[发明专利]一种对称解耦单自由度柔性操作机构

说明书

技术领域

本发明涉及机械领域的微/纳米操作系统，具体为一种对称解耦单自由度柔性操作机构。该机构可实现一个面内平动自由度的柔性微动操作。

背景技术

微机械技术是微纳米技术的重要分支。应用扫描探针显微镜技术进行分子或原子量级的操作、改型加工处理、制作微型机械零部件乃至微机械整体、生物工程领域中的动植物细胞转基因注射、医疗领域中利用微小的剪刀、微型摄像机、微型传感器等专用微型医疗器械进行微创伤侵入性医疗手术这些情况的实现，都是建立在微操作系统或装置的精密性基础之上的。在微操作领域，要求机构实行较大范围工作空间的运动能力以及精密的定位精度，现有柔性机构中多采用由绕固定转动轴运动的单自由度柔性铰链按不同串并联方式构成的柔性链传动，单个支链往往造成度柔性机构执行末端运动方向上不准确，影响了机构的精度及运动范围。

德国PI，英国Queensgate等公司均已生产了基于压电陶瓷驱动的微纳米级柔性操作机构的成形产品，主要用于光线系统检测、微加工、微装配等场合。Muneeb Ullah Khan等，一种用于微操作领域的大行程电磁驱动XY定位平台(Muneeb Ullah Khan,Nabil Bencheikh,Christine Prelle,Frédéric Lamarque,Tobias Beutel,Stephanus Büttgenbach,A long stroke electromagnetic XY posi-tioning stage for micro application,Proceedings of IEEE/ASME Transactions on mechatronics,October,2012,17(5):866-874)中报导了一种由四个线性电磁马达直接驱动的洛伦兹力XY定位平台；Yong Wang等，一种由压电陶瓷驱动器驱动的长行程纳米定位平台(Yong Wang,Fujun Sun,Junhui Zhu,Ming Pang,Changhai Ru,Long-stroke nanopositioning stage driven by piezoelectric motor,Journal of Sensors,2014:1-8)中报道了一种基于压电陶瓷驱动的两轴纳米定位平台。Yangming Li等，一种用于微纳米定位的新型压电驱动的并联解耦及多层柔性结构XY平台(Yangming Li,Qingsong Xu,A novel piezoactuated XY stage with parallel,decoupled,and stacked flexure structure for mi-cro-/nanopositioning.)中介绍了一种两层柔性结构的XY定位平台，其每层结构中的柔性支链采用并联方式，具有运动解耦能力。在这一领域，我国的科研工作者们也做出了一定的成绩，如张彦斌等在《无耦合3自由度并联机构的设计和分析》(农业机械学报，2008年，39卷8期，208-210)中介绍的一种无耦合二移动一转动3自由度空间并联机构；刘庆玲在《柔性对称微位移放大机构性能分析方法的研究》(工程设计学报，2013年，20卷4期，344-347)中介绍了一种结构对称的柔性微位移放大机构；李仕华等《新型3-RPC柔性精密平台的刚度与动力学分析》(中国机械工程，2013年，24卷17期，2317-2322)中介绍了由3路压电陶瓷驱动器驱动，具有运动解耦能力的空间3自由度柔性操作平台。上述柔性操作机构由多个或多层柔性支链支撑，但多采用由压电陶瓷驱动器或线性马达直接驱动的方式，中间没有放大环节，造成末端执行器运动空间范围的极大限制。

发明内容

针对现有技术的不足，特别是现有柔性机构中运动耦合及无法实现更大工作空间要求的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种对称解耦单自由度柔性操作机构。该机构采用柔性联相结构、单自由度柔性铰链和压电陶瓷驱动器驱动技术，具有一个执行末端，可应用于微/纳操作机械系统，具有高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累、无机械摩擦、无间隙，且便于加工制造和工业化实施等优点。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种对称解耦单自由度柔性操作机构，其特征在于该机构包括：一个压电陶瓷驱动器、一个球形接头、一个驱动端柔性铰链、一个刚性连接块、四组柔性铰链组合、两个柔性链、一个刚性动平台、一个刚性支撑框和一个底座；