CN104802155A - 一种空间三维移动全柔顺并联微动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间三维移动全柔顺并联微动平台，包括基平台、动平台、三个PUU型全柔顺支链和分别安装在所述三个分支上的三个压电陶瓷驱动器；其中PUU支链包含柔性平行板移动副、两个柔性虎克铰，压电陶瓷为带有位置检测的压电陶瓷；三个分支互相正交，安装于所述基平台上并与动平台连接，全柔顺并联支链结构是在整块弹性钢板上经线切割形成；动平台能实现沿X、Y、Z坐标轴的平移。通过三支链正交布置，能实现运动解耦，在某个分支上加载位移，就能控制动平台对应方向上的运动输出，克服了常规三分支三维移动并联微动机构运动耦合问题，具有结构简单、支链结构对称、容易加工、控制算法简单、动态特性好等特点。
Description
技术领域
本发明属于微动机器人技术领域，特别涉及一种由压电陶瓷驱动含弹性关节的三分支空间三维移动并联微动机构。
背景技术
并联微动机器人具有无摩擦、无间隙，响应快、结构紧凑等特点，因此在微机电产品的加工、显微微创外科手术、染色体切割、光学调整、超精密加工等领域具有广泛的应用。随着纳米技术的发展，对具有纳米级定位精度的多自由度微动机器人提出了更高的要求。目前，六自由度并联微动机器人多采用Stewart或其变形的结构形式，由于支链为六个，其运动变量之间存在高度耦合，从而增加了控制系统实现的难度，因为每增加一个自由度，就意味着增加一运动支链和一套驱动伺服单元。这样不仅给加工和装配带来困难，而且系统实现更加昂贵，在实际运用中，空间少自由度（三、四自由度）微动机器人就能满足大多数实际应用的需要。空间三自由度的并联微动机器人是并联机器人中很有实用前景的一类，但其研究和开发还很不充分。目前，国内外研制的空间三维移动微动机构大多数是将刚性并联机构柔性化，应用伪刚体方法对机构的运动学理论建模，大量的实践已证明其精度的不足，并且空间运动解耦性差。如何设计满足功能要求，运动学控制简单、制造成本低廉的新型三自由度全柔顺并联机构是一急需解决的问题。
发明内容
本发明公开了一种空间三维移动全柔顺并联微动平台，用于克服精密定位平台的不足。该微动平台包括基平台、动平台、三个PUU型全柔顺支链和分别安装在所述三个分支上的三个压电陶瓷驱动器；所述三个分支互相正交，安装于所述基平台上并与动平台连接；全柔顺并联支链结构是在整块弹性钢板上经线切割形成，每个分支链包括柔性移动副和两个柔性虎克铰；所述柔性移动副为单边平行板移动副，柔性虎克铰由两轴线相互正交的柔性转动副组成； 所述压电陶瓷驱动器为带有位置检测的压电陶瓷，压电陶瓷驱动器安装在平行板移动副中，当压电陶瓷驱动时，柔性移动副产生相对应的位移。采用坐标矩阵变换的方法，将单个柔性关节刚度模型应用于PUU型全柔顺支链刚度矩阵的建模，通过建立协调方程，推导出全柔顺并联机构的运动模型，实现微动平台三维平动超精度定位。该微动平台的动平台能实现沿X、Y、Z坐标轴平移，其结构简单、支链结构对称、容易加工、控制方法简单。
有益效果：利用柔顺元件的弹性变形传递或转换运动、能量的一种新型免装配机构，采用柔性关节作为传动链，通过三支链正交布置，能实现运动解耦，在某个分支上加载位移，就能控制动平台对应方向上的运动输出，克服了常规三分支三维移动并联微动机构运动耦合问题，具有控制算法简单、动态特性好等优点。
附图说明
图1是本发明的空间三维移动全柔顺并联微动平台的结构示意图。
图2为图1中PUU型全柔顺支链的结构示意图。
图中1基平台，2.PUU支链，3.动平台，4.PUU支链，5.压电陶瓷，6. PUU支链，7.平行板柔性移动副，8. 连杆，9.柔性虎克铰，10.连杆，11. 柔性虎克铰。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：如图1和图2所示，本发明的空间三维移动全柔顺并联微动平台，包括基平台1、动平台3、三个PUU型全柔顺支链2、4、6和分别安装在所述三个分支上的三个压电陶瓷驱动器5，；所述三个分支2、4、6互相正交，安装于所述基平台1上并与动平台3连接；全柔顺并联支链结构是在整块弹性钢板上经线切割形成，每个分支链包括柔性移动副7和两个柔性虎克铰9、11；安装在PUU型全柔顺支链上的压电陶瓷5驱动后，柔性移动副7发生变形，通过连杆8的连接将变形运动传给柔性虎克铰9，柔性虎克铰9的弹性变形运动通过连杆10将变形运动传给柔性虎克铰 11，并传递至动平台3。根据三个全柔顺支链的运动来确定微动动平台3的运动，从而实现超精密定位。在某个分支上加载位移，就能控制动平台对应方向上的运动输出，克服了常规三分支三维移动并联微动机构运动耦合问题，具有控制算法简单、动态特性好等优点。
所述压电陶瓷驱动器5用于驱动压电陶瓷进行运动，通过三个相同分支将动平台和基平台相连接，在对全柔顺微动机构控制时，压电陶瓷驱动器采用德国PI公司生产的E-712.3CD型数字式精密控制器，压电陶瓷采用德国PI公司的P-016.15H型带有位置检测的压电陶瓷。
Claims (3)
1.一种空间三维移动全柔顺并联微动平台，其特征在于：包括基平台、动平台、三个PUU型全柔顺支链和分别安装在所述三个支链上的三个压电陶瓷驱动器；三个分支链互相正交，安装在所述基平台上并与动平台连接；全柔顺并联支链是由整块材料经线切割形成，使其成为在整体结构上集成有多个柔性运动副的柔顺支链；所述PUU支链包括柔性平行板移动副、两个柔性虎克铰，柔性平行板移动副连接在基平台上，柔性平行板移动副的另一端通过连杆与柔性虎克铰连接，同时柔性虎克铰通过中间连杆与另一柔性虎克铰连接，最终将运动传递至动平台。
2.根据权利要求1所述一种空间三维移动全柔顺并联微动平台，其特征在于：柔性虎克铰由两轴线相互正交的柔性转动副组成，集成于全柔顺支链上，为全柔顺支链运动输出端提供转动约束。
3.根据权利要求1所述的空间三维移动全柔顺并联微动平台，其特征在于：所述压电陶瓷为带有位置检测的压电陶瓷。
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