专利名称：二自由度平动并联解耦微动平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置，具体是一种基于压电陶瓷驱动 器和柔性铰链的二自由度平动并联解耦微动平台。
背景技术：
在微机电系统、扫描探测显微镜、超精密加工、光学元件制造以及生物医学工程等 领域中，具有纳米精度的微动平台是核心部件。目前，大多数采用具有压电陶瓷驱动器的柔 性铰链运动工作台。而目前，商业上常用的二自由度微动平台大多采用两个一维的运动平 台垂直叠加在一起或者以串联的方式将某一方向的运动平台嵌套在另外一个方向平台内， 实现二维运动。但是采用这种连接方式的二维微动平台会因为叠加而产生累积误差、寄生 位移、固有频率降低、两个运动方向动态特性不同并且体积庞大等缺点。因此，为克服以上 缺点，发明具有高精度、低惯量、高固有频率、二自由度结构对称、输入输出解耦和小体积的 二维微动平台对于实际应用具有较大的意义。经过对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号200510023219. 4，公开号 CN1644329A，名称为“微型二维解耦工作台”的专利申请，公开了一种微型二维解耦工作 台。但该技术中，构型比较复杂，加工成本比较高。中国专利申请号200810636287. 2，公开 号CN101413902A，名称为“一种扫描电镜原位观察的全柔性三平移混联微动装置”的专利 申请，其中的二自由度部分给出了一种二自由度全柔性平面并联机构。但该技术中，如果当 只驱动某一个自由度上的驱动器时，另外一个自由度上的驱动器需要承受较大的弯矩和侧 向力，容易造成驱动器的损坏，即不能很好的实现压电驱动器的输入解耦。中国专利申请号 200710114743. 1，公开号CN101176995A，名称为“一种具有冗余支链的二平动微动平台”的 专利申请，提供了一种具有冗余支链的二平动微动平台。但该技术中采用的单平行四杆机 构运动时具有耦合位移，不能实现二维运动的完全解耦。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种二自由度平动并联解耦微动平 台，依靠复合双平行直板铰链的解耦功能、刚度特性以及平台整体结构的对称性，从而达到 消除耦合和寄生位移的功能，实现运动平台的二维运动。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括压电陶瓷驱动器、两个驱动支链 及其对应的辅助支链、工作平台以及固定机架，其中两个驱动支链及其对应的辅助支链分 别两两对称分布在工作平台的X方向和Y方向。所述的驱动支链包括输入解耦平台、驱动支链中间平台、一级驱动铰链中间平 台、二级驱动铰链中间平台和柔性铰链，其中输入解耦平台与驱动支链中间平台通过柔性 铰链活动连接，一级驱动铰链中间平台分别与驱动支链中间平台和固定机架通过柔性铰链 活动连接，二级驱动铰链中间平台分别与工作平台和驱动支链中间平台通过柔性铰链活动 连接。
所述的辅助支链包括辅助支链中间平台、一级辅助铰链中间平台、二级辅助铰链中间平台和柔性铰链，其中一级辅助铰链中间平台分别与辅助支链中间平台和固定机架 通过柔性铰链活动连接，二级辅助铰链中间平台分别与工作平台和辅助支链中间平台通过 柔性铰链活动连接。所述的压电陶瓷驱动器的头部与驱动支链内的输入解耦平台相接触并施加力于 输入解耦平台，压电陶瓷驱动器的底部与固定机架固定连接。所述的驱动支链及其对应的辅助支链、工作平台以及固定机架等都是采用一体式 结构，即在一块金属材料板上，采用先进加工工艺加工而成，无需装配，结构紧凑，体积小， 有效避免了装配误差的产生，满足了高精度的要求。本发明通过以下方式进行工作以Y方向运动为例，压电陶瓷驱动器施加力于Y方 向驱动支链内的输入解耦平台以使驱动支链中间平台朝Y方向运动，通过柔性铰链的协调 变形，并且由于柔性铰链轴向刚度较大，从而带动工作平台和Y方向辅助支链整体朝Y方向 运动。同时也带动了X方向的驱动支链内的二级驱动铰链中间平台和辅助支链内的的二级 辅助铰链中间平台朝Y方向运动。由于柔性铰链轴向刚度较大，故工作平台的位移基本上 与压电陶瓷驱动器的输出位移即驱动支链中间平台得位移基本相同。本发明与现有的技术相比，具有以下有益效果(1)本发明采用复合双平行直板铰链相比于单平行和双平行铰链具有大位移，低 应力集中以及无耦合位移等优点，并且当某一方向驱动器运动时，由于该铰链具有较大的 轴向刚度，另一个方向的驱动器承受较小的弯矩和侧向载荷。而且采用的直板铰链相对于 直角圆铰链具有结构形状简单，便于加工，加工成本低等优点。(2)本发明采用对称约束结构，从而有效消除了轴间输出耦合的位移，累积误差以 及工作平台旋转等寄生位移的产生，保证了运动平台的二自由度平动，同时也增加了结构 的刚度、承载能力和固有频率。(3)本发明采用的并联机构相比于简单叠加的串联机构具有高刚度，低惯量，高承 载能力，精度高，无累积误差，两个方向的动力学特性相同以及结构对称紧凑，体积小等优
点ο
图1为本发明的系统结构框图。图2为Y方向机构变形原理简图。图3为工作平台X方向位移与两轴所施加的力的关系图。图4为工作平台旋转角度与两轴所施加的力的关系图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1和图2所示，本实施例包括压电陶瓷驱动器1、两个相同的驱动支链8和 11及其对应的两个相同的辅助支链9和10、工作平台7以及固定机架2，其中辅助支链9、10与驱动支链8、11两两对称分布在工作平台7的x+、x-、Y+、Y-四个平面坐标轴方向上。所述的驱动支链11包括输入解耦平台14、驱动支链中间平台12、一级驱动铰链 中间平台3、二级驱动铰链中间平台5和柔性铰链4、6和13，其中输入解耦平台14与驱动 支链中间平台12通过柔性铰链13活动连接，一级驱动铰链中间平台3分别与驱动支链中 间平台5和固定机架2通过柔性铰链4活动连接，二级驱动铰链中间12平台分别与工作平 台7和驱动支链中间平台5通过柔性铰链6活动连接。所述的辅助支链9包括辅助支链中间平台25、一级辅助铰链中间平台22、二级辅 助铰链中间平台24和柔性铰链21和23，其中一级辅助铰链中间平台22分别与辅助支链 中间平台25和固定机架2通过柔性铰链2 1活动连接，二级辅助铰链中间平台24分别与工 作平台7和辅助支链中间平台25通过柔性铰链23活动连接。所述的工作平台7通过四个方向上的柔性铰链6、15、23和30分别活动连接到XY 两个方向的驱动支链11和8上的二级驱动铰链中间平台12和16以及对应辅助支链9和 10上的二级辅助铰链中间平台24和27上。所述的固定机架2通过柔性铰链4、20、21和28与XY两个方向的驱动支链11和 8上的一级驱动铰链中间平台3和18以及对应辅助支链9和10上的一级辅助铰链中间平 台22和29活动连接。所述的驱动支链8和11及其对应的辅助支链9和10、工作平台7以及固定机架 2都是采用一体式结构，即在一块金属材料板上，采用先进加工工艺加工而成，无需装配，结 构紧凑，体积小，有效避免了装配误差的产生，满足了高精度的要求。本实例通过以下方式进行工作以Y方向运动为例，压电陶瓷驱动器1施加力于Y 方向驱动支链11内输入解耦平台14以使驱动支链中间平台5朝Y方向运动，通过柔性铰 链4、15、21和30的协调变形，并且由于柔性铰链6和23轴向刚度较大，从而带动工作平台 7和Y方向辅助支链9整体朝Y方向运动。同时也带动了 X方向的驱动支链8内的二级驱 动铰链中间平台16和辅助支链10内的的二级辅助铰链中间平台27朝Y方向运动。由于 柔性铰链6刚度较大，故工作平台7的位移基本上与压电陶瓷驱动器1的输出位移即驱动 支链中间平台5得位移基本相同。由于柔性铰链4和21采用复合双平行结构，Y方向驱动支链11上的一级驱动铰链 中间平台3在Y方向上的位移为驱动支链中间平台5的一半，Y方向辅助支链9的一级辅 助铰链中间平台22在Y方向上的位移为辅助支链中间平台25的一半，故柔性铰链4和21 内的单个直板铰链的末端扰度为驱动支链中间平台12和辅助支链中间平台25在Y方向上 位移的一半，同时由于柔性铰链15和30也采用复合双平行结构，二级驱动铰链中间平台16 和二级辅助铰链中间平台27的位移为工作平台7位移的一半，故柔性铰链15和30内的单 个直板铰链末端扰度也为工作平台7的一半，故系统采用的复合双平行结构能较好的降低 柔性铰链的最大应力。当只有Y方向的压电陶瓷驱动器1产生位移时，由于系统采用复合双平行四杆机 构，以及整体结构的对称性，所以工作平台7在X方向无输出耦合位移，并且由于柔性铰链 20和28轴向刚度较大，故X方向的驱动支链8上的驱动支链中间平台19在Y方向产生的 位移很小，同时在Y方向压电驱动器1的输入端加入了输入解耦平台14，从而有效减少了 Y 方向压电驱动器1所承受的弯矩和侧向力，避免了压电陶瓷驱动器1的损坏。
如图3所示，工作平台7的X方向位移与X方向输入力呈线性关系，而与Y方向的输入力基本无关，从而消除了因为Y方向上输入力的变化所引起的X方向的耦合位移，同时 也消除了运动过程中所引起的累积误差。如图4所示，由于采用对称性结构和复合双平行四杆机构，工作平台7在运动过程 中的所产生的旋转角度趋于零，相比于X和Y方向上的位移可以忽略不计，从而有效消除了 工作平台7的转动角度。本装置与现有的技术相比，具有以下有益效果(1)本装置采用复合双平行直板铰链4，6，15，20，21，23，28，30相比于单平行和双 平行铰链具有大位移，低应力集中以及无耦合位移等优点，并且当某一方向驱动器运动时， 由于该铰链具有较大的轴向刚度，另一个方向的驱动器承受较小的弯矩和侧向载荷。而且 采用的直板铰链相对于直角圆铰链具有结构形状简单，便于加工，加工成本低等优点。(2)本装置采用对称约束结构，从而有效消除了轴间输出耦合的位移，累积误差以 及工作平台旋转等寄生位移的产生，保证了运动平台的二自由度平动，同时也增加了结构 的刚度、承载能力和固有频率。(3)本装置采用的并联机构相比于简单叠加的串联机构具有高刚度，低惯量，高承 载能力，精度高，无累积误差，两个方向的动力学特性相同以及结构对称紧凑，体积小等优
点ο
权利要求
一种二自由度平动并联解耦微动平台，压电陶瓷驱动器、工作平台以及固定机架，其特征在于，还包括两个驱动支链及其对应的辅助支链，其中两个驱动支链及其对应的辅助支链分别两两对称分布在工作平台的X方向和Y方向。
2.根据权利要求1所述的二自由度平动并联解耦微动平台，其特征是，所述的驱动支 链包括输入解耦平台、驱动支链中间平台、一级驱动铰链中间平台、二级驱动铰链中间平 台和柔性铰链，其中输入解耦平台与驱动支链中间平台通过柔性铰链活动连接，一级驱动 铰链中间平台分别与驱动支链中间平台和固定机架通过柔性铰链活动连接，二级驱动铰链 中间平台分别与工作平台和驱动支链中间平台通过柔性铰链活动连接。
3.根据权利要求1所述的二自由度平动并联解耦微动平台，其特征是，所述的辅助支 链包括辅助支链中间平台、一级辅助铰链中间平台、二级辅助铰链中间平台和柔性铰链， 其中一级辅助铰链中间平台分别与辅助支链中间平台和固定机架通过柔性铰链活动连 接，二级辅助铰链中间平台分别与工作平台和辅助支链中间平台通过柔性铰链活动连接。
4.根据权利要求1所述的二自由度平动并联解耦微动平台，其特征是，所述的压电陶 瓷驱动器的头部与驱动支链内的输入解耦平台相接触并施加力于输入解耦平台，压电陶瓷 驱动器的底部与固定机架固定连接。
全文摘要
一种微机电系统技术领域的二自由度平动并联解耦微动平台，包括压电陶瓷驱动器、两个驱动支链及其对应的辅助支链、工作平台以及固定机架，其中两个驱动支链及其对应的辅助支链分别两两对称分布在工作平台的X方向和Y方向。本发明依靠复合双平行直板铰链的解耦功能、刚度特性以及平台整体结构的对称性，从而达到消除耦合和寄生位移的功能，实现运动平台的二维运动。
文档编号B25J7/00GK101862966SQ20101021632
公开日2010年10月20日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日
发明者朱利民, 李朋志, 谷国迎, 赖磊捷 申请人:上海交通大学