基于差动杠杆原理的柔性铰链定位装置

摘要

基于差动杠杆原理的柔性铰链定位装置，它涉及一种大行程高分辨率微驱动定位装置，以克服现有柔性铰链定位平台存在大行程下高分辨率较难达到的缺点。第一杠杆、第二杠杆、第一输入平台、第二输入平台和输出平台均设置在杠杆致动腔内，第一杠杆与杠杆壳体内壁通过第一柔性铰链连接，第一输入平台与第一杠杆通过第二柔性铰链连接，第二杠杆与第一输入平台通过第三柔性铰链连接，第二输入平台与第二杠杆通过第四柔性铰链连接，输出平台与第二杠杆通过第五柔性铰链连接，输出平台与杠杆壳体内壁通过第六柔性铰链和两个第七柔性铰链连接，第一致动器驱动第一输入平台，第二致动器驱动第二输入平台。本发明用于亚毫米级运动行程的精密定位。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大行程高分辨率微驱动定位装置。

背景技术

随着微/纳米技术的迅猛发展，在微小机械零件装配、MEMS(微机电系统)组装、 细胞操作、精密光学等高技术领域中，迫切需要具有大行程高分辨率微驱动定位装置。目 前这类定位装置多数采用串联杠杆原理，即通过多级杠杆机构串联，对输入位移逐级放大 来达到输出范围要求。基于该原理的定位平台，在协调大行程和高分辨率方面存在着瓶颈 问题。因为串联杠杆原理只有一个输入，通过对该输入的放大来达到所需的行程范围。当 输入处致动器的行程和分辨率一定时，经过串联杠杆的放大后，其行程和分辨率值被放大 同样的倍数，也就是说分辨率的质量随着行程的增大而下降。除此之外，串联杠杆原理其 本身的特点，还导致定位平台的体积大、刚度低。

发明内容

本发明的目的在于克服目前柔性铰链定位平台存在大行程下高分辨率较难达到，且体 积大、刚度低的缺点，提供一种基于差动杠杆原理的柔性铰链定位装置。

本发明的装置包括杠杆壳体、第一杠杆、第二杠杆、第一输入平台、第二输入平台、 输出平台、第一致动器、第二致动器、第一紧固螺钉和第二紧固螺钉，所述杠杆壳体上设 有前后通透的杠杆致动腔，第一杠杆设置在杠杆致动腔内的左下方，且第一杠杆的下端面 和与其对应的杠杆壳体内壁通过第一柔性铰链连接，第一输入平台设置在第一杠杆的上 方，且第一输入平台的下端面和与其对应的第一杠杆的上端面通过第二柔性铰链连接，第 二杠杆设置在杠杆致动腔内的右上方，且第二杠杆的下端面和与其对应的第一杠杆的上端 面通过第三柔性铰链连接，第二输入平台设置在第二杠杆的左下方，且第二输入平台的上 端面和与其对应的第二杠杆的下端面通过第四柔性铰链连接，输出平台设置在第二杠杆的 右下方，且输出平台的上端面和与其对应的第二杠杆的下端面通过第五柔性铰链连接，输 出平台的左侧端面和与其对应的杠杆壳体内壁通过第六柔性铰链连接，输出平台的右侧端 面和与其对应的杠杆壳体内壁通过两个第七柔性铰链连接，第一致动器设置在杠杆致动腔 内且安装在第一输入平台的上端面上，第一紧固螺钉的螺纹端端面顶在第一致动器上，第 二致动器设置在杠杆致动腔内且安装在第二输入平台的下端面处，第二紧固螺钉的螺纹端 端面顶在第二致动器上，第一紧固螺钉和第二紧固螺钉均与杠杆壳体螺纹连接，输出平台 的前后端面上设有两个外部负载连接孔。

本发明的优点是：由于柔性铰链可以实现无间隙、无摩擦传动，且本发明的第一杠杆 与杠杆壳体、第一杠杆与第一输入平台、第二杠杆与第一杠杆、第二杠杆与第二输入平台、 第二杠杆与输出平台及输出平台6与杠杆壳体均通过柔性铰链连接，因此，本发明装置采 用柔性铰链作为运动副，利用第一致动器和第二致动器双压电陶瓷驱动，从而实现差动杠 杆传动。本发明经实验测试，行程达到250μm，分辨率达到10nm。因此，本发明具备行 程大、分辨率高、刚度高、结构紧凑等优点。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构主剖视图，图2是圆形柔性铰链的结构示意图，图3 是直角柔性铰链的结构示意图，图4是本发明装置的整体结构立体图(图中M为杠杆壳 体1的后端面)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式包括杠杆壳体1、第 一杠杆2、第二杠杆3、第一输入平台4、第二输入平台5、输出平台6、第一致动器14、 第二致动器15、第一紧固螺钉16和第二紧固螺钉17，杠杆壳体1上设有前后通透的杠杆 致动腔1-1，第一杠杆2设置在杠杆致动腔1-1内的左下方，且第一杠杆2的下端面和与 其对应的杠杆壳体1内壁通过第一柔性铰链7连接，第一输入平台4设置在第一杠杆2 的上方，且第一输入平台4的下端面和与其对应的第一杠杆2的上端面通过第二柔性铰链 8连接，第二杠杆3设置在杠杆致动腔1-1内的右上方，且第二杠杆3的下端面和与其对 应的第一杠杆2的上端面通过第三柔性铰链9连接，第二输入平台5设置在第二杠杆3 的左下方，且第二输入平台5的上端面和与其对应的第二杠杆3的下端面通过第四柔性铰 链10连接，输出平台6设置在第二杠杆3的右下方，且输出平台6的上端面和与其对应 的第二杠杆3的下端面通过第五柔性铰链11连接，输出平台6的左侧端面和与其对应的 杠杆壳体1内壁通过第六柔性铰链12连接，输出平台6的右侧端面和与其对应的杠杆壳 体1内壁通过两个第七柔性铰链13连接，第一致动器14设置在杠杆致动腔1-1内且安装 在第一输入平台4的上端面上，第一紧固螺钉16的螺纹端端面顶在第一致动器14上，第 二致动器15设置在杠杆致动腔1-1内且安装在第二输入平台5的下端面处，第二紧固螺 钉17的螺纹端端面顶在第二致动器15上，第一紧固螺钉16和第二紧固螺钉17均与杠杆 壳体1螺纹连接，输出平台6的前后端面上设有两个外部负载连接孔6-1。第一致动器14 和第二致动器15均采用PI公司的Pst150/10×10型致动器，即为压电陶瓷驱动。杠杆壳体 1的外形尺寸为80mm×60mm×20mm(长×宽×高)。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的第一柔性铰链7、 第二柔性铰链8、第三柔性铰链9、第四柔性铰链10和第五柔性铰链11均为圆形柔性铰 链，第六柔性铰链12和第七柔性铰链13均为直角柔性铰链。在本发明中输入端传动部分 采用圆形柔性铰链，输出端传动部分采用直角柔性铰链，这样可以保证传动部分具有足够 的刚度，输出处具有足够的柔性变形能力。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的圆形柔性铰链的半 径R为0.3mm～1.0mm，圆形柔性铰链最薄处的厚度s为0.2mm～1.5mm，所述直角柔性 铰链的厚度h为0.2mm～0.5mm，直角柔性铰链的每一直角边长f均为2.0mm～5.0mm。 其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的圆形柔性铰链的半 径R为0.5mm，圆形柔性铰链最薄处的厚度s为0.5mm，所述直角柔性铰链的厚度h为 0.3，所述直角柔性铰链的每一直角边长f均为3.0mm。其它组成及连接关系与具体实施 方式一相同。

具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，本实施方式的第一杠杆2、第二杠杆3、 第一输入平台4和第二输入平台5的厚度均相等，输出平台6的厚度是第一杠杆2的厚度 的1/20～1/4。输出平台6的厚度小于第一杠杆2和第二杠杆3的厚度，这样设计为保证 输出平台6的传动刚度小于第一杠杆2和第二杠杆3传动部分的刚度。其它组成及连接关 系与具体实施方式一相同。

本发明的工作原理：

首先将第一致动器14和第二致动器15分别与电源连接，两个外部负载连接孔6-1分 别与外部负载连接；

当只有第一致动器14驱动时，其工作原理为：在电源作用下第一致动器14伸长，推 动第一输入平台4向下运动，通过第二柔性铰链8使第一杠杆2绕第一柔性铰链7顺时针 转动，同时通过第三柔性铰链9带动第二杠杆3绕第四柔性铰链10逆时针转动，第二杠 杆3的右端向上运动的同时通过第五柔性铰链11带动输出平台6向上作直线运动，此时 第六柔性铰链12和第七柔性铰链13发生弹性变形，输出平台6带动外部负载运动，从而 实现负载精密定位。

当只有第二致动器15驱动时，其工作原理为：在电源作用下第二致动器15伸长，推 动第二输入平台5向上运动，通过第四柔性铰链10使第二杠杆3绕第三柔性铰链9逆时 针转动，第二杠杆3的右端向上运动的同时通过第五柔性铰链11带动输出平台6向上作 直线运动，此时第六柔性铰链12和第七柔性铰链13发生弹性变形，输出平台6带动外部 负载运动，从而实现负载精密定位。

当第一致动器14和第二致动器15都驱动时，其工作原理为他们单独工作原理的叠加。