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

摘要

本发明公开了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、预紧螺钉、电容传感器、传感器支架、盖板、平台垫板、运动传递机构、压电陶瓷驱动器和垫片；盖板、运动传递机构、平台垫板、基座布局在厚度方向上；基座与运动传递机构通过螺钉固定安装，预紧螺钉安装在盖板上，且与垫片接触，压电陶瓷驱动器和垫片安装在运动传递机构与平台垫板之间。本发明设计的平行对准平台通过运动传递机构中的双杠杆放大机构和双平行四边形导向机构能够实现绕远程中心转动的平行对准功能。

说明书

技术领域

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

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。

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－ 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。

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。

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

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。

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)。

基座(1)上设有AA螺纹孔(1A)，A螺钉(9A)穿过A支架(2A)上的通孔 后螺纹连接在AA螺纹孔(1A)中；

基座(1)上设有AB螺纹孔(1B)，B螺钉(9B)穿过B支架(2B)上的通 孔后螺纹连接在AB螺纹孔(1B)中；

基座(1)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；

基座(1)上设有AD螺纹孔(1D)，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(1D)内；

基座(1)上设有AE螺纹孔(1E)，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(7I)后，螺纹连接在AE螺纹 孔(1E)内；

基座(1)上设有AF螺纹孔(1F)，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(1F)内；

基座(1)上设有AG螺纹孔(1G)，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(1G)内；

基座(1)上设有AH螺纹孔(1H)，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(1H)内；

基座(1)上设有AI螺纹孔(1I)，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(1I)内。

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。

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)。

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)。

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)。

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(3)的第四刚性梁(38D)上，即D螺钉(9D)螺纹连接在A螺纹孔(38D 1) 中。第四支架(2D)的立板面(2D 1)与C电容传感器(8C)的敏感端平行。

盖板(4)上设有B螺纹孔(4A)、下凹槽(4B)、CA通孔(4C)、CB通孔(4D)、 CC通孔(4E)和C螺纹孔(4F)；B螺纹孔(4A)用于螺纹连接预紧螺钉(2)； CA通孔(4C)用于J螺钉(9G1)穿过、CB通孔(4D)用于K螺钉(9G2)穿 过、CC通孔(4E)用于L螺钉(9G3)穿过；C螺纹孔(4F)用于螺纹连接C螺 钉(9C)。

平台垫板(7)上设有A定位块(7A)、B定位块(7B)、凸块(7C)和上凹槽 (7D)；A定位块(7A)上设有DE通孔(7I)、DF通孔(7J)、DG通孔(7K)， DE通孔(7I)用于H螺钉(9F3)穿过、DF通孔(7J)用于I螺钉穿过(9F4)、 DG通孔(7K)用于K螺钉(9G2)穿过；B定位块(7B)上设有DA通孔(7E)、 DB通孔(7F)、DC通孔(7G)、DD通孔(7H)，DA通孔(7E)用于F螺钉(9F1) 穿过、DB通孔(7F)用于G螺钉(9F2)穿过、DC通孔(7G)用于J螺钉(9G1) 穿过、DD通孔(7H)用于L螺钉(9G3)穿过；凸块(7C)用于放置压电陶瓷(5)、 A垫片(6A)和B垫片(6B)。

两个垫片(6A、6B)置于压电陶瓷驱动器(5)的一端与第二固定板(37)的 凸起(37E)之间，压电陶瓷驱动器(5)的另一端位于第四刚性梁(38D)处；

运动传递机构(3)上切割有第一切缝(3A)、第二切缝(3B)、第三切缝(3C)、 第四切缝(3D)、第五切缝(3E)、第六切缝(3F)、第七切缝(3G)、第八切缝(3H) 和第九切缝(3I)。运动传递机构(3)上设有输出板(31)、第一限位板(32)、第 二限位板(33)、第三限位板(34)、第四限位板(35)、第一固定板(36)、第二固 定板(37)、第一刚性梁(38A)、第二刚性梁(38B)、第三刚性梁(38C)、第四 刚性梁(38D)、第五刚性梁(38E)、第六刚性梁(38F)、第一柔性梁(39A)、第 二柔性梁(39B)、第三柔性梁(39C)、第四柔性梁(39D)、第五柔性梁(39E)、 第六柔性梁(39F)、第七柔性梁(39G)、第八柔性梁(39H)、第九柔性梁(39I)、 第十柔性梁(39J)、第十一柔性梁(39K)、第十二柔性梁(39L)、第十三柔性梁 (39M)、第十四柔性梁(39N)、第十五柔性梁(39O)、第十六柔性梁(39P)和 第十七柔性梁(39Q)。

第一切缝(3A)位于运动传递机构(3)的左上部。

第二切缝(3B)位于运动传递机构(3)的右上部。第一切缝(3A)和第二切 缝(3B)为运动传递机构(3)的上部开口。

第三切缝(3C)位于运动传递机构(3)的左下部。

第四切缝(3D)位于运动传递机构(3)的右下部。第三切缝(3C)和第四切 缝(3D)为运动传递机构(3)的下部开口。

第五切缝(3E)为第八柔性梁(39H)、第五刚性梁(38E)、第七柔性梁(39G)、 第一刚性梁(38A)、第一柔性梁(39A)、第二柔性梁(39B)、第十五柔性梁(39O) 和第十六柔性梁(39P)围成的空腔。

第六切缝(3F)为第九柔性梁(39I)、第六刚性梁(38F)、第十柔性梁(39J)、 第二刚性梁(38B)、第四柔性梁(39D)、第五柔性梁(39E)、第十七柔性梁(39Q) 和第十六柔性梁(39P)围成的空腔。

第七切缝(3G)为第十一柔性梁(39K)、第八柔性梁(39H)、第五刚性梁(38E)、 第七柔性梁(39G)、第十二柔性梁(39L)、第三刚性梁(38C)、第十三柔性梁(39K)、 第十柔性梁(39J)、第六刚性梁(38F)、第九柔性梁(39I)围成的空腔。

第八切缝(3H)为第十三柔性梁(39K)、第三刚性梁(38C)、第十二柔性梁 (39L)、第十四柔性梁(39N)、第四刚性梁(38D)、第十五柔性梁(39O)和第 十七柔性梁(39Q)围成的空腔。第八切缝(3H)中的矩形腔(3H1)用于放置压 电陶瓷(5)、A垫片(6A)、B垫片(6B)。

第九切缝(3I)为第二柔性梁(39B)、第一限位板(32)、第三柔性梁(39C)、 第四限位板(35)、第六柔性梁(39F)、第二限位板(33)和第五柔性梁(39E) 围成的空腔。

第五刚性梁(38E)的一端与第三限位板(34)的接合处为AA变形点(30A)； 第五刚性梁(38E)的另一端与第一刚性梁(38A)的接合处为AB变形点(30B)； 第三刚性梁(38C)的一端与第一刚性梁(38A)的接合处为AC变形点(30C)； 第四刚性梁(38D)与第一刚性梁(38A)的接合处为AD变形点(30D)；第二固 定板(37)的一端与第一刚性梁(38A)的接合处为AE变形点(30E)。

第六刚性梁(38F)的一端与第三限位板(34)的接合处为BA变形点(30F)； 第六刚性梁(38F)的另一端与第二刚性梁(38B)的接合处为BB变形点(30G)； 第三刚性梁(38C)的另一端与第二刚性梁(38B)的接合处为BC变形点(30H)； 第二固定板(37)的另一端与第二刚性梁(38B)的接合处为BD变形点(30I)。

第一固定板(36)与第三限位板(34)的接合处为CA变形点(30J)；第二固 定板(37)与第四限位板(35)的接合处为CB变形点(30K)；第三限位板(34) 与第一限位板(32)的接合处为CC变形点(30L)；第四限位板(35)与第一限位 板(32)的接合处为CD变形点(30M)。

第二固定板(37)与第四限位板(35)的接合处为CB变形点(30K)；第四 限位板(35)与第一限位板(32)的接合处为CD变形点(30M)；输出板(31) 的一端与第一限位板(32)的接合处为DA变形点(30P)。

第一固定板(36)与第三限位板(34)的接合处为CA变形点(30J)；第二固 定板(37)与第四限位板(35)的接合处为CB变形点(30K)；第三限位板(34) 与第二限位板(33)的接合处为CE变形点(30N)；第四限位板(35)与第二限位 板(33)的接合处为CF变形点(30O)。

第二固定板(37)与第四限位板(35)的接合处为CB变形点(30K)；第四 限位板(35)与第一限位板(32)的接合处为CD变形点(30M)；输出板(31) 的另一端与第二限位板(33)的接合处为DB变形点(30Q)。

第一固定板(36)上设有AA通孔(36A)、AB通孔(36B)、AC通孔(36C)； 所述AA通孔(36A)用于H螺钉(9F3)穿过；所述AB通孔(36B)用于I螺钉 (9F4)穿过；所述AC通孔(36C)用于K螺钉(9G2)穿过。

第二固定板(37)上设有BA通孔(37A)、BB通孔(37B)、BC通孔(37C)、 BD通孔(37D)、凸起(37E)；所述BA通孔(37A)用于F螺钉(9F1)穿过； 所述BB通孔(37B)用于G螺钉(9F2)穿过；所述BC通孔(37C)用于J螺 钉(9G1)穿过；所述BD通孔(37D)用于L螺钉(9G3)穿过。所述凸起(37E) 用于B垫片(6B)与其接触，从而实现压电陶瓷(5)与第四刚性梁(38E)之间 的充分接触。

本发明基于柔性平行四边形机构的平行对准平台的优点在于：

①运动传递机构为一体化线切割加工而成，避免了装配误差的产生；驱动部件选择 具有高输出力和高位移分辨率的压电陶瓷驱动器，保证了平行对准平台具有很高 的旋转定位分辨率；压电陶瓷驱动器通过具有位移缩小功能的两个楔形垫片实现 预紧，预紧力的调节更精细；压电陶瓷整体嵌套在运动传递机构内，平台整体结 构紧凑。

②远程旋转对准功能由柔性对称双平行四边形机构实现，该机构可以在不损失旋转 对准精度的前提下通过改变输入杆的初始角度调整操作空间；对称双平行四边形 机构的驱动点可以自由选择，因此机构的驱动半径不受操作空间调整需要的限制， 当采用如压电陶瓷驱动器这样的小行程驱动部件时，仍可以获得较大的输出角度。

③在运动传递机构上设有双杠杆放大机构，该放大机构被用来放大压电陶瓷驱动器 的输出位移，在保证平行对准平台具有较高的旋转精度的前提下实现较大的角度 输出，进而保证平行对准平台可以补偿离面方向存在的较大的倾角误差。

④相比于单杠杆放大机构，设计的双杠杆放大机构具有更高的输出刚度，因此在驱 动柔性对称双平行四边形机构时可以获得更大的位移输出。

⑤柔性对称双平行四边形机构和双杠杆放大机构均采用对称式构型设计，避免了由 于温度变化等因素带来的误差，提高了机构整体的定位精度。

⑥运动传递机构通过柔性元件的变形来实现运动的输出，避免了传统刚体机构带来 的间隙、摩擦和对润滑的需求，进一步保证平行对准平台的对准精度。

附图说明

图1是本发明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 正视结构图。

图1A是本发明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 仰视结构图。

图1B是本发明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 立体图。

图1C是本发明运动传递机构、压电陶瓷、垫片之间的装配结构图。

图1D是本发明平台垫板、运动传递机构、压电陶瓷、垫片之间的装配结构图。

图1E是本发明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 分解图。

图2是本发明平台垫板的结构图。

图3A是本发明第一支架的结构图。

图3B是本发明第二支架的结构图。

图3C是本发明第三支架的结构图。

图4是本发明运动传递机构的正视结构图。

图4A是A本发明运动传递机构的正视灰度结构图。

图4B是在本发明运动传递机构的正视角度下的变形点的标注图。

图5A是本发明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 的运动示意图。

图5B是本发明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 双杠杆放大机构的运动传递的运动示意图。

图5C是本发明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 导向机构的运动传递的运动示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图1E所示，本发明设计了一种基 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、以及用于安装传感器的支架和电容传感器。

本发明设计的平行对准平台通过运动传递机构3中的双杠杆放大机构能够对输 入的位移进行放大，并传递给外部RCM导向机构，最终完成绕远程运动中心转动的 平行对准。

(一)基座1

参见图1、图1A、图1B、图1C所示，基座1的四角设有供E螺钉9E穿过的 通孔，通过该E螺钉9E实现将本发明设计的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与其他载物台固定；

基座1上设有AA螺纹孔1A，该AA螺纹孔1A用于放置A螺钉9A，A螺钉 9A穿过A支架2A上的通孔后螺纹连接在AA螺纹孔1A中；

基座1上设有AB螺纹孔1B，该AB螺纹孔1B用于放置B螺钉9B，B螺钉 9B穿过B支架2B上的通孔后螺纹连接在AB螺纹孔1B中；

基座1上设有AC螺纹孔1C，该AC螺纹孔1C用于放置F螺钉9F1，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；

基座1上设有AD螺纹孔1D，该AD螺纹孔1D用于放置G螺钉9F2，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1D内；

基座1上设有AE螺纹孔1E，该AE螺纹孔1E用于放置H螺钉9F3，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7I后， 螺纹连接在AE螺纹孔1E内；

基座1上设有AF螺纹孔1F，该AF螺纹孔1F用于放置I螺钉9F4，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1F内；

基座1上设有AG螺纹孔1G，该AG螺纹孔1G用于放置J螺钉9G1，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1G内；

基座1上设有AH螺纹孔1H，该AH螺纹孔1H用于放置K螺钉9G2，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1H内；

基座1上设有AI螺纹孔1I，该AI螺纹孔1I用于放置L螺钉9G3，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1I内。

在本发明中，基座1加工材料为金属，如铝合金。

(二)支架

参见图1、图1A、图1B、图1E、图3A所示，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，且A电容传感器8A的敏感端平行 于运动传递机构3的第一限位板32的外侧板面；一般地，A电容传感器8A的敏感 端与所述第一限位板32的外侧板面最小间隔为1毫米。

该B通孔2A2用于A螺钉9A穿过，穿过后的A螺钉9A螺纹连接在基座1的 AA螺纹孔1A中；

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。

参见图1、图1A、图1B、图1E、图3B所示，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，且B电容传感器8B的敏感端平行 于运动传递机构3的第二限位板33的外侧板面；一般地，B电容传感器8B的敏感 端与所述第二限位板33的外侧板面最小间隔为1毫米。

该D通孔2B2用于B螺钉9B穿过，穿过后的B螺钉9B螺纹连接在基座1 的AB螺纹孔1B中；

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。

参见图1、图1A、图1B、图1E、图3C所示，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，且C电容传感器8C的敏感端平行 于第四支架2D的立板面2D 1；一般地，C电容传感器8C的敏感端与所述第四支架 2D的立板面2D 1最小间隔为1毫米。

该F通孔2C2用于C螺钉9C穿过，穿过后的C螺钉9C螺纹连接在盖板4的 C螺纹孔4F中；

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。

参见图1、图1A、图1B、图1C所示，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3的第四刚性梁38D上，即D螺钉9D螺 纹连接在A螺纹孔38D 1中。第四支架2D的立板面2D 1与C电容传感器8C的敏 感端平行。

在本发明中，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。通过预紧螺钉2使得B垫片6B在厚度方向上不移动。

在本发明中，C电容传感器8C用于测量第四刚性梁38D的输入位移；A电容 传感器8A用于测量第一限位板32的输出位移，B电容传感器8B用于测量第二限 位板33的输出位移。在本发明中，电容传感器2选取Lion Precision公司生产的 CPL190C8-2.0-2.0型号传感器。

在本发明中，通过电容传感器测量得到的位移来计算输出板31的转动角度(如 图5C所示)，其关系式为其中，θ_out表示输出板的转动 角度，l_o表示输出板的长度，Δx₁表示A电容传感器8A测得的输出位移，Δx₂表示B 电容传感器8B测得的输出位移。

(三)盖板4

参见图1、图1A、图1B、图1E所示，盖板4上设有B螺纹孔4A、下凹槽 4B、CA通孔4C、CB通孔4D、CC通孔4E和C螺纹孔4F；

B螺纹孔4A用于螺纹连接预紧螺钉2；

下凹槽4B作为预留的一个活动的空间；

CA通孔4C用于J螺钉9G1穿过、CB通孔4D用于K螺钉9G2穿过、CC 通孔4E用于L螺钉9G3穿过；

C螺纹孔4F用于螺纹连接C螺钉9C。

在本发明中，盖板4一方面实现第三支架2C的安装，另一方面实现压电陶瓷5、 A垫片6A、B垫片6B的位置限定。

在本发明中，盖板4加工材料为金属，如铝合金。

(四)平台垫板7

参见图1A、图1C、图1D、图1E、图2所示，平台垫板7上设有A定位块 7A、B定位块7B、凸块7C和上凹槽7D；

A定位块7A上设有DE通孔7I、DF通孔7J、DG通孔7K，DE通孔7I用于 H螺钉9F3穿过、DF通孔7J用于I螺钉穿过9F4、DG通孔7K用于K螺钉9G2 穿过；

B定位块7B上设有DA通孔7E、DB通孔7F、DC通孔7G、DD通孔7H， DA通孔7E用于F螺钉9F1穿过、DB通孔7F用于G螺钉9F2穿过、DC通孔 7G用于J螺钉9G1穿过、DD通孔7H用于L螺钉9G3穿过；

凸块7C用于放置压电陶瓷5、A垫片6A和B垫片6B。

上凹槽7D作为预留的一个活动的空间。

参见图1D所示，在本发明中，平台垫板7位于运动传递机构3与基座1之间， 即平台垫板7位于运动传递机构3的下方，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。

在本发明中，平台垫板7加工材料为金属，如铝合金。

(五)压电陶瓷驱动器5

参见图1B、图1C、图1D、图1E所示，压电陶瓷驱动器5安装在平台垫板7 的凸块7C上，且位于运动传递机构3的第八切缝3H处的矩形腔3H1中，压电陶 瓷驱动器5的一端与第二固定板37的凸起37E之间安装有垫片(6A、6B)，压电 陶瓷驱动器5的另一端位于第四刚性梁38D处，但初始位置时不与第四刚性梁38D 接触。当加载电压在压电陶瓷驱动器5上时，压电陶瓷驱动器5伸长使得与第四刚 性梁38D接触，从而给予第四刚性梁38D一个输入力，进而使柔性梁变形，达到运 动传递机构3变化。

在本发明中，压电陶瓷驱动器5选用Thorlabs厂家生产的型号为AE0505D 16F 驱动器。该驱动器的驱动电压为0～150V、最大位移是17.4微米。

(六)垫片

参见图1C、图1E所示，A垫片6A和B垫片6B为薄板结构。垫片加工材料 为金属，如不锈钢。

两个垫片(6A、6B)置于压电陶瓷驱动器5的一端与第二固定板37的凸起37E 之间。

在本发明中，两个垫片(6A、6B)在X轴方向上是介于压电陶瓷驱动器5与第 二固定板37的凸起37E之间，在厚度方向上有预紧螺钉2进行压紧。垫片的设计 有利于避免因预紧螺钉2的拧入而引起的压电陶瓷驱动器5的旋转，同时也是保护 在拧入预紧螺钉2时预紧螺钉2端部对压电陶瓷驱动器5的破坏。

(七)运动传递机构3

参见图1、图1A、图1B、图1C、图1D、图1E、图4、图4A、图4B所示， 运动传递机构3是在一铝合金板材上采用线切割加工工艺一体化制作而成。板材上 切割去除的部分称为切缝，切缝能够实现柔性铰链变形，切缝的尺寸既是柔性铰链变 形的位移量。

参见图4B所示，本发明设计的运动传递机构3上切割有第一切缝3A、第二切 缝3B、第三切缝3C、第四切缝3D、第五切缝3E、第六切缝3F、第七切缝3G、 第八切缝3H和第九切缝3I。

第一切缝3A位于运动传递机构3的左上部。

第二切缝3B位于运动传递机构3的右上部。第一切缝3A和第二切缝3B为运 动传递机构3的上部开口。

第三切缝3C位于运动传递机构3的左下部。

第四切缝3D位于运动传递机构3的右下部。第三切缝3C和第四切缝3D为运 动传递机构3的下部开口。

第五切缝3E为第八柔性梁39H、第五刚性梁38E、第七柔性梁39G、第一刚 性梁38A、第一柔性梁39A、第二柔性梁39B、第十五柔性梁39O和第十六柔性梁 39P围成的空腔。

第六切缝3F为第九柔性梁39I、第六刚性梁38F、第十柔性梁39J、第二刚性 梁38B、第四柔性梁39D、第五柔性梁39E、第十七柔性梁39Q和第十六柔性梁 39P围成的空腔。

第七切缝3G为第十一柔性梁39K、第八柔性梁39H、第五刚性梁38E、第七 柔性梁39G、第十二柔性梁39L、第三刚性梁38C、第十三柔性梁39K、第十柔性 梁39J、第六刚性梁38F、第九柔性梁39I围成的空腔。

第八切缝3H为第十三柔性梁39K、第三刚性梁38C、第十二柔性梁39L、第 十四柔性梁39N、第四刚性梁38D、第十五柔性梁39O和第十七柔性梁39Q围成 的空腔。参见图1C、图1D、图4A所示，第八切缝3H中的矩形腔3H1用于放置 压电陶瓷5、A垫片6A、B垫片6B。

第九切缝3I为第二柔性梁39B、第一限位板32、第三柔性梁39C、第四限位 板35、第六柔性梁39F、第二限位板33和第五柔性梁39E围成的空腔。

参见图4、图4A、图4B所示，本发明设计的运动传递机构3上设有输出板31、 第一限位板32、第二限位板33、第三限位板34、第四限位板35、第一固定板36、 第二固定板37、第一刚性梁38A、第二刚性梁38B、第三刚性梁38C、第四刚性 梁38D、第五刚性梁38E、第六刚性梁38F、第一柔性梁39A、第二柔性梁39B、 第三柔性梁39C、第四柔性梁39D、第五柔性梁39E、第六柔性梁39F、第七柔性 梁39G、第八柔性梁39H、第九柔性梁39I、第十柔性梁39J、第十一柔性梁39K、 第十二柔性梁39L、第十三柔性梁39M、第十四柔性梁39N、第十五柔性梁39O、 第十六柔性梁39P和第十七柔性梁39Q。

第五刚性梁38E的一端与第三限位板34的接合处为AA变形点30A；第五刚 性梁38E的另一端与第一刚性梁38A的接合处为AB变形点30B；第三刚性梁38C 的一端与第一刚性梁38A的接合处为AC变形点30C；第四刚性梁38D与第一刚性 梁38A的接合处为AD变形点30D；第二固定板37的一端与第一刚性梁38A的接 合处为AE变形点30E。在本发明中，连接AA变形点30A、AB变形点30B、AC 变形点30C、AD变形点30D和AE变形点30E构成左杠杆。

第六刚性梁38F的一端与第三限位板34的接合处为BA变形点30F；第六刚 性梁38F的另一端与第二刚性梁38B的接合处为BB变形点30G；第三刚性梁38C 的另一端与第二刚性梁38B的接合处为BC变形点30H；第二固定板37的另一端 与第二刚性梁38B的接合处为BD变形点30I。在本发明中，连接BA变形点30F、 BB变形点30G、BC变形点30H和BD变形点30I构成右杠杆。

第一固定板36与第三限位板34的接合处为CA变形点30J；第二固定板37 与第四限位板35的接合处为CB变形点30K；第三限位板34与第一限位板32的 接合处为CC变形点30L；第四限位板35与第一限位板32的接合处为CD变形点 30M。在本发明中，连接CA变形点30J、CB变形点30K、CD变形点30M和CC 变形点30L构成左上平行四边形。

第二固定板37与第四限位板35的接合处为CB变形点30K；第四限位板35 与第一限位板32的接合处为CD变形点30M；输出板31的一端与第一限位板32 的接合处为DA变形点30P。在本发明中，连接CB变形点30K、CD变形点30M、 DA变形点30P和虚拟变形点30R构成左下平行四边形。

第一固定板36与第三限位板34的接合处为CA变形点30J；第二固定板37 与第四限位板35的接合处为CB变形点30K；第三限位板34与第二限位板33的 接合处为CE变形点30N；第四限位板35与第二限位板33的接合处为CF变形点 30O。在本发明中，连接CA变形点30J、CB变形点30K、CF变形点30O和CE 变形点30N构成右上平行四边形。

第二固定板37与第四限位板35的接合处为CB变形点30K；第四限位板35 与第一限位板32的接合处为CD变形点30M；输出板31的另一端与第二限位板 33的接合处为DB变形点30Q。在本发明中，连接CB变形点30K、CF变形点30O、 DB变形点30Q和虚拟变形点30R构成右下平行四边形。

第一固定板36上设有AA通孔36A、AB通孔36B、AC通孔36C；所述AA 通孔36A用于H螺钉9F3穿过；所述AB通孔36B用于I螺钉9F4穿过；所述 AC通孔36C用于K螺钉9G2穿过。

第二固定板37上设有BA通孔37A、BB通孔37B、BC通孔37C、BD通孔 37D、凸起37E；所述BA通孔37A用于F螺钉9F1穿过；所述BB通孔37B用 于G螺钉9F2穿过；所述BC通孔37C用于J螺钉9G1穿过；所述BD通孔37D 用于L螺钉9G3穿过。所述凸起37E用于B垫片6B与其接触，从而实现压电陶 瓷5与第四刚性梁38E之间的充分接触。

第一限位板32的外侧板面与A电容传感器8A的敏感端平行。第二限位板33 的外侧板面与B电容传感器8B的敏感端平行。

在本发明中，运动传递机构3加工材料为金属，如铝合金。

(八)内部位移放大机构

在本发明中，参见图5B所示，所述运动传递机构3上的第二固定板37、第一 刚性梁38A、第二刚性梁38B、第三刚性梁38C、第五刚性梁38E和第六刚性梁 38F构成内部位移放大机构。

(九)外部RCM运动导向机构

在本发明中，参见图5C所示，所述运动传递机构3上的第一限位板32、第二 限位板33、第三限位板34、第四限位板35和输出板31构成外部RCM运动导向 机构。

(十)RCM平行对准平台的运动传递方式

参见图5A、图5B、图5C所示，在压电陶瓷驱动器5产生的输入力作用下，该输 入力首先作用到第四刚性梁38D上；

然后，第四刚性梁38D在受到压电陶瓷驱动器5产生的作用力的条件下，第四刚 性梁38D将产生沿X轴负方向的一个位移，该位移运动通过AD变形点30D带动第一 刚性梁38A绕AE变形点30E做逆时针方向的运动(如图5B所示)；第一刚性梁38A 带动第三刚性梁38C沿X轴负方向运动，第三刚性梁38C通过BC变形点30H带动第 二刚性梁38B绕BD变形点30I做逆时针方向的运动；

进而，第一刚性梁38A和第二刚性梁38B分别带动第五刚性梁38E和第六刚性梁 38F沿X轴负方向运动；则在第五刚性梁38E和第六刚性梁38F的带动下，第三限位 板34围绕CA变形点30J做逆时针方向的运动；

此时，由于第一限位板32、第二限位板33、第三限位板34和第四限位板35构成 对称双平行四边形结构，平行四边形独特的几何特性使得第四限位板35围绕CB变形 点30K做逆时针方向的运动，同时第一限位板32和第二限位板33沿X轴和Y轴负方向 做平移运动(如图5C所示)；

在这一运动过程中，构造虚拟变形点30R(如图4B所示)与输出板31协同，则 第一限位板32、第二限位板33、第四限位板35和输出板31构成另外一个对称双平行 四边形结构，在这个新构建的平行四边形的几何特性约束下，输出板31将围绕虚拟 变形点30R做逆时针方向的运动。

这样，本发明设计的RCM平行对准平台实现了围绕远程转动中心即虚拟变形点 30R转动的平行对准。