所述的输出质量块5-1的上表面粘接控制目标，用于实现目标物的xyθz三自由度作动调节。
所述的第一音圈电机6和第二音圈电机8的线圈位移输出端和磁缸底部均通过螺钉分别与连接块7和位于底座2上的固定基座2-2固定连接；所述带预压力的第一压电堆9和第二压电堆(10)安装在上平台1内，一端嵌入动平台4的凹槽内，另一端分别安装在通过柔性铰链与第一偏转梁5-2和第二偏转梁5-3连接的凹槽内；所述分设在上平台1四个角部的固定体11分别于底座2设置的四个支撑体2-1通过螺钉固定连接。
所述的上平台1和底座2均分别采用精密慢走丝线切割工艺一体化加工。
上述所述的一种压电-电磁混合驱动的xyθz三自由度柔性作动器的作动方法：
当对第一音圈电机6输入控制电信号时，第一音圈电机6中的第一线圈6-1沿x轴正方向运动，同时对u形移动块3产生一个推力；通过克服相应双平行板柔性铰链13和h形柔性铰链12的弹性力，实现动平台4沿x轴正方向输出位移；从而带动输出质量块5-1沿x轴正方向产生一个线位移；反之，当对第一音圈电机6输入相反的控制电信号时，第一音圈电机6中的第一线圈6-1沿x轴负方向运动，同时对u形移动块3产生一个拉力；从而实现输出质量块5-1沿x轴负方向产生一个线位移；
基于与x轴方向相同的作动方法，通过第二音圈电机8能够实现输出质量块5-1沿y轴方向产生双向输出位移；
当安装在上平台1内的带预压力的第一压电堆9和第二压电堆10在一对大小相等方向相同的电压作用下，基于压电材料的逆压电效应，压电堆产生大小相等方向相反的一对输出力和位移，分别通过柔性铰链推动相连的第一偏转梁5-2和第二偏转梁5-3沿伸长方向产生偏转，进而通过柔性铰链驱动位于中间的输出质量块5-1产生绕z轴角位移。
所述x轴和y轴方向上的线位移作动调节，以及绕z轴方向上的角位移作动调节均为独立驱动；双平行板柔性铰链13和h形柔性铰链12的设计不仅作为弹性约束元件提供了相应自由度的移动副，也使得动平台4沿x轴和y轴方向上的运动解耦，避免了附加位移的产生；且由于动平台4与变截面梁5的嵌套式设计，使得输出质量块5-1沿x、y轴线位移输出与绕z轴角位移输出独立；整个作动器无机械摩擦，能够实现目标物的xyθz三自由度高精度独立调节。
本发明与现有技术相比较，具有如下优点：
1)本发明采用压电和电磁混合作动，具有体积小、响应快、高的位移分辨率等特点的同时，还能在低电压下实现较大的xy平动位移和满足应用需求的绕z轴角位移，从而具有功耗小、行程大等特点。
2)本发明的上平台驱动构件可一体化加工而成，避免了多个驱动构件安装带来的不可控误差，可实现xyθz三自由度高精度独立调节。
3)本发明采用的柔性铰链利用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；且双平行板柔性铰链和h形柔性铰链的设计不仅作为弹性约束元件提供了相应自由度的移动副，也使得运动解耦，使机构具有高位移分辨率、高精度等特点。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图。
图2为上平台结构俯视图。
图3为部分结构构件示意图，其中图3a为底座结构示意图，图3b为变截面梁结构示意图，图3c为音圈电机结构示意图。
图4为本发明沿x轴直线位移驱动原理示意图。
图5为本发明绕z轴角位移驱动原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1，图2和图3所示，本发明一种压电-电磁混合驱动的xyθz三自由度柔性作动器，包括上平台1、底座2、位于上平台1相邻侧面的连接块7与底座2之间的第一音圈电机6和第二音圈电机8以及位于上平台1内部凹槽中的带预压力的第一压电堆9和第二压电堆10；所述上平台1包括u形移动块3、与u形移动块3的内部通过h形柔性铰链12连接的动平台4、与动平台4之间通过柔性铰链连接的居中设置的变截面梁5以及与u形移动块3的外部通过双平行板柔性铰链13连接的分设在四个角部的固定体11，位于变截面梁5两端异侧的动平台4上开有凹槽，凹槽内设置有带预压力的第一压电堆9和第二压电堆10；所述底座2的四角设置有四个支撑体2-1，相邻边设置有固定基座2-2；所述变截面梁5包括位于中心的输出质量块5-1以及分别与输出质量块5-1两端通过直圆柔性铰链连接的第一偏转梁5-2和第二偏转梁5-3；所述第一音圈电机6包括第一磁缸6-2和置于第一磁缸6-2内的第一线圈6-1；所述第二音圈电机8与第一音圈电机6组成和规格均相同。所述的输出质量块5-1的上表面可粘接控制目标，用于实现目标物的xyθz三自由度作动调节。
作为本发明的优选实施方式，所述的第一音圈电机6和第二音圈电机8的线圈位移输出端和磁缸底部均通过螺钉分别与连接块7和位于底座2上的固定基座2-2固定连接；所述带预压力的第一压电堆9和第二压电堆(10)安装在上平台1内，一端嵌入动平台4的凹槽内，另一端分别安装在通过柔性铰链与第一偏转梁5-2和第二偏转梁5-3连接的凹槽内；所述分设在上平台1四个角部的固定体11分别于底座2设置的四个支撑体2-1通过螺钉固定连接。
作为本发明的优选实施方式，所述的上平台1和底座2均可分别采用精密慢走丝线切割工艺一体化加工而成。
上述所述的一种压电-电磁混合驱动的xyθz三自由度柔性作动器的作动方法：
当对第一音圈电机6输入控制电信号时，第一音圈电机6中的第一线圈6-1沿x轴正方向运动，同时对u形移动块3产生一个推力；通过克服相应双平行板柔性铰链13和h形柔性铰链12的弹性力，实现动平台4沿x轴正方向输出位移；从而带动输出质量块5-1沿x轴正方向产生一个线位移；反之，当对第一音圈电机6输入相反的控制电信号时，第一音圈电机6中的第一线圈6-1沿x轴负方向运动，同时对u形移动块3产生一个拉力；从而可实现输出质量块5-1沿x轴负方向产生一个线位移；
y轴方向线位移作动调节方法和与x轴方向作动作动调节相同；
当安装在上平台1内的带预压力的第一压电堆9和第二压电堆10在一对大小相等方向相同的电压作用下，基于压电材料的逆压电效应，压电堆产生大小相等方向相反的一对输出力和位移，分别通过柔性铰链推动相连的第一偏转梁5-2和第二偏转梁5-3沿伸长方向产生偏转，进而通过柔性铰链驱动位于中间的输出质量块5-1产生绕z轴角位移。
图4所示为x轴直线位移作动原理示意图，当第一音圈电机6对u形移动块3产生一个推力f时，通过相应双平行板柔性铰链13和h形柔性铰链12的弹性变形，动平台4会带动输出质量块5-1沿x轴正方向产生一个线位移δx；y轴方向直线位移作动原理和与x轴方向作动原理相同。
图5所示为绕z轴角位移作动原理示意图，la为偏转梁外侧柔性铰链中心距内侧与输出质量块连接铰链中心的距离，lo为输出质量块在xoy平面内的截面宽度，若刚性偏转梁在压电堆驱动力f1下产生α的偏转角，则中间输出质量块绕z轴角位移近似为：
所述x轴和y轴方向上的线位移作动调节，以及绕z轴的角位移作动调节均为独立驱动；双平行板柔性铰链13和h形柔性铰链12的设计不仅作为弹性约束元件提供了相应自由度的移动副，也使得动平台4沿x轴和y轴方向上的运动解耦，避免了附加位移的产生；且由于动平台4与变截面梁5的嵌套式设计，使得输出质量块5-1沿x、y轴的线位移输出与绕z轴角位移输出独立；整个作动器无机械摩擦，从而能够在低功耗下实现目标物的xyθz三自由度高精度独立调节。