一种基于柔性平行四边形机构的具有远程转动中心的平行对准平台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种平行对准装置，更特别地说，是指一种基于柔性平行四边形机构 的具有远程转动中心的平行对准平台。
【背景技术】
[0002] 在微纳米操作领域，如光纤装配、纳米压印以及光学元件对准等，实现两个操 作平面间高精度的平行对准是必不可少的。平行对准过程需要平行对准设备进行离面 (out-of-plane)方向的转动调节以消除两个操作平面间的平行误差。与传统平行对准设备 相比，具有远程转动中心（remote-center-of-motion，RCM)的平行对准设备在对准过程中 可以绕远离对准机构本身的某一点进行转动，从而可以消除其末端产生的沿水平方向的寄 生误差，大大提高对准精度。
[0003] 常见的具有远程转动中心的旋转导向机构包括圆弧滑轨（circular-prismatic) 机构、具有瞬时转动中心（instantaneous)的机构以及基于平行四边形机构的旋转导向机 构。圆弧滑轨机构通常结构简单、体积小巧，但需要非常高的机械加工精度保证圆弧导轨的 圆度，并且机构整体需要装配，因此会产生摩擦、间隙以及需要润滑等问题。具有瞬时RCM 的旋转导向机构，在旋转调节过程中机构输出端可以近似围绕一个远程中心点转动。在 2008年8 月，在期刊 Journal of Mechanical Design上公开的《The Stiffness Model of Leaf-Type Isosceles-Trapezoidal Flexural Pivots》文中公开了一种具有瞬时RCM的柔 性梯形旋转导向机构。此类梯形机构结构简单、易于加工制造，并且在转动角度较小的情况 下误差可以保持在几个微米的量级。由于其性能优越，梯形机构被广泛应用于主动旋转对 准、微驱动电机转子、孔一轴装配中的被动装配单元等。但由于梯形机构的驱动半径受限于 机构本身的尺寸，当需要提供较大的操作空间（operating space)时，驱动半径也会相应增 大，如果采用压电陶瓷（PZT)等行程较小的驱动器，机构的输出角度就会减小，不能满足系 统性能的要求。还有一种常见的RCM旋转导向机构即是基于平行四边形的机构。此类机构 利用平行四边形构型的几何约束作用，可以获得绕远程中心点的纯转动，转动精度很高，转 动行程也较大。此外，驱动器可以方便地设置在平行四边形机构靠近基座的一端，驱动半径 不依赖于该机构尺寸的调整，因此可以在获得较大操作空间的同时保持很小的驱动半径， 从而在采用小行程驱动器时获得理想的角度输出。基于平四边形机构的RCM机构在微创手 术、微操作机器人等领域获得了广泛的应用。
[0004] 在微纳米操作和精密定位领域，目前的驱动方式主要有电热驱动、电磁驱动、压电 驱动、静电驱动和形状记忆合金驱动。在这些驱动器中，压电驱动是一种被广泛应用的驱 动，它具有无限高的分辨率、快速响应、大的驱动力、宽的动态响应范围等优点。而压电陶瓷 是一种常见的利用压电驱动的无机非金属材料。当对压电材料施加压力，它便会产生电位 差；反之施加电压，则产生机械力。
[0005] 与刚性机构不同，柔性机构（compliant mechanism)是一类利用材料的弹性变形 传递或转换运动、力或能量的新型机构。这类机构通常应用在精密工程场合，因此又称为柔 性精微机构。较之于传统的刚性机构，柔性机构具有许多优点：如整体化设计和加工，可简 化结构、减小体积和质量、免于装配；无间隙和摩擦，可实现高精度运动；免于磨损，提高寿 命；免于润滑，避免污染；可增大结构刚度等等。将柔性机构与平行四边形RCM机构相结合 设计平行对准装置，可以进一步提升装置的对准精度，减少传统刚性机构由于加工、装配、 摩擦和间隙等带来的误差影响。因此，基于柔性平行四边形机构的RCM平行对准平台更适 合应用于精密定位与操作场合。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于柔性平行四边形机构的具有远程转动中心（RCM) 的平行对准装置。本发明采用柔性对称式双平行四边形机构来实现围绕远程中心点转动的 平行对准功能，该机构可以在不损失旋转精度的前提下调节系统操作空间，并且驱动半径 不受操作空间调节的影响。为克服压电陶瓷有限的运动输出，本发明还采用对称双杠杆放 大机构作为运动传递机构。相比于单杠杆机构，对称双杠杆放大机构具有更高的输出刚度 和运动精度，因此在保证平行对准平台具有较高的转动精度的前提下，能够实现输出平台 较大的角度输出。本发明运动传递机构采用一体化结构设计及加工，运用线切割加工工艺， 从而避免了多个零部件安装所带来的装配误差。压电陶瓷驱动器整体嵌套在运动传递机构 内，并通过具有位移缩小功能的两个楔形垫片实现预紧，可以实现预紧力的精细调节，平台 整体结构也比较紧凑。
[0007] 本发明的一种基于柔性平行四边形机构的具有远程转动中心的平行对准平台，该 平行对准平台包括有基座（1)、预紧螺钉（2)、运动传递机构（3)、盖板（4)、压电陶瓷驱动器 (5)、A垫片（6A)、B垫片（6B)、平台垫板（7)、第一支架（2A)、第二支架（2B)、第三支架（2C) 和电容传感器（8A、8B、8C)。平台垫板（7)位于运动传递机构（3)与基座（1)之间，且凸块 (7C)置于运动传递机构（3)的第八切缝（3H)中。平台垫板（7)用于支撑起压电陶瓷（5)、 A垫片（6A)和B垫片（6B)。
[0008] 基座（1)上设有AA螺纹孔（IA)，A螺钉（9A)穿过A支架（2A)上的通孔后螺纹连 接在AA螺纹孔（IA)中；
[0009] 基座（1)上设有AB螺纹孔（IB)，B螺钉（9B)穿过B支架（2B)上的通孔后螺纹连 接在AB螺纹孔（IB)中；
[0010] 基座⑴上设有AC螺纹孔（1C)，F螺钉（9F1)顺次穿过运动传递机构（3)上的BA 通孔（37A)、平台垫板（7)上的DA通孔（7E)后，螺纹连接在AC螺纹孔（1C)内；
[0011] 基座（1)上设有AD螺纹孔（ID)，G螺钉（9F2)顺次穿过运动传递机构（3)上的BB 通孔（37B)、平台垫板（7)上的DB通孔（7F)后，螺纹连接在AD螺纹孔（ID)内；
[0012] 基座（1)上设有AE螺纹孔（IE)，H螺钉（9F3)顺次穿过运动传递机构（3)上的AA 通孔（36A)、平台垫板（7)上的DE通孔（71)后，螺纹连接在AE螺纹孔（IE)内；
[0013] 基座（1)上设有AF螺纹孔（IF)，I螺钉（9F4)顺次穿过运动传递机构（3)上的AB 通孔（36B)、平台垫板（7)上的DF通孔（7J)后，螺纹连接在AF螺纹孔（IF)内；
[0014] 基座（1)上设有AG螺纹孔（IG)，J螺钉（9G1)顺次穿过盖板（4)上的CA通孔 (4C)、运动传递机构（3)上的BC通孔（37C)、平台垫板（7)上的DC通孔（7G)后，螺纹连接 在AG螺纹孔（IG)内；
[0015] 基座（1)上设有AH螺纹孔（IH)，K螺钉（9G2)顺次穿过盖板（4)上的CB通孔 (4D)、运动传递机构（3)上的AC通孔（36C)、平台垫板（7)上的DG通孔（7K)后，螺纹连接 在AH螺纹孔（IH)内；
[0016] 基座（1)上设有AI螺纹孔（II)，L螺钉（9G3)顺次穿过盖板（4)上的CC通孔 (4E)、运动传递机构（3)上的BD通孔（37D)、平台垫板（7)上的DD通孔（7H)后，螺纹连接 在AI螺纹孔（II)内。
[0017] 预紧螺钉（2)螺纹连接在盖板（4)的B螺纹孔（4A)中，且预紧螺钉（2)的端部与 B垫片（6B)接触。
[0018] 第一支架（2A)上设有A通孔（2A1)、B通孔（2A2)和D螺纹孔（2A3);该A通孔 (2A1)用于安装A电容传感器（8A);该B通孔（2A2)用于A螺钉（9A)穿过；该D螺纹孔 (2A3)用于A销钉（2A4)穿过，穿过后的A销钉（2A4)顶紧A电容传感器（8A)。
[0019] 第二支架（2B)上设有C通孔（2B1)、D通孔（2B2)和E螺纹孔（2B3);该C通孔 (2B1)用于安装B电容传感器（8B);该D通孔（2B2)用于B螺钉（9B)穿过；该E螺纹孔 (2B3)用于B销钉（2B4)穿过，穿过后的B销钉（2B4)顶紧B电容传感器（8B)。
[0020] 第三支架（2C)上设有E通孔（2C1)、F通孔（2C2)和F螺纹孔（2C3);该E通孔 (2C1)用于安装C电容传感器（8C);该F通孔（2C2)用于C螺钉（9C)穿过；该F螺纹孔 (2C3)用于C销钉（2C4)穿过，穿过后的C销钉（2C4)顶紧C电容传感器（8C)。
[0021] 第四支架（2D)为L形结构，第四支架（2D)通过D螺钉（9D)固定在运动传递机 构⑶的第四刚性