基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台的制作方法
专利名称:基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，属于精密驱动领域。宏观压电驱动单元分别通过内包络式柔性铰链和仿生楔形触角的弹性变形对柱形转动体进行顺时针宏观驱动，微观热膨胀驱动单元通过高温陶瓷加热棒的热传导在仿生楔形触角的间歇处产生可控的热膨胀变形，进而驱动触角产生微小线性位移，实现对柱形转动体的微观驱动。柱形转动体以过盈配合方式内嵌于陶瓷球轴承的转动体中，且其凹槽内嵌入式安装有刚性平面反光板，用于非接触式光学位移测量系统对柱形转动体旋转变形的定量检测。优点在于：结构紧凑，可满足微纳操作、微纳加工、精密光学、航天及医学工程等领域对微纳米级精密驱动与定位的需求。
【专利说明】
基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台
技术领域
[0001] 本实用新型涉及精密驱动领域，特别涉及一种具有纳米级驱动精度的基于仿生触 角和热膨胀的宏微驱动旋转平台。通过内包络式压电驱动单元结合具有特征形态的仿生楔 形触角，可实现微弧度级的转动精度。在此基础上，结合楔形触角的可控热膨胀，可实现纳 弧度级转角的精密驱动，即实现压电式旋转平台的宏微耦合驱动模式。本实用新型可为微 纳操作、精密光学等有微纳米级精密驱动需求的诸多领域提供技术支撑，亦可作为微构件 微尺度力学性能精密测试的加载单元。
【背景技术】
[0002] 传统精密驱动与传动技术往往采用伺服电机、直线电机等驱动部件作为驱动动力 源，以及滚数丝杠、蜗轮蜗杆、线性导轨、曲柄连杆机构等传动部件构成复杂传动系统。由于 存在电机回转机械惯性、电磁扰动、传动效率损耗、机构爬行、传动系统间隙、换向冲击、滑 动磨损等影响精密传动过程的不利因素，传统驱动与传动技术难以实现纳米级精密驱动与 定位的要求。相比于通过电致伸缩、磁致伸缩、记忆合金变形等效应实现的精密驱动技术， 压电驱动技术具有响应频率高和传动柔性化等特点。以压电精密驱动技术为代表的微纳精 密驱动技术在精密光学、控制工程、微电子技术、航空航天、生物医学工程等领域应用广泛， 尤其在航天飞行器空间对接、仿生微型机器人驱动、超精密加工与装配、显微生物医学组织 操作等前沿领域具有难以替代的作用。而精密驱动器作为对目标对象直接定位与操控的执 行器，其驱动性能直接影响其定位精度与操控对象的运动分辨率。
[0003] 根据驱动原理及运动形式的不同，压电驱动器可主要分为惯性式和尺蠖型两种。 其中惯性式压电驱动器具有分辨率高、机械结构简单、输出行程大等特点。相比于直线式驱 动器，旋转驱动器具有更复杂的传动结构，受转动单元回转精度等误差因素的影响，其旋转 定位精度取决于径向和周向的绝对位移。基于粘滑摩擦驱动原理的旋转惯性式压电驱动器 结构紧凑、操作与控制过程简单、定位精度高。其基本结构由压电器件、柔性传动机构和粘 滑回转移动块组成，其中柔性传动机构的移动端与粘滑回转移动块保持面接触或点接触， 接触区域表面具有较大的静摩擦系数和滑动摩擦系数。依据动量守恒定律，当向压电器件 施加线性增加的驱动电压时，柔性传动机构产生相应的驱动位移并与粘滑回转移动块进行 接触摩擦传动，因粘滑过程速度较为缓慢，回转移动快所受惯性冲击并不显著，粘滑移回转 移动块的转动弧长与柔性传动机构的输出位移行程保持一致。当施加在压电器件上的电压 迅速下降时，柔性传动机构迅速弹性回复至其初始位置，但粘滑移回转移动块由于自身的 惯性载荷大于柔性传动结构弹性回复过程中的摩擦力。据此，在周期性锯齿形电压的作用 下，粘滑移回转移动块产生步进旋转位移。J.M. Breguet对粘滑式惯性驱动器的驱动原理 和控制方法进行了系统的研究，Q.Z. Zou利用惯性质量块与驱动单元之间的粘滑现象开发 了精密旋转驱动器。采用锯齿波形信号作为均布式压电双晶片的加载电压波形，在加载过 程中周向分布的三个雅典敬佩同时同向缓慢旋转，进而驱动回转驱动单元同步转动;在卸 载过程中，压电晶片迅速弹性回复，而回转驱动单元的位置基本保持不变。因此，在连续锯 齿波形时序信号的作用下，回转驱动单元实现了连续的旋转运动，旋转速度达到O.lSrad/ s. Y. Zhang研制了一种基于直线运动和旋转运动的多自由度粘滑驱动器，其旋转运动的 实现是基于对两个压电叠堆精确的时序控制配合实现的。
[0004] 尽管基于粘滑摩擦驱动原理的旋转惯性式压电驱动器因其简单的结构、较高的运 动分辨率、较大的运动行程和较快的驱动速度而在精密驱动领域应用广泛，但机构磨损、惯 性冲击等因素限制了其极高定位精度的实现。此外，在实际工况下，由于压电精密驱动器的 服役工况往往受到空间尺寸狭小、电磁环境复杂、工作温度剧变等诸多因素的影响，难以实 现纳米级精度的稳定运动输出。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，解 决了现有技术存在的上述问题。针对现有粘滑摩擦型惯性式驱动器驱动大都仅采用压电器 件作为驱动单元的驱动模式，本实用新型将压电驱动方法实现的宏观驱动与柔性机构热膨 胀行为实现的微观驱动相结合，实现丰富的旋转驱动模式和纳米级的旋转驱动分辨率。本 实用新型由宏观压电驱动单元、微观热膨胀驱动单元、微回转单元以及支撑单元组成。本实 用新型的宏观旋转运动依靠内包络式柔性铰链和仿生楔形触角的弹性变形实现柱形转动 体的粘滑摩擦，本实用新型的微观旋转驱动依靠高温陶瓷加热棒在仿生楔形触角的间歇处 产生的热膨胀实现柱形转动体的微动摩擦。
[0006] 本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
[0007] 基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，包括宏观压电驱动单元、微观热膨 胀驱动单元、微回转单元以及支撑单元，所述宏观压电驱动单元嵌入式刚性安装在支撑单 元中的基座7的矩形槽中，内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13对称轴线的非固定 部分通过支撑单元中的硬质钢球6浮动于基座7的弧形导向槽上;微观热膨胀驱动单元中的 高温陶瓷加热棒1过盈安装于宏观压电驱动单元中对称式布局的内包络式柔性铰链A2、内 包络式柔性铰链B13外侧的开槽内孔中；微回转单元中的柱形转动体11的圆柱母线与微观 热膨胀驱动单元中的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12的触点保持线弹性接触，且陶瓷球 轴承9的外圈过盈安装于支撑单元中的基座7的中心阶梯内孔中。
[0008] 所述的宏观压电驱动单元包括内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13、内六 角螺钉3、铰链刚性支撑端4和压电促动器5,所述内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链 B13具有近圆环形拓扑结构，且分别具有八处圆弧过渡式的柔性结构，铰链刚性支撑端4通 过内六角螺钉3与基座7连接，一组压电促动器5具有输出位移自检测功能并同轴、共面、对 称安装于内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13的刚性内侧壁之间，其对称轴为柱形 转动体11的中轴线。
[0009] 所述的微观热膨胀驱动单元包括一组高温陶瓷加热棒1和仿生楔形触角A8、仿生 楔形触角B12,所述高温陶瓷加热棒1以柱形转动体11的中轴线为对称轴安装在内包络式柔 性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧的开槽内孔中，仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12具 有弧形"月牙式"的阵列微结构，且附着在内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧 的开槽圆柱外表面。
[0010] 所述的微回转单元包括陶瓷球轴承9、刚性平面反光板10和柱形转动体11，所述柱 形转动体11的阶梯轴过盈安装在陶瓷球轴承9内圈中，刚性平面反光板10为具有反光特性 的非透明硅片，用于对微转角进行入射和反射光路探测，内嵌安装在柱形转动体11的矩形 凹槽中；
[0011] 所述的支撑单元包括一组硬质钢球6和基座7,所述硬质钢球6安装在基座7的弧形 导向凹槽中，并与内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13下表面的内凹槽保持弹性点 接触，基座7的上表面，除弧形导向凹槽处，整体涂覆有厚度为0.5mm的TDD真空绝热涂层材 料，以削弱高温陶瓷加热棒1的高温热辐射对基座7的热变形影响;此外，基座7加工有一组 螺纹孔，与气浮隔振台或高分辨显微镜调整平台的定位与安装。
[0012] 所述的内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13与铰链刚性支撑端4之间采用 可转动式的圆弧形柔性结构进行连接，即可实现对称式内包络式柔性铰链A2、内包络式柔 性铰链B13在其环形拓扑平面上的旋转自由度，在仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12的触 点与柱形转动体11外圆柱面间的接触载荷过大的情况下，该圆弧形柔性结构可沿背离触点 接触区域的防线产生扭转变形以降低局部接触区域的接触应力，对柱形转动体11的宏观旋 转驱动过程起到缓冲、减震的作用；内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13的八处圆 弧过渡式的柔性结构亦呈现对称布局形式，结合一组同轴且对称安装的压电促动器5在加 载过程中的等幅、等频、同步位移输出，一组内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外 侧的开槽圆柱中心轴线相应地输出等幅、等频、等力矩且方向相反的位移，即可通过粘滑摩 擦驱动柱形转动体11产生步幅在微弧度级的宏观旋转运动。
[0013] 所述的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12沿内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性 铰链B13的开槽圆柱面均布周向排列，内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13通过其 外侧开槽圆柱表面附着的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12与柱形转动体11始终保持弹 性接触;具有弧形"月牙式"结构特征的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12的曲率半径为亚 毫米级，当向一组压电促动器5施加等幅、等频的正电压时，仿生楔形触角A8、仿生楔形触角 B12尖端的运动方向朝向其"月牙式"弧线的圆心，且触角尖端与柱形转动体11的非光滑外 圆柱面始终保持弹性点接触；当一组压电促动器5轴向加载时，仿生楔形触角A8、仿生楔形 触角B12可驱动柱形转动体11顺时针方向步进旋转，当压电促动器5轴向快速卸载时，柱形 转动体11可保持其当前位置不发生变化，即仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12具有正向宏 观驱动和反向惯性滑行的作用。
[0014] 所述的内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13浮动端的下表面和基座7的上 表面分别加工有曲率半径一致的弧形导向凹槽，单个硬质钢珠6的球径小于凹槽的曲率半 径，硬质钢珠6与弧形导向凹槽始终保持弹性点接触，即以滚动摩擦而非滑动摩擦方式对内 包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13的变形进行导向，以克服内包络式柔性铰链A2、 内包络式柔性铰链B13在极小变形情况下的静摩擦力和驱动负载。
[0015] 通过过盈安装在内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧开槽内孔中的 一组高温陶瓷加热棒1的热膨胀变形实现微观旋转驱动；当高温陶瓷加热棒1的发热功率不 同时，其表现出不同的温升，即不同程度的线性热膨胀变形驱动仿生楔形触角A8、仿生楔形 触角B12产生相应的等效位移;在内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧开槽内 孔的间隙处，一方面，热膨胀变形导致的径向位移增加了仿生楔形触角A8、仿生楔形触角 B12与柱形转动体11外圆柱面微结构阵列间的接触载荷，从而增强了柱形转动体11微转动 过程中的表面滑动摩擦力；另一方面，热膨胀变形导致的周向位移亦直接驱动了柱形转动 体11产生可控的微角位移。
[0016]所述的柱形转动体11的外圆柱表面为非光滑圆柱面，即柱形转动体11的圆柱面表 层制备有特征尺寸在百微米级的球状微结构阵列，该微型凸起结构沿柱形转动体11的轴向 等间距分布，可增加仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12与柱形转动体11之间的滑动摩擦系 数。
[0017]所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台的主体尺寸为51 mm X40 mm X 14 mm〇
[0018] 本实用新型的有益效果在于:本实用新型可实现纳米级的旋转输出位移分辨率， 驱动速度快，运动行程大，结构紧凑，主体尺寸为51 mm X40 mm X 14 mm。与现有技术相 比，本实用新型采用压电驱动技术结合热膨胀变形方法实现对回转类目标的宏微结合模式 的精密旋转驱动，具有特征几何形状的仿生楔形触角和具有细微结构的柱形转动提非光滑 圆柱面可提升驱动平台正向宏观驱动和反向惯性滑行的稳定性。此外，由于本实用新型的 主体结构采用卧式布局方式，且结构小巧，可将驱动平台置于扫描电子显微镜的真空腔体 内，便于对微观粘滑摩擦过程及磨损机制的的高分辨率监测与分析。
【附图说明】
[0019] 此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分， 本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限 定。
[0020] 图1为本实用新型的整体外观结构示意图；
[0021]图2为本实用新型的俯视不意图；
[0022]图3为本实用新型的主视不意图；
[0023] 图4为本实用新型具有仿生触角结构的柔性铰链示意图；
[0024] 图5为本实用新型具有球形微结构阵列表层的柱形转动体结构示意图；
[0025]图6为本实用新型铰链变形与总体驱动原理示意图；
[0026]图7为本实用新型宏观与微观驱动原理示意图。
[0027] 图中：1、高温陶瓷加热棒;2、内包络式柔性铰链-1; 3、内六角螺钉;4、铰链刚性支 撑端;5、压电促动器;6、硬质钢球;7、基座;8、仿生楔形触角_1;9、陶瓷球轴承；10、刚性平面 反光板;11、柱形转动体;12、仿生楔形触角-2; 13、内包络式柔性铰链。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其【具体实施方式】。
[0029] 参见图1至图7所示，本实用新型的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台， 包括宏观压电驱动单元、微观热膨胀驱动单元、微回转单元以及支撑单元，所述宏观压电驱 动单元嵌入式刚性安装在支撑单元中的基座7的矩形槽中，内包络式柔性铰链A2、内包络式 柔性铰链B13对称轴线的非固定部分通过支撑单元中的硬质钢球6浮动于基座7的弧形导向 槽上;微观热膨胀驱动单元中的高温陶瓷加热棒1过盈安装于宏观压电驱动单元中对称式 布局的内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧的开槽内孔中；微回转单元中的柱 形转动体11的圆柱母线与微观热膨胀驱动单元中的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12的 触点保持线弹性接触，且陶瓷球轴承9的外圈过盈安装于支撑单元中的基座7的中心阶梯内 孔中。
[0030] 所述的宏观压电驱动单元包括内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13、内六 角螺钉3、铰链刚性支撑端4和压电促动器5,所述内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链 B13具有近圆环形拓扑结构，且分别具有八处圆弧过渡式的柔性结构，铰链刚性支撑端4通 过内六角螺钉3与基座7连接，一组压电促动器5具有输出位移自检测功能并同轴、共面、对 称安装于内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13的刚性内侧壁之间，其对称轴为柱形 转动体11的中轴线。
[0031] 所述的微观热膨胀驱动单元包括一组高温陶瓷加热棒1和仿生楔形触角A8、仿生 楔形触角B12,所述高温陶瓷加热棒1以柱形转动体11的中轴线为对称轴安装在内包络式柔 性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧的开槽内孔中，仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12具 有弧形"月牙式"的阵列微结构，且附着在内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧 的开槽圆柱外表面。
[0032] 所述的微回转单元包括陶瓷球轴承9、刚性平面反光板10和柱形转动体11，所述柱 形转动体11的阶梯轴过盈安装在具有良好的耐热性和较高的回转精度的陶瓷球轴承9内圈 中，刚性平面反光板10为具有反光特性的非透明硅片，用于对激光位移传感器等非接触式 位移检测装置对本实用新型所述旋转平台的微转角进行入射和反射光路探测，内嵌安装在 柱形转动体11的矩形凹槽中；
[0033] 所述的支撑单元包括一组硬质钢球6和基座7,所述硬质钢球6安装在基座7的弧形 导向凹槽中，并与内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13下表面的内凹槽保持弹性点 接触，基座7的上表面，除弧形导向凹槽处，整体涂覆有厚度为0.5mm的TDD真空绝热涂层材 料，以削弱高温陶瓷加热棒1的高温热辐射对基座7的热变形影响;此外，基座7亦加工有一 组螺纹孔，以便于本实用新型与气浮隔振台或高分辨显微镜调整平台等载物环境的定位与 安装。
[0034]所述的内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13与铰链刚性支撑端4之间采用 可转动式的圆弧形柔性结构进行连接，即可实现对称式内包络式柔性铰链A2、内包络式柔 性铰链B13在其环形拓扑平面上的旋转自由度，在仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12的触 点与柱形转动体11外圆柱面间的接触载荷过大的情况下，该圆弧形柔性结构可沿背离触点 接触区域的防线产生小幅扭转变形以降低局部接触区域的接触应力，对柱形转动体11的宏 观旋转驱动过程起到缓冲、减震的作用；内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13的八 处圆弧过渡式的柔性结构亦呈现对称布局形式，结合一组同轴且对称安装的压电促动器5 在加载过程中的等幅、等频、同步位移输出，一组内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链 B13外侧的开槽圆柱中心轴线相应地输出等幅、等频、等力矩且方向相反的位移，即可通过 粘滑摩擦驱动柱形转动体11产生步幅在微弧度级的宏观旋转运动。
[0035]所述的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12沿内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性 铰链B13的开槽圆柱面均布周向排列，内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13通过其 外侧开槽圆柱表面附着的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12与柱形转动体11始终保持弹 性接触;具有弧形"月牙式"结构特征的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12的曲率半径为亚 毫米级，当向一组压电促动器5施加等幅、等频的正电压时，仿生楔形触角A8、仿生楔形触角 B12尖端的运动方向朝向其"月牙式"弧线的圆心，且触角尖端与柱形转动体11的非光滑外 圆柱面始终保持弹性点接触；当一组压电促动器5轴向加载时，仿生楔形触角A8、仿生楔形 触角B12可驱动柱形转动体11顺时针方向步进旋转，当压电促动器5轴向快速卸载时，柱形 转动体11可保持其当前位置不发生变化，即仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12具有正向宏 观驱动和反向惯性滑行的作用。
[0036]所述的内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13浮动端的下表面和基座7的上 表面分别加工有曲率半径一致的弧形导向凹槽，单个硬质钢珠6的球径小于凹槽的曲率半 径，硬质钢珠6与弧形导向凹槽始终保持弹性点接触，即以滚动摩擦而非滑动摩擦方式对内 包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13的变形进行导向，以克服内包络式柔性铰链A2、 内包络式柔性铰链B13在极小变形情况下的静摩擦力和驱动负载。
[0037]通过过盈安装在内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧开槽内孔中的 一组高温陶瓷加热棒1的热膨胀变形实现微观旋转驱动；当高温陶瓷加热棒1的发热功率不 同时，其表现出不同的温升，即不同程度的线性热膨胀变形驱动仿生楔形触角A8、仿生楔形 触角B12产生相应的等效位移;在内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧开槽内 孔的间隙处，一方面，热膨胀变形导致的径向位移增加了仿生楔形触角A8、仿生楔形触角 B12与柱形转动体11外圆柱面微结构阵列间的接触载荷，从而增强了柱形转动体11微转动 过程中的表面滑动摩擦力；另一方面，热膨胀变形导致的周向位移亦直接驱动了柱形转动 体11产生可控的微角位移。
[0038]所述的柱形转动体11的外圆柱表面为具有较大摩擦系数和细微结构的非光滑圆 柱面，即柱形转动体11的圆柱面表层制备有特征尺寸在百微米级的球状微结构阵列，该微 型凸起结构沿柱形转动体11的轴向和轴向等间距分布，可增加仿生楔形触角A8、仿生楔形 触角B12与柱形转动体11之间的滑动摩擦系数。
[0039]所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台的主体尺寸为51 mm X40 mm X 14 mm〇
[0040]本实用新型中宏观压电驱动单元分别通过内包络式柔性铰链和仿生楔形触角的 弹性变形对柱形转动体进行顺时针宏观驱动，微观热膨胀驱动单元通过高温陶瓷加热棒的 热传导在仿生楔形触角的间歇处产生可控的热膨胀变形，进而驱动触角产生微小线性位 移，实现对柱形转动体的微观驱动。柱形转动体以过盈配合方式内嵌于陶瓷球轴承的转动 体中，且其凹槽内嵌入式安装有刚性平面反光板，用于非接触式光学位移测量系统对柱形 转动体旋转变形的定量检测。涉及到的元器件和具体型号为：压电促动器5的型号为 PTJ1500505201，标称输出位移为20 μπι，空载输出推力为900 N，刚度为45 Ν/μπι，谐振频率 高达83 kHz。高温陶瓷加热棒1实为利用氧化铝陶瓷和金属材料共同烧结而成的高温陶瓷 发热体，其直径为3.8 mm，型号为XH-RB382,额定功率为200 W，最高温度约为600 °C。内包 络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13和基座7的弧形导向凹槽均采用线切割方式加工。 [0041 ]在对柱形转动体11的旋转速度及分辨率进行测试之前，应首先确保内包络式柔性 铰链A2、内包络式柔性铰链B13于基座之间以及柱形转动体11与陶瓷球轴承9之间的直线与 旋转运动的平顺性，并对刚性平面反光板10在柱形转动体11直槽中的安装紧固性进行检 测。初始状态下，如附图1-3所示，高温陶瓷加热棒1与压电促动器5均未供电，即不产生相应 的温升和轴向变形，仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12的触点与柱形转动体11圆柱面上的 微结构凸起处保持小预应力弹性接触状态。结合附图4,当向压电促动器5施加平缓的线性 增加电压（图4所示的锯齿波形)时，内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13在X方向弹 性伸长，其伸长量2 X正比于压电促动器5的轴向伸长量。相应地，内包络式柔性铰链A2、内 包络式柔性铰链B13在y方向亦产生弹性变形2 7，两正交方向上的弹性变形量分别为柱形 转动体11提供接触正压力和粘滑摩擦力。在正压力的作用下，仿生楔形触角A8、仿生楔形触 角B12产生挠曲变形，随着压电促动器5加载电压的增加，其尖端触点与柱形转动体11外圆 柱面表面的球状微结构阵列（如图5所示）的接触方式逐渐由点接触向面接触过渡，从而驱 动柱形转动体11(半径为r)沿逆时针方向产生宏观旋转角位移，相应的转角为△ 〃，Δ 0 与r d X和2 7之间的数学关系可表述为：
[0043] 在此基础上，如附图7所示，通过可程控温控控制器向高温陶瓷加热棒1施加直流 电压，使高温陶瓷加热棒1达到预设温度。此时，内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链 B13外侧开槽内孔在热传导的作用下产生相应的热膨胀变形，该变形沿开槽内孔的径向和 周向传播，开槽孔壁的直径为7?，热膨胀系数为σ，当高温陶瓷加热棒1的温升为△ Γ时，开 槽内孔产生的总位移Δ 2为：
[0044] 窗:土福露0.士..轉
[0045]考虑到内包络式柔性铰链Α2、内包络式柔性铰链Β13材料为7075铝合金，其泊松比 约为0.33,且由于薄壁内孔的间隙利于热膨胀沿孔壁的周向自由传播，因此，孔壁的径向变 形量远小于其周向变形量。因此，高温陶瓷加热棒1的温升一方面增加了仿生楔形触角Α8、 仿生楔形触角Β12与柱形转动体11的正压力，另一方面温升导致的孔壁热膨胀亦使柱形转 动体11产生微量的角位移，从而利用结构热膨胀行为实现了驱动平台的微观旋转角位移。
[0046] 进一步，当施加在压电促动器5上的锯齿波形电压迅速下降时，内包络式柔性铰链 Α2、内包络式柔性铰链Β13迅速弹性回复至其初始位置。相应地，仿生楔形触角Α8、仿生楔形 触角Β12的触点与柱形转动体11的圆柱面发生逆时针接触摩擦，此时，仿生楔形触角Α8、仿 生楔形触角Β12的弧形"月牙式"结构特征中曲率半径较大的一侧与柱形转动体11的圆柱面 保持短时间的面接触后迅速分离，柱形转动体11自身的惯性载荷远大于分离过程中粘滑接 触的摩擦力，因此，柱形转动体11在其固有位置处不产生定向移动。在周期性锯齿电压波形 的作用下，柱形转动体11产生连续的定向旋转运动。在驱动过程中，非接触式光学位移测量 系统对内嵌于柱形转动体11凹槽内的刚性平面反光板的旋转变形进行实时检测。
[0047] 以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领 域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征在于:包括宏观压电驱动 单元、微观热膨胀驱动单元、微回转单元以及支撑单元，所述宏观压电驱动单元嵌入式刚性 安装在支撑单元中的基座(7)的矩形槽中，内包络式柔性铰链A、B (2、13 )对称轴线的非固定 部分通过支撑单元中的硬质钢球(6)浮动于基座(7)的弧形导向槽上;微观热膨胀驱动单元 中的高温陶瓷加热棒(1)过盈安装于宏观压电驱动单元中对称式布局的内包络式柔性铰链 A、B(2、13)外侧的开槽内孔中；微回转单元中的柱形转动体（11)的圆柱母线与微观热膨胀 驱动单元中的仿生楔形触角A、B(8、12)的触点保持线弹性接触，且陶瓷球轴承(9)的外圈过 盈安装于支撑单元中的基座(7)的中心阶梯内孔中。2. 根据权利要求1所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征在于:所 述的宏观压电驱动单元包括内包络式柔性铰链A、B(2、13)、内六角螺钉(3)、铰链刚性支撑 端(4)和压电促动器(5)，所述内包络式柔性铰链A、B(2、13)具有圆环形拓扑结构，且分别具 有八处圆弧过渡式的柔性结构，铰链刚性支撑端(4)通过内六角螺钉(3)与基座(7)连接，一 组压电促动器(5)具有输出位移自检测功能并同轴、共面、对称安装于内包络式柔性铰链A、 B(2、13)的刚性内侧壁之间，其对称轴为柱形转动体(11)的中轴线。3. 根据权利要求1所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征在于:所 述的微观热膨胀驱动单元包括一组高温陶瓷加热棒（1)和仿生楔形触角A、B(8、12)，所述高 温陶瓷加热棒（1)以柱形转动体（11)的中轴线为对称轴安装在内包络式柔性铰链A、B( 2、 13)外侧的开槽内孔中，仿生楔形触角A、B(8、12)具有弧形"月牙式"的阵列微结构，且附着 在内包络式柔性铰链A、B (2、13 )外侧的开槽圆柱外表面。4. 根据权利要求1所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征在于:所 述的微回转单元包括陶瓷球轴承(9)、刚性平面反光板(10)和柱形转动体(11)，所述柱形转 动体（11)的阶梯轴过盈安装在陶瓷球轴承(9)内圈中，刚性平面反光板（10)为具有反光特 性的非透明硅片，用于对微转角进行入射和反射光路探测，内嵌安装在柱形转动体（11)的 矩形凹槽中； 所述的支撑单元包括一组硬质钢球(6)和基座(7)，所述硬质钢球(6)安装在基座(7)的 弧形导向凹槽中，并与内包络式柔性铰链A、B(2、13)下表面的内凹槽保持弹性点接触，基座 (7)的上表面，除弧形导向凹槽处，整体涂覆有厚度为0.5mm的TDD真空绝热涂层材料，以削 弱高温陶瓷加热棒(1)的高温热辐射对基座(7)的热变形影响;此外，基座(7)加工有一组螺 纹孔，与气浮隔振台或高分辨显微镜调整平台的定位与安装。5. 根据权利要求1或2或3所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征 在于:所述的内包络式柔性铰链A、B(2、13)与铰链刚性支撑端(4)之间采用可转动式的圆弧 形柔性结构进行连接，即可实现对称式内包络式柔性铰链A、B(2、13)在其环形拓扑平面上 的旋转自由度，在仿生楔形触角A、B (8、12 )的触点与柱形转动体（11)外圆柱面间的接触载 荷过大的情况下，该圆弧形柔性结构可沿背离触点接触区域的防线产生扭转变形以降低局 部接触区域的接触应力，对柱形转动体（11)的宏观旋转驱动过程起到缓冲、减震的作用；内 包络式柔性铰链A、B(2、13)的八处圆弧过渡式的柔性结构亦呈现对称布局形式，结合一组 同轴且对称安装的压电促动器(5)在加载过程中的等幅、等频、同步位移输出，一组内包络 式柔性铰链A、B(2、13)外侧的开槽圆柱中心轴线相应地输出等幅、等频、等力矩且方向相反 的位移，即可通过粘滑摩擦驱动柱形转动体(11)产生步幅在微弧度级的宏观旋转运动。6. 根据权利要求1或3所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征在 于:所述的仿生楔形触角A、B(8、12)沿内包络式柔性铰链A、B(2、13)的开槽圆柱面均布周向 排列，内包络式柔性铰链A、B(2、13)通过其外侧开槽圆柱表面附着的仿生楔形触角A、B(8、 12)与柱形转动体(11)始终保持弹性接触;具有弧形"月牙式"结构特征的仿生楔形触角A、B (8、12)的曲率半径为亚毫米级，当向一组压电促动器(5)施加等幅、等频的正电压时，仿生 楔形触角A、B(8、12)尖端的运动方向朝向其"月牙式"弧线的圆心，且触角尖端与柱形转动 体(11)的非光滑外圆柱面始终保持弹性点接触；当一组压电促动器(5)轴向加载时，仿生楔 形触角A、B(8、12)可驱动柱形转动体(11)顺时针方向步进旋转，当压电促动器(5)轴向快速 卸载时，柱形转动体(11)可保持其当前位置不发生变化，即仿生楔形触角A、B(8、12)具有正 向宏观驱动和反向惯性滑行的作用。7. 根据权利要求1或2或3所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征 在于:所述的内包络式柔性铰链A、B( 2、13)浮动端的下表面和基座(7 )的上表面分别加工有 曲率半径一致的弧形导向凹槽，单个硬质钢球(6)的球径小于凹槽的曲率半径，硬质钢球 (6)与弧形导向凹槽始终保持弹性点接触，即以滚动摩擦而非滑动摩擦方式对内包络式柔 性铰链A、B(2、13)的变形进行导向，以克服内包络式柔性铰链A、B(2、13)在极小变形情况下 的静摩擦力和驱动负载。8. 根据权利要求1所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征在于:通 过过盈安装在内包络式柔性铰链A、B(2、13)外侧开槽内孔中的一组高温陶瓷加热棒（1)的 热膨胀变形实现微观旋转驱动；当高温陶瓷加热棒(1)的发热功率不同时，其表现出不同的 温升，即不同程度的线性热膨胀变形驱动仿生楔形触角A、B(8、12)产生相应的等效位移;在 内包络式柔性铰链A、B(2、13)外侧开槽内孔的间隙处，一方面，热膨胀变形导致的径向位移 增加了仿生楔形触角A、B(8、12)与柱形转动体（11)外圆柱面微结构阵列间的接触载荷，从 而增强了柱形转动体（11)微转动过程中的表面滑动摩擦力；另一方面，热膨胀变形导致的 周向位移亦直接驱动了柱形转动体(11)产生可控的微角位移。9. 根据权利要求1至4中任意一项所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台， 其特征在于:所述的柱形转动体（11)的外圆柱表面为非光滑圆柱面，即柱形转动体（11)的 圆柱面表层制备有特征尺寸在百微米级的球状微结构阵列，该球状微结构阵列沿柱形转动 体（11)的轴向等间距分布，可增加仿生楔形触角A、B (8、12 )与柱形转动体（11)之间的滑动 摩擦系数。10. 根据权利要求1至4中任意一项所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平 台，其特征在于:所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台的主体尺寸为51 mm X40 mm X 14 mm〇
【文档编号】H02N2/10GK205725520SQ201620382021
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】马志超, 赵宏伟, 任露泉, 姜哲
【申请人】吉林大学
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，属于精密驱动领域。宏观压电驱动单元分别通过内包络式柔性铰链和仿生楔形触角的弹性变形对柱形转动体进行顺时针宏观驱动，微观热膨胀驱动单元通过高温陶瓷加热棒的热传导在仿生楔形触角的间歇处产生可控的热膨胀变形，进而驱动触角产生微小线性位移，实现对柱形转动体的微观驱动。柱形转动体以过盈配合方式内嵌于陶瓷球轴承的转动体中，且其凹槽内嵌入式安装有刚性平面反光板，用于非接触式光学位移测量系统对柱形转动体旋转变形的定量检测。优点在于：结构紧凑，可满足微纳操作、微纳加工、精密光学、航天及医学工程等领域对微纳米级精密驱动与定位的需求。
【专利说明】
基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台
技术领域
[0001] 本实用新型涉及精密驱动领域，特别涉及一种具有纳米级驱动精度的基于仿生触 角和热膨胀的宏微驱动旋转平台。通过内包络式压电驱动单元结合具有特征形态的仿生楔 形触角，可实现微弧度级的转动精度。在此基础上，结合楔形触角的可控热膨胀，可实现纳 弧度级转角的精密驱动，即实现压电式旋转平台的宏微耦合驱动模式。本实用新型可为微 纳操作、精密光学等有微纳米级精密驱动需求的诸多领域提供技术支撑，亦可作为微构件 微尺度力学性能精密测试的加载单元。
【背景技术】
[0002] 传统精密驱动与传动技术往往采用伺服电机、直线电机等驱动部件作为驱动动力 源，以及滚数丝杠、蜗轮蜗杆、线性导轨、曲柄连杆机构等传动部件构成复杂传动系统。由于 存在电机回转机械惯性、电磁扰动、传动效率损耗、机构爬行、传动系统间隙、换向冲击、滑 动磨损等影响精密传动过程的不利因素，传统驱动与传动技术难以实现纳米级精密驱动与 定位的要求。相比于通过电致伸缩、磁致伸缩、记忆合金变形等效应实现的精密驱动技术， 压电驱动技术具有响应频率高和传动柔性化等特点。以压电精密驱动技术为代表的微纳精 密驱动技术在精密光学、控制工程、微电子技术、航空航天、生物医学工程等领域应用广泛， 尤其在航天飞行器空间对接、仿生微型机器人驱动、超精密加工与装配、显微生物医学组织 操作等前沿领域具有难以替代的作用。而精密驱动器作为对目标对象直接定位与操控的执 行器，其驱动性能直接影响其定位精度与操控对象的运动分辨率。
[0003] 根据驱动原理及运动形式的不同，压电驱动器可主要分为惯性式和尺蠖型两种。 其中惯性式压电驱动器具有分辨率高、机械结构简单、输出行程大等特点。相比于直线式驱 动器，旋转驱动器具有更复杂的传动结构，受转动单元回转精度等误差因素的影响，其旋转 定位精度取决于径向和周向的绝对位移。基于粘滑摩擦驱动原理的旋转惯性式压电驱动器 结构紧凑、操作与控制过程简单、定位精度高。其基本结构由压电器件、柔性传动机构和粘 滑回转移动块组成，其中柔性传动机构的移动端与粘滑回转移动块保持面接触或点接触， 接触区域表面具有较大的静摩擦系数和滑动摩擦系数。依据动量守恒定律，当向压电器件 施加线性增加的驱动电压时，柔性传动机构产生相应的驱动位移并与粘滑回转移动块进行 接触摩擦传动，因粘滑过程速度较为缓慢，回转移动快所受惯性冲击并不显著，粘滑移回转 移动块的转动弧长与柔性传动机构的输出位移行程保持一致。当施加在压电器件上的电压 迅速下降时，柔性传动机构迅速弹性回复至其初始位置，但粘滑移回转移动块由于自身的 惯性载荷大于柔性传动结构弹性回复过程中的摩擦力。据此，在周期性锯齿形电压的作用 下，粘滑移回转移动块产生步进旋转位移。J.M. Breguet对粘滑式惯性驱动器的驱动原理 和控制方法进行了系统的研究，Q.Z. Zou利用惯性质量块与驱动单元之间的粘滑现象开发 了精密旋转驱动器。采用锯齿波形信号作为均布式压电双晶片的加载电压波形，在加载过 程中周向分布的三个雅典敬佩同时同向缓慢旋转，进而驱动回转驱动单元同步转动;在卸 载过程中，压电晶片迅速弹性回复，而回转驱动单元的位置基本保持不变。因此，在连续锯 齿波形时序信号的作用下，回转驱动单元实现了连续的旋转运动，旋转速度达到O.lSrad/ s. Y. Zhang研制了一种基于直线运动和旋转运动的多自由度粘滑驱动器，其旋转运动的 实现是基于对两个压电叠堆精确的时序控制配合实现的。
[0004] 尽管基于粘滑摩擦驱动原理的旋转惯性式压电驱动器因其简单的结构、较高的运 动分辨率、较大的运动行程和较快的驱动速度而在精密驱动领域应用广泛，但机构磨损、惯 性冲击等因素限制了其极高定位精度的实现。此外，在实际工况下，由于压电精密驱动器的 服役工况往往受到空间尺寸狭小、电磁环境复杂、工作温度剧变等诸多因素的影响，难以实 现纳米级精度的稳定运动输出。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，解 决了现有技术存在的上述问题。针对现有粘滑摩擦型惯性式驱动器驱动大都仅采用压电器 件作为驱动单元的驱动模式，本实用新型将压电驱动方法实现的宏观驱动与柔性机构热膨 胀行为实现的微观驱动相结合，实现丰富的旋转驱动模式和纳米级的旋转驱动分辨率。本 实用新型由宏观压电驱动单元、微观热膨胀驱动单元、微回转单元以及支撑单元组成。本实 用新型的宏观旋转运动依靠内包络式柔性铰链和仿生楔形触角的弹性变形实现柱形转动 体的粘滑摩擦，本实用新型的微观旋转驱动依靠高温陶瓷加热棒在仿生楔形触角的间歇处 产生的热膨胀实现柱形转动体的微动摩擦。
[0006] 本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
[0007] 基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，包括宏观压电驱动单元、微观热膨 胀驱动单元、微回转单元以及支撑单元，所述宏观压电驱动单元嵌入式刚性安装在支撑单 元中的基座7的矩形槽中，内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13对称轴线的非固定 部分通过支撑单元中的硬质钢球6浮动于基座7的弧形导向槽上;微观热膨胀驱动单元中的 高温陶瓷加热棒1过盈安装于宏观压电驱动单元中对称式布局的内包络式柔性铰链A2、内 包络式柔性铰链B13外侧的开槽内孔中；微回转单元中的柱形转动体11的圆柱母线与微观 热膨胀驱动单元中的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12的触点保持线弹性接触，且陶瓷球 轴承9的外圈过盈安装于支撑单元中的基座7的中心阶梯内孔中。
[0008] 所述的宏观压电驱动单元包括内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13、内六 角螺钉3、铰链刚性支撑端4和压电促动器5,所述内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链 B13具有近圆环形拓扑结构，且分别具有八处圆弧过渡式的柔性结构，铰链刚性支撑端4通 过内六角螺钉3与基座7连接，一组压电促动器5具有输出位移自检测功能并同轴、共面、对 称安装于内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13的刚性内侧壁之间，其对称轴为柱形 转动体11的中轴线。
[0009] 所述的微观热膨胀驱动单元包括一组高温陶瓷加热棒1和仿生楔形触角A8、仿生 楔形触角B12,所述高温陶瓷加热棒1以柱形转动体11的中轴线为对称轴安装在内包络式柔 性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧的开槽内孔中，仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12具 有弧形"月牙式"的阵列微结构，且附着在内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧 的开槽圆柱外表面。
[0010] 所述的微回转单元包括陶瓷球轴承9、刚性平面反光板10和柱形转动体11，所述柱 形转动体11的阶梯轴过盈安装在陶瓷球轴承9内圈中，刚性平面反光板10为具有反光特性 的非透明硅片，用于对微转角进行入射和反射光路探测，内嵌安装在柱形转动体11的矩形 凹槽中；
[0011] 所述的支撑单元包括一组硬质钢球6和基座7,所述硬质钢球6安装在基座7的弧形 导向凹槽中，并与内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13下表面的内凹槽保持弹性点 接触，基座7的上表面，除弧形导向凹槽处，整体涂覆有厚度为0.5mm的TDD真空绝热涂层材 料，以削弱高温陶瓷加热棒1的高温热辐射对基座7的热变形影响;此外，基座7加工有一组 螺纹孔，与气浮隔振台或高分辨显微镜调整平台的定位与安装。
[0012] 所述的内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13与铰链刚性支撑端4之间采用 可转动式的圆弧形柔性结构进行连接，即可实现对称式内包络式柔性铰链A2、内包络式柔 性铰链B13在其环形拓扑平面上的旋转自由度，在仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12的触 点与柱形转动体11外圆柱面间的接触载荷过大的情况下，该圆弧形柔性结构可沿背离触点 接触区域的防线产生扭转变形以降低局部接触区域的接触应力，对柱形转动体11的宏观旋 转驱动过程起到缓冲、减震的作用；内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13的八处圆 弧过渡式的柔性结构亦呈现对称布局形式，结合一组同轴且对称安装的压电促动器5在加 载过程中的等幅、等频、同步位移输出，一组内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外 侧的开槽圆柱中心轴线相应地输出等幅、等频、等力矩且方向相反的位移，即可通过粘滑摩 擦驱动柱形转动体11产生步幅在微弧度级的宏观旋转运动。
[0013] 所述的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12沿内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性 铰链B13的开槽圆柱面均布周向排列，内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13通过其 外侧开槽圆柱表面附着的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12与柱形转动体11始终保持弹 性接触;具有弧形"月牙式"结构特征的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12的曲率半径为亚 毫米级，当向一组压电促动器5施加等幅、等频的正电压时，仿生楔形触角A8、仿生楔形触角 B12尖端的运动方向朝向其"月牙式"弧线的圆心，且触角尖端与柱形转动体11的非光滑外 圆柱面始终保持弹性点接触；当一组压电促动器5轴向加载时，仿生楔形触角A8、仿生楔形 触角B12可驱动柱形转动体11顺时针方向步进旋转，当压电促动器5轴向快速卸载时，柱形 转动体11可保持其当前位置不发生变化，即仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12具有正向宏 观驱动和反向惯性滑行的作用。
[0014] 所述的内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13浮动端的下表面和基座7的上 表面分别加工有曲率半径一致的弧形导向凹槽，单个硬质钢珠6的球径小于凹槽的曲率半 径，硬质钢珠6与弧形导向凹槽始终保持弹性点接触，即以滚动摩擦而非滑动摩擦方式对内 包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13的变形进行导向，以克服内包络式柔性铰链A2、 内包络式柔性铰链B13在极小变形情况下的静摩擦力和驱动负载。
[0015] 通过过盈安装在内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧开槽内孔中的 一组高温陶瓷加热棒1的热膨胀变形实现微观旋转驱动；当高温陶瓷加热棒1的发热功率不 同时，其表现出不同的温升，即不同程度的线性热膨胀变形驱动仿生楔形触角A8、仿生楔形 触角B12产生相应的等效位移;在内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧开槽内 孔的间隙处，一方面，热膨胀变形导致的径向位移增加了仿生楔形触角A8、仿生楔形触角 B12与柱形转动体11外圆柱面微结构阵列间的接触载荷，从而增强了柱形转动体11微转动 过程中的表面滑动摩擦力；另一方面，热膨胀变形导致的周向位移亦直接驱动了柱形转动 体11产生可控的微角位移。
[0016]所述的柱形转动体11的外圆柱表面为非光滑圆柱面，即柱形转动体11的圆柱面表 层制备有特征尺寸在百微米级的球状微结构阵列，该微型凸起结构沿柱形转动体11的轴向 等间距分布，可增加仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12与柱形转动体11之间的滑动摩擦系 数。
[0017]所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台的主体尺寸为51 mm X40 mm X 14 mm〇
[0018] 本实用新型的有益效果在于:本实用新型可实现纳米级的旋转输出位移分辨率， 驱动速度快，运动行程大，结构紧凑，主体尺寸为51 mm X40 mm X 14 mm。与现有技术相 比，本实用新型采用压电驱动技术结合热膨胀变形方法实现对回转类目标的宏微结合模式 的精密旋转驱动，具有特征几何形状的仿生楔形触角和具有细微结构的柱形转动提非光滑 圆柱面可提升驱动平台正向宏观驱动和反向惯性滑行的稳定性。此外，由于本实用新型的 主体结构采用卧式布局方式，且结构小巧，可将驱动平台置于扫描电子显微镜的真空腔体 内，便于对微观粘滑摩擦过程及磨损机制的的高分辨率监测与分析。
【附图说明】
[0019] 此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分， 本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限 定。
[0020] 图1为本实用新型的整体外观结构示意图；
[0021]图2为本实用新型的俯视不意图；
[0022]图3为本实用新型的主视不意图；
[0023] 图4为本实用新型具有仿生触角结构的柔性铰链示意图；
[0024] 图5为本实用新型具有球形微结构阵列表层的柱形转动体结构示意图；
[0025]图6为本实用新型铰链变形与总体驱动原理示意图；
[0026]图7为本实用新型宏观与微观驱动原理示意图。
[0027] 图中：1、高温陶瓷加热棒;2、内包络式柔性铰链-1; 3、内六角螺钉;4、铰链刚性支 撑端;5、压电促动器;6、硬质钢球;7、基座;8、仿生楔形触角_1;9、陶瓷球轴承；10、刚性平面 反光板;11、柱形转动体;12、仿生楔形触角-2; 13、内包络式柔性铰链。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其【具体实施方式】。
[0029] 参见图1至图7所示，本实用新型的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台， 包括宏观压电驱动单元、微观热膨胀驱动单元、微回转单元以及支撑单元，所述宏观压电驱 动单元嵌入式刚性安装在支撑单元中的基座7的矩形槽中，内包络式柔性铰链A2、内包络式 柔性铰链B13对称轴线的非固定部分通过支撑单元中的硬质钢球6浮动于基座7的弧形导向 槽上;微观热膨胀驱动单元中的高温陶瓷加热棒1过盈安装于宏观压电驱动单元中对称式 布局的内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧的开槽内孔中；微回转单元中的柱 形转动体11的圆柱母线与微观热膨胀驱动单元中的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12的 触点保持线弹性接触，且陶瓷球轴承9的外圈过盈安装于支撑单元中的基座7的中心阶梯内 孔中。
[0030] 所述的宏观压电驱动单元包括内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13、内六 角螺钉3、铰链刚性支撑端4和压电促动器5,所述内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链 B13具有近圆环形拓扑结构，且分别具有八处圆弧过渡式的柔性结构，铰链刚性支撑端4通 过内六角螺钉3与基座7连接，一组压电促动器5具有输出位移自检测功能并同轴、共面、对 称安装于内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13的刚性内侧壁之间，其对称轴为柱形 转动体11的中轴线。
[0031] 所述的微观热膨胀驱动单元包括一组高温陶瓷加热棒1和仿生楔形触角A8、仿生 楔形触角B12,所述高温陶瓷加热棒1以柱形转动体11的中轴线为对称轴安装在内包络式柔 性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧的开槽内孔中，仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12具 有弧形"月牙式"的阵列微结构，且附着在内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧 的开槽圆柱外表面。
[0032] 所述的微回转单元包括陶瓷球轴承9、刚性平面反光板10和柱形转动体11，所述柱 形转动体11的阶梯轴过盈安装在具有良好的耐热性和较高的回转精度的陶瓷球轴承9内圈 中，刚性平面反光板10为具有反光特性的非透明硅片，用于对激光位移传感器等非接触式 位移检测装置对本实用新型所述旋转平台的微转角进行入射和反射光路探测，内嵌安装在 柱形转动体11的矩形凹槽中；
[0033] 所述的支撑单元包括一组硬质钢球6和基座7,所述硬质钢球6安装在基座7的弧形 导向凹槽中，并与内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13下表面的内凹槽保持弹性点 接触，基座7的上表面，除弧形导向凹槽处，整体涂覆有厚度为0.5mm的TDD真空绝热涂层材 料，以削弱高温陶瓷加热棒1的高温热辐射对基座7的热变形影响;此外，基座7亦加工有一 组螺纹孔，以便于本实用新型与气浮隔振台或高分辨显微镜调整平台等载物环境的定位与 安装。
[0034]所述的内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13与铰链刚性支撑端4之间采用 可转动式的圆弧形柔性结构进行连接，即可实现对称式内包络式柔性铰链A2、内包络式柔 性铰链B13在其环形拓扑平面上的旋转自由度，在仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12的触 点与柱形转动体11外圆柱面间的接触载荷过大的情况下，该圆弧形柔性结构可沿背离触点 接触区域的防线产生小幅扭转变形以降低局部接触区域的接触应力，对柱形转动体11的宏 观旋转驱动过程起到缓冲、减震的作用；内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13的八 处圆弧过渡式的柔性结构亦呈现对称布局形式，结合一组同轴且对称安装的压电促动器5 在加载过程中的等幅、等频、同步位移输出，一组内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链 B13外侧的开槽圆柱中心轴线相应地输出等幅、等频、等力矩且方向相反的位移，即可通过 粘滑摩擦驱动柱形转动体11产生步幅在微弧度级的宏观旋转运动。
[0035]所述的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12沿内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性 铰链B13的开槽圆柱面均布周向排列，内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13通过其 外侧开槽圆柱表面附着的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12与柱形转动体11始终保持弹 性接触;具有弧形"月牙式"结构特征的仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12的曲率半径为亚 毫米级，当向一组压电促动器5施加等幅、等频的正电压时，仿生楔形触角A8、仿生楔形触角 B12尖端的运动方向朝向其"月牙式"弧线的圆心，且触角尖端与柱形转动体11的非光滑外 圆柱面始终保持弹性点接触；当一组压电促动器5轴向加载时，仿生楔形触角A8、仿生楔形 触角B12可驱动柱形转动体11顺时针方向步进旋转，当压电促动器5轴向快速卸载时，柱形 转动体11可保持其当前位置不发生变化，即仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12具有正向宏 观驱动和反向惯性滑行的作用。
[0036]所述的内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13浮动端的下表面和基座7的上 表面分别加工有曲率半径一致的弧形导向凹槽，单个硬质钢珠6的球径小于凹槽的曲率半 径，硬质钢珠6与弧形导向凹槽始终保持弹性点接触，即以滚动摩擦而非滑动摩擦方式对内 包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13的变形进行导向，以克服内包络式柔性铰链A2、 内包络式柔性铰链B13在极小变形情况下的静摩擦力和驱动负载。
[0037]通过过盈安装在内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧开槽内孔中的 一组高温陶瓷加热棒1的热膨胀变形实现微观旋转驱动；当高温陶瓷加热棒1的发热功率不 同时，其表现出不同的温升，即不同程度的线性热膨胀变形驱动仿生楔形触角A8、仿生楔形 触角B12产生相应的等效位移;在内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13外侧开槽内 孔的间隙处，一方面，热膨胀变形导致的径向位移增加了仿生楔形触角A8、仿生楔形触角 B12与柱形转动体11外圆柱面微结构阵列间的接触载荷，从而增强了柱形转动体11微转动 过程中的表面滑动摩擦力；另一方面，热膨胀变形导致的周向位移亦直接驱动了柱形转动 体11产生可控的微角位移。
[0038]所述的柱形转动体11的外圆柱表面为具有较大摩擦系数和细微结构的非光滑圆 柱面，即柱形转动体11的圆柱面表层制备有特征尺寸在百微米级的球状微结构阵列，该微 型凸起结构沿柱形转动体11的轴向和轴向等间距分布，可增加仿生楔形触角A8、仿生楔形 触角B12与柱形转动体11之间的滑动摩擦系数。
[0039]所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台的主体尺寸为51 mm X40 mm X 14 mm〇
[0040]本实用新型中宏观压电驱动单元分别通过内包络式柔性铰链和仿生楔形触角的 弹性变形对柱形转动体进行顺时针宏观驱动，微观热膨胀驱动单元通过高温陶瓷加热棒的 热传导在仿生楔形触角的间歇处产生可控的热膨胀变形，进而驱动触角产生微小线性位 移，实现对柱形转动体的微观驱动。柱形转动体以过盈配合方式内嵌于陶瓷球轴承的转动 体中，且其凹槽内嵌入式安装有刚性平面反光板，用于非接触式光学位移测量系统对柱形 转动体旋转变形的定量检测。涉及到的元器件和具体型号为：压电促动器5的型号为 PTJ1500505201，标称输出位移为20 μπι，空载输出推力为900 N，刚度为45 Ν/μπι，谐振频率 高达83 kHz。高温陶瓷加热棒1实为利用氧化铝陶瓷和金属材料共同烧结而成的高温陶瓷 发热体，其直径为3.8 mm，型号为XH-RB382,额定功率为200 W，最高温度约为600 °C。内包 络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13和基座7的弧形导向凹槽均采用线切割方式加工。 [0041 ]在对柱形转动体11的旋转速度及分辨率进行测试之前，应首先确保内包络式柔性 铰链A2、内包络式柔性铰链B13于基座之间以及柱形转动体11与陶瓷球轴承9之间的直线与 旋转运动的平顺性，并对刚性平面反光板10在柱形转动体11直槽中的安装紧固性进行检 测。初始状态下，如附图1-3所示，高温陶瓷加热棒1与压电促动器5均未供电，即不产生相应 的温升和轴向变形，仿生楔形触角A8、仿生楔形触角B12的触点与柱形转动体11圆柱面上的 微结构凸起处保持小预应力弹性接触状态。结合附图4,当向压电促动器5施加平缓的线性 增加电压（图4所示的锯齿波形)时，内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链B13在X方向弹 性伸长，其伸长量2 X正比于压电促动器5的轴向伸长量。相应地，内包络式柔性铰链A2、内 包络式柔性铰链B13在y方向亦产生弹性变形2 7，两正交方向上的弹性变形量分别为柱形 转动体11提供接触正压力和粘滑摩擦力。在正压力的作用下，仿生楔形触角A8、仿生楔形触 角B12产生挠曲变形，随着压电促动器5加载电压的增加，其尖端触点与柱形转动体11外圆 柱面表面的球状微结构阵列（如图5所示）的接触方式逐渐由点接触向面接触过渡，从而驱 动柱形转动体11(半径为r)沿逆时针方向产生宏观旋转角位移，相应的转角为△ 〃，Δ 0 与r d X和2 7之间的数学关系可表述为：
[0043] 在此基础上，如附图7所示，通过可程控温控控制器向高温陶瓷加热棒1施加直流 电压，使高温陶瓷加热棒1达到预设温度。此时，内包络式柔性铰链A2、内包络式柔性铰链 B13外侧开槽内孔在热传导的作用下产生相应的热膨胀变形，该变形沿开槽内孔的径向和 周向传播，开槽孔壁的直径为7?，热膨胀系数为σ，当高温陶瓷加热棒1的温升为△ Γ时，开 槽内孔产生的总位移Δ 2为：
[0044] 窗:土福露0.士..轉
[0045]考虑到内包络式柔性铰链Α2、内包络式柔性铰链Β13材料为7075铝合金，其泊松比 约为0.33,且由于薄壁内孔的间隙利于热膨胀沿孔壁的周向自由传播，因此，孔壁的径向变 形量远小于其周向变形量。因此，高温陶瓷加热棒1的温升一方面增加了仿生楔形触角Α8、 仿生楔形触角Β12与柱形转动体11的正压力，另一方面温升导致的孔壁热膨胀亦使柱形转 动体11产生微量的角位移，从而利用结构热膨胀行为实现了驱动平台的微观旋转角位移。
[0046] 进一步，当施加在压电促动器5上的锯齿波形电压迅速下降时，内包络式柔性铰链 Α2、内包络式柔性铰链Β13迅速弹性回复至其初始位置。相应地，仿生楔形触角Α8、仿生楔形 触角Β12的触点与柱形转动体11的圆柱面发生逆时针接触摩擦，此时，仿生楔形触角Α8、仿 生楔形触角Β12的弧形"月牙式"结构特征中曲率半径较大的一侧与柱形转动体11的圆柱面 保持短时间的面接触后迅速分离，柱形转动体11自身的惯性载荷远大于分离过程中粘滑接 触的摩擦力，因此，柱形转动体11在其固有位置处不产生定向移动。在周期性锯齿电压波形 的作用下，柱形转动体11产生连续的定向旋转运动。在驱动过程中，非接触式光学位移测量 系统对内嵌于柱形转动体11凹槽内的刚性平面反光板的旋转变形进行实时检测。
[0047] 以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领 域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征在于:包括宏观压电驱动 单元、微观热膨胀驱动单元、微回转单元以及支撑单元，所述宏观压电驱动单元嵌入式刚性 安装在支撑单元中的基座(7)的矩形槽中，内包络式柔性铰链A、B (2、13 )对称轴线的非固定 部分通过支撑单元中的硬质钢球(6)浮动于基座(7)的弧形导向槽上;微观热膨胀驱动单元 中的高温陶瓷加热棒(1)过盈安装于宏观压电驱动单元中对称式布局的内包络式柔性铰链 A、B(2、13)外侧的开槽内孔中；微回转单元中的柱形转动体（11)的圆柱母线与微观热膨胀 驱动单元中的仿生楔形触角A、B(8、12)的触点保持线弹性接触，且陶瓷球轴承(9)的外圈过 盈安装于支撑单元中的基座(7)的中心阶梯内孔中。2. 根据权利要求1所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征在于:所 述的宏观压电驱动单元包括内包络式柔性铰链A、B(2、13)、内六角螺钉(3)、铰链刚性支撑 端(4)和压电促动器(5)，所述内包络式柔性铰链A、B(2、13)具有圆环形拓扑结构，且分别具 有八处圆弧过渡式的柔性结构，铰链刚性支撑端(4)通过内六角螺钉(3)与基座(7)连接，一 组压电促动器(5)具有输出位移自检测功能并同轴、共面、对称安装于内包络式柔性铰链A、 B(2、13)的刚性内侧壁之间，其对称轴为柱形转动体(11)的中轴线。3. 根据权利要求1所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征在于:所 述的微观热膨胀驱动单元包括一组高温陶瓷加热棒（1)和仿生楔形触角A、B(8、12)，所述高 温陶瓷加热棒（1)以柱形转动体（11)的中轴线为对称轴安装在内包络式柔性铰链A、B( 2、 13)外侧的开槽内孔中，仿生楔形触角A、B(8、12)具有弧形"月牙式"的阵列微结构，且附着 在内包络式柔性铰链A、B (2、13 )外侧的开槽圆柱外表面。4. 根据权利要求1所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征在于:所 述的微回转单元包括陶瓷球轴承(9)、刚性平面反光板(10)和柱形转动体(11)，所述柱形转 动体（11)的阶梯轴过盈安装在陶瓷球轴承(9)内圈中，刚性平面反光板（10)为具有反光特 性的非透明硅片，用于对微转角进行入射和反射光路探测，内嵌安装在柱形转动体（11)的 矩形凹槽中； 所述的支撑单元包括一组硬质钢球(6)和基座(7)，所述硬质钢球(6)安装在基座(7)的 弧形导向凹槽中，并与内包络式柔性铰链A、B(2、13)下表面的内凹槽保持弹性点接触，基座 (7)的上表面，除弧形导向凹槽处，整体涂覆有厚度为0.5mm的TDD真空绝热涂层材料，以削 弱高温陶瓷加热棒(1)的高温热辐射对基座(7)的热变形影响;此外，基座(7)加工有一组螺 纹孔，与气浮隔振台或高分辨显微镜调整平台的定位与安装。5. 根据权利要求1或2或3所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征 在于:所述的内包络式柔性铰链A、B(2、13)与铰链刚性支撑端(4)之间采用可转动式的圆弧 形柔性结构进行连接，即可实现对称式内包络式柔性铰链A、B(2、13)在其环形拓扑平面上 的旋转自由度，在仿生楔形触角A、B (8、12 )的触点与柱形转动体（11)外圆柱面间的接触载 荷过大的情况下，该圆弧形柔性结构可沿背离触点接触区域的防线产生扭转变形以降低局 部接触区域的接触应力，对柱形转动体（11)的宏观旋转驱动过程起到缓冲、减震的作用；内 包络式柔性铰链A、B(2、13)的八处圆弧过渡式的柔性结构亦呈现对称布局形式，结合一组 同轴且对称安装的压电促动器(5)在加载过程中的等幅、等频、同步位移输出，一组内包络 式柔性铰链A、B(2、13)外侧的开槽圆柱中心轴线相应地输出等幅、等频、等力矩且方向相反 的位移，即可通过粘滑摩擦驱动柱形转动体(11)产生步幅在微弧度级的宏观旋转运动。6. 根据权利要求1或3所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征在 于:所述的仿生楔形触角A、B(8、12)沿内包络式柔性铰链A、B(2、13)的开槽圆柱面均布周向 排列，内包络式柔性铰链A、B(2、13)通过其外侧开槽圆柱表面附着的仿生楔形触角A、B(8、 12)与柱形转动体(11)始终保持弹性接触;具有弧形"月牙式"结构特征的仿生楔形触角A、B (8、12)的曲率半径为亚毫米级，当向一组压电促动器(5)施加等幅、等频的正电压时，仿生 楔形触角A、B(8、12)尖端的运动方向朝向其"月牙式"弧线的圆心，且触角尖端与柱形转动 体(11)的非光滑外圆柱面始终保持弹性点接触；当一组压电促动器(5)轴向加载时，仿生楔 形触角A、B(8、12)可驱动柱形转动体(11)顺时针方向步进旋转，当压电促动器(5)轴向快速 卸载时，柱形转动体(11)可保持其当前位置不发生变化，即仿生楔形触角A、B(8、12)具有正 向宏观驱动和反向惯性滑行的作用。7. 根据权利要求1或2或3所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征 在于:所述的内包络式柔性铰链A、B( 2、13)浮动端的下表面和基座(7 )的上表面分别加工有 曲率半径一致的弧形导向凹槽，单个硬质钢球(6)的球径小于凹槽的曲率半径，硬质钢球 (6)与弧形导向凹槽始终保持弹性点接触，即以滚动摩擦而非滑动摩擦方式对内包络式柔 性铰链A、B(2、13)的变形进行导向，以克服内包络式柔性铰链A、B(2、13)在极小变形情况下 的静摩擦力和驱动负载。8. 根据权利要求1所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台，其特征在于:通 过过盈安装在内包络式柔性铰链A、B(2、13)外侧开槽内孔中的一组高温陶瓷加热棒（1)的 热膨胀变形实现微观旋转驱动；当高温陶瓷加热棒(1)的发热功率不同时，其表现出不同的 温升，即不同程度的线性热膨胀变形驱动仿生楔形触角A、B(8、12)产生相应的等效位移;在 内包络式柔性铰链A、B(2、13)外侧开槽内孔的间隙处，一方面，热膨胀变形导致的径向位移 增加了仿生楔形触角A、B(8、12)与柱形转动体（11)外圆柱面微结构阵列间的接触载荷，从 而增强了柱形转动体（11)微转动过程中的表面滑动摩擦力；另一方面，热膨胀变形导致的 周向位移亦直接驱动了柱形转动体(11)产生可控的微角位移。9. 根据权利要求1至4中任意一项所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台， 其特征在于:所述的柱形转动体（11)的外圆柱表面为非光滑圆柱面，即柱形转动体（11)的 圆柱面表层制备有特征尺寸在百微米级的球状微结构阵列，该球状微结构阵列沿柱形转动 体（11)的轴向等间距分布，可增加仿生楔形触角A、B (8、12 )与柱形转动体（11)之间的滑动 摩擦系数。10. 根据权利要求1至4中任意一项所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平 台，其特征在于:所述的基于仿生触角和热膨胀的宏微驱动旋转平台的主体尺寸为51 mm X40 mm X 14 mm〇
【文档编号】H02N2/10GK205725520SQ201620382021
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】马志超, 赵宏伟, 任露泉, 姜哲
【申请人】吉林大学
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