一种增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构的制作方法

本发明涉及柔顺位移放大机构，更具体地说，涉及一种增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构，可应用于精密工程、微操作机器人等领域。

背景技术：

柔顺机构是指利用其柔性部分的弹性变形来传递或者转换力、运动或能量的一种机构，由于柔顺机构具有无摩擦、无间隙、免润滑、免装配和运动精度高等优点，因此，其广泛应用于精密工程、微操作等领域。

在精密工程和微操作中，一方面常需要将驱动器(如压电叠堆驱动器、静电梳齿状驱动器)有限的输出行程扩大，以实现大的工作空间和灵活的微操作；另一方面，常需要将驱动器的直线输出位移方向转化为与之相垂直的平行夹持(即正交位移转换)，以实现精密稳定的操作。由于上述两方面原因，同时实现位移放大和正交位移转换是精密工程与微操作领域的研究热点。

在现有的柔顺正交位移放大机构中，桥式放大机构是一种典型实现形式，但这种机构仅在双向对称输入力的条件下方可实现正交位移转换，因此限制了其应用范围。有的柔顺正交位移放大机构虽然可在单向输入力的条件下实现正交位移放大，但由于几何非线性，随着输入力的增大，机构的增益逐步降低，因此不利于大的工作空间和灵活微操作的实现。有的柔顺正交位移放大机构虽然可在单向输入力的条件下实现正交位移放大，且在考虑几何非线性情况下，随着输入力增大，机构的增益基本恒定，但由于采用了多级机构型式，因此不利于紧凑性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构，该柔顺正交位移放大机构在单向输入力的作用下可以实现正交位移转换，同时，其具有机构增益随输入力增大的优点，有利于大的工作空间和灵活微操作的实现，适合应用于精密工程和微操作机器人等领域。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构，其特征在于：包括供输入力作用的刚性输入端、左刚性输出端、右刚性输出端、左变截面梁、右变截面梁、左待定等直梁和右待定等直梁；所述左变截面梁、左刚性输出端和左待定等直梁依次连接，左变截面梁远离左刚性输出端的一端与刚性输入端的下端面连接；所述右变截面梁、右刚性输出端和右待定等直梁依次连接，右变截面梁远离右刚性输出端的一端与刚性输入端的下端面连接；

所述左变截面梁、左刚性输出端和左待定等直梁与右变截面梁、右刚性输出端和右待定等直梁沿刚性输入端的中心轴左右镜像对称设置；所述左变截面梁由左上柔顺铰链、左侧中间等直梁和左下柔顺铰链依次连接组成，并且左上柔顺铰链位于左下柔顺铰链的左上方。

所述左上柔顺铰链的尺寸与左下柔顺铰链的尺寸相同。

所述左上柔顺铰链的长度lh，左侧中间等直梁的长度lm，以及左上柔顺铰链的轴线和左下柔顺铰链轴线的间距tr满足以下条件：

lh+lm>tr。

所述左待定等直梁的下端面固定(例如：与框架固定)，其上端面与左刚性输出端连接；所述左待定等直梁与左刚性输出端连接处的中点位于左下柔顺铰链中心轴线的右侧，并位于左待定等直梁下端面中心左侧。

在上述方案中，输入力沿着机构左右方向对称线竖直向下作用在刚性输入端上，则可使左刚性输出端水平向右运动，右刚性输出端水平向左运动，从而实现正交位移转换，而且机构增益大于1，实现位移放大。因此本发明的机构只需在单向输入力的条件下就可实现机构的正交位移转换和位移放大(即正交位移放大)，从而扩大其应用范围。一方面，由于左上柔顺铰链中心和左下柔顺铰链中心的连线呈“左上——右下”倾斜，与左变截面梁的挠曲方向相同，因此，当左变截面梁在挠曲位置上建立平衡时，其弯矩会产生增加量，由于机构的对称性，右变截面梁中弯矩也会产生增加量；另一方面，左变截面梁和右变截面梁处在压弯组合变形状态，由于压缩软化非线性作用，左变截面梁和右变截面梁在挠曲方向的刚度随输入力的增加而降低。上述两方面扩大了输出位移和机构增益。

过左待定等直梁上端面中心作出的竖直线与左下柔顺铰链的轴线的间距lcc1满足：

式中，lv表示左变截面梁的长度，lbc1表示从左下柔顺铰链下端中点出发作出的垂直于过左待定等直梁上端面中心的水平线的线段长度。

所述左待定等直梁尺寸ld，b，α满足方程组(1.2)-(1.4)：

γxc-fzcg+γxc-fxc+γxc-mcf1g+γxc-mcf2＝-(sxb-fzbj+sxb-fxb+sxb-mbi1j+sxb-mbi2)(1.2)

g＝-j(1.3)

式中，γmc-nc表示左待定等直梁于其上端面中点在m(m＝x,z,θ)方向上的广义位移相对于在该点所受广义力n(n＝fxc,fzc,mc)的柔度系数，是关于左待定等直梁尺寸ld，b，α的函数。spb-qb表示左变截面梁于左下柔顺铰链下端中点在p(p＝x,z,θ)方向上的广义位移相对于在该点所受广义力q(q＝fxb,fzb,mb)的柔度系数。

式中，f1,f2,g分别是左待定等直梁柔度系数的组合；i1,i2,j分别是左变截面梁柔度系数的组合，即：

本发明还包括沿刚性输入端的中心轴左右镜像对称设置的左辅助梁和右辅助梁；所述左辅助梁的左端面固定(例如：固定在框架上)，右端面与刚性输入端的左侧面连接。该设计可以增强结构的稳定性，避免寄生模态的出现，提高机构的基频。

所述刚性输入端、左刚性输出端、右刚性输出端、左变截面梁、右变截面梁、左待定等直梁、右待定等直梁、左辅助梁以及右辅助梁为一体式结构。

本发明增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构的原理如下。

其一，由于满足式lh+lm>tr，机构增益恒大于1，表现为位移放大。

其二，由于机构左右镜像对称，且所述左待定等直梁的下端面固定(例如：与框架固定)，其上端面与左刚性输出端连接，所述左待定等直梁与左刚性输出端连接处的中点位于左下柔顺铰链中心轴线的右侧，并位于左待定等直梁下端面中心左侧，机构可以实现初步的正交位移转换。

其三，由于方程组(1.2)-(1.4)的约束，可以提高正交位移转换的精度。

其四，输入力沿着机构左右方向对称线竖直向下作用在刚性输入端上，使左变截面梁在轴向力主导下向右挠曲，右变截面梁在轴向力主导下向左挠曲。对于轴向力主导下的挠曲，几何非线性不可忽略，一方面，由于左上柔顺铰链3中心和左下柔顺铰链5中心的连线呈“左上——右下”倾斜，与左变截面梁的挠曲方向相同，左变截面梁在挠曲位置上建立平衡，使其弯矩产生增加量，由于机构的对称性，右变截面梁中弯矩也会产生增加量；另一方面，左变截面梁和右变截面梁处在压弯组合变形状态，由于压缩软化非线性作用，左变截面梁和右变截面梁在挠曲方向的刚度随输入力的增加而降低。上述两方面使得本发明所述机构扩大了输出位移和增益。

其五，本发明为单级位移放大机构，且左变截面梁和右变截面梁的间距可以缩小(只需满足不发生机械干涉)，有利于紧凑性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：本发明的一种增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构在单向输入力的作用下可以实现正交位移放大，同时，其具有增益随输入力增大的优点，有利于大工作空间和灵活微操作的实现，适合应用于精密工程和微操作机器人等领域。

附图说明

图1是本发明增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构的主视图；

图2是本发明增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构的立体图；

图3是本发明增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构的变形图(实线区域为初始状态；虚线区域为变形后的状态)；

其中，1为刚性输入端；2为左辅助梁；3为左上柔顺铰链；4为左侧中间等直梁；5为左下柔顺铰链；6为左刚性输出端；7为左待定等直梁；8为右待定等直梁；9为右刚性输出端；10为右下柔顺铰链；11为右侧中间等直梁；12为右上柔顺铰链；13为右辅助梁。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例

如图1至图3所示，本发明一种增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构，其包括供输入力作用的刚性输入端1、左刚性输出端6、右刚性输出端9、左变截面梁、右变截面梁、左待定等直梁7和右待定等直梁8，其中，左变截面梁、左刚性输出端6和左待定等直梁7依次连接，左变截面梁远离左刚性输出端6的一端与刚性输入端1的下端面连接，右变截面梁、右刚性输出端9和右待定等直梁8依次连接，右变截面梁远离右刚性输出端9的一端与刚性输入端1的下端面连接。

本实施例的左变截面梁、左刚性输出端6和左待定等直梁7与右变截面梁、右刚性输出端9和右待定等直梁8沿刚性输入端1的中心轴左右镜像对称设置。本发明还包括沿刚性输入端1的中心轴左右镜像对称设置的左辅助梁2和右辅助梁13，左辅助梁2的左端面固定(例如：与框架固定)，右端面与刚性输入端1的左侧面连接，右辅助梁2的右端面固定(例如：与框架固定)，左端面与刚性输入端1的右侧面连接。

本实施例机构的左变截面梁由左上柔顺铰链3、左侧中间等直梁4和左下柔顺铰链5依次连接组成，左上柔顺铰链3与刚性输入端1的下端面连接，左下柔顺铰链5与左刚性输出端6连接。左上柔顺铰链3的尺寸与左下柔顺铰链5的尺寸相同，并且左上柔顺铰链3位于左下柔顺铰链5的左上方。左上柔顺铰链3的长度lh，左侧中间等直梁4的长度lm，以及左上柔顺铰链3的轴线和左下柔顺铰链轴线5的间距tr满足以下条件：

lh+lm>tr。

本实施例的右变截面梁由右上柔顺铰链12、右侧中间等直梁11和右下柔顺铰链10依次连接组成，右上柔顺铰链12与刚性输入端1的下端面连接，右下柔顺铰链10与右刚性输出端9连接。右上柔顺铰链12的尺寸与右下柔顺铰链10的尺寸相同，并且右上柔顺铰链12位于右下柔顺铰链10的右上方。本实施例中右待定等直梁8的下端面固定(例如：与框架固定)，其上端面与右刚性输出端9连接，右待定等直梁8与右刚性输出端9连接处的中点位于右下柔顺铰链10中心轴线的左侧，并位于右待定等直梁8下端面中心的右侧。右上柔顺铰链12的长度，右侧中间等直梁11的长度，以及右上柔顺铰链12的轴线和右下柔顺铰链轴线10的间距同样也满足上述条件。

本实施例中过左待定等直梁7的上端面中心作出的竖直线与左下柔顺铰链5的轴线的间距lcc1满足：

式中，lv表示左变截面梁的长度；lbc1表示从左下柔顺铰链5下端中点出发作出的垂直于过左待定等直梁7上端面中心的水平线的线段长度。

过右待定等直梁8的上端面中心作出的竖直线与右下柔顺铰链10的轴线的间距同样也满足(1.1)。

本实施例中左待定等直梁7尺寸ld，b，α均满足方程组(1.2)-(1.4)：

γxc-fzcg+γxc-fxc+γxc-mcf1g+γxc-mcf2＝-(sxb-fzbj+sxb-fxb+sxb-mbi1j+sxb-mbi2)(1.2)

g＝-j(1.3)

式中，γmc-nc表示左待定等直梁7于其上端面中点在m(m＝x,z,θ)方向上的广义位移相对于在该点所受广义力n(n＝fxc,fzc,mc)的柔度系数，是关于左待定等直梁7尺寸ld，b，α的函数。

spb-qb表示左变截面梁于左下柔顺铰链5下端中点在p(p＝x,z,θ)方向上的广义位移相对于在该点所受广义力q(q＝fxb,fzb,mb)的柔度系数。

式中，f1,f2,g分别是左待定等直梁7柔度系数的组合。

i1,i2,j分别是左变截面梁柔度系数的组合，即：

本实施例右待定等直梁8的尺寸ld，b，α也满足方程组(1.2)-(1.4)。

本实施例中刚性输入端1，左刚性输出端6，右刚性输出端结构9，由左上柔顺铰链3、左侧中间等直梁4、左下柔顺铰链5组成的左变截面梁，由右下柔顺铰链10、右侧中间等直梁11、右上柔顺铰链12组成的右变截面梁，左待定等直梁7，右待定等直梁8，左辅助梁2以及右辅助梁13为一体式结构。

本实施例增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构的原理是：

其一，由于满足式lh+lm>tr，机构增益恒大于1，表现为位移放大。

其二，由于机构左右对称，且所述左待定等直梁7的下端面固定(例如：与框架固定)，其上端面与左刚性输出端6连接，所述左待定等直梁7与左刚性输出端6连接处的中点位于左下柔顺铰链5中心轴线的右侧，并位于左待定等直梁7下端面中心左侧，机构可以实现初步的正交位移转换。

其三，由于方程组(1.2)-(1.4)的约束，可以提高正交位移转换的精度。

其四，输入力沿着机构左右方向对称线竖直向下作用在刚性输入端1上，使左变截面梁在轴向力主导下向右挠曲，右变截面梁在轴向力主导下向左挠曲。对于轴向力主导下的挠曲，几何非线性不可忽略，一方面，由于左上柔顺铰链3中心和左下柔顺铰链5中心的连线呈“左上——右下”倾斜，与左变截面梁的挠曲方向相同，左变截面梁在挠曲位置上建立平衡，使其弯矩产生增加量，由于机构的对称性，右变截面梁中弯矩也会产生增加量；另一方面，左变截面梁和右变截面梁处在压弯组合变形状态，由于压缩软化非线性作用，左变截面梁和右变截面梁在挠曲方向的刚度随输入力的增加而降低。上述两方面使得本实施例所述机构扩大了输出位移和增益。

其五，本实施例为单级位移放大机构，且左变截面梁和右变截面梁的间距可以缩小(只需满足不发生机械干涉)，有利于紧凑性。

本实施例有利于机构获得大工作空间和实现灵活微操作，适合应用于精密工程和微操作机器人等领域。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。