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CN114280899A - 一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构 - Google Patents

一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构 Download PDF

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CN114280899A
CN114280899A CN202210026771.2A CN202210026771A CN114280899A CN 114280899 A CN114280899 A CN 114280899A CN 202210026771 A CN202210026771 A CN 202210026771A CN 114280899 A CN114280899 A CN 114280899A
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Abstract

一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构，包括正向运动模块、反向运动模块和驱动器；正向运动模块的两端分别连接到反向运动模块的一端；本发明利用正向运动模块和反向运动模块的组合实现位移的差动叠加，可以得到大的位移缩小比，从而大幅提升运动的分辨率和精度；本发明可以与宏动平台配合，实现大范围、超高精度的运动定位。

Description

一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构
技术领域
本发明属于精密驱动与传动领域，特别涉及一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构。
背景技术
在精密制造、精密测量等行业，对装置的定位精度和重复定位精度的要求已经达到了纳米级，因此，精准、可靠的纳米级定位机构具有广阔的应用前景。
以芯片领域的光刻机为例，对工件台等核心部件的定位精度要求已经达到几纳米级，其运动控制精度及运动速度直接影响电路的刻制精度。但是，传统的刚性构件构成的纳米定位平台难以达到纳米级精度，而当下基于柔性机构的定位平台一般由压电驱动器和位移放大机构组成，运动精度一般只能达到几十或几百纳米，难以满足对超高定位精度的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构，包括正向运动模块、反向运动模块和驱动器；正向运动模块和反向运动模块均有输入端和输出端；正向运动模块输出端与反向运动模块输入端柔性连接，正向运动模块的输出作为反向运动模块的输入；
驱动器提供的位移输入与反向运动模块输出端的位移输出同向或反向。
进一步的，正向运动模块和反向运动模块均为对称结构；正向运动模块为双杠杆模块，反向运动模块为半桥模块或双Scott-Russell模块。
进一步的，正向运动模块输出端与反向机构输入端的柔性连接方式为使用两侧设有槽口的柔性铰链，或正向运动输出端直接与反向运动模块输入端的柔性梁连接。
进一步的，双杠杆模块包括作为正向运动模块输入端的杠杆输入端和两个杠杆机构，两个杠杆机构对称布置在杠杆输入端两侧。
进一步的，杠杆机构包括作为正向运动模块输出端的杠杆输出端和杠杆支块，杠杆支块布置在杠杆输入端的外侧或内侧，杠杆支块一端固定，一端与杠杆输出端通过柔性铰链连接。
进一步的，半桥模块包括作为反向运动模块输出端的半桥输出端和作为反向运动模块输入端的柔性支链，两个柔性支链对称布置在半桥输出端的两侧。
进一步的，柔性支链为集中柔度式支链或分布柔度式支链，集中柔度式支链两端部为柔性铰链，柔性铰链为水平、垂直或倾斜设置，分布柔度式支链为一整段柔性梁，柔性梁为长梁或簧片。
进一步的，双Scott-Russell模块包括作为反向运动模块输出端的Scott-Russell输出端，两个Scott-Russell机构和Scott-Russell连接块；
两个Scott-Russell机构对称布置在Scott-Russell输出端的两侧，两个Scott-Russell机构下端通过Scott-Russell连接块连接；Scott-Russell机构中同时与Scott-Russell输出端和正向运动模块输出端连接的为反向运动模块输入端；
Scott-Russell机构包括两个分支，作为反向运动模块输入端的为长分支，另一个分支为短分支，每个分支两端均为柔性铰链；Scott-Russell机构三个端部的连线构成直角三角形，同时短分支与长分支的连接端设置在长分支两端连线的中点。
进一步的，以逆时针方向为正，正向运动模块为双杠杆模块时，记θ1为水平线到杠杆支块与正向运动模块和反向运动模块的连接处的连线的角度；反向运动模块为半桥模块时，记θ2为水平线到半桥模块中柔性支链的角度；反向运动模块为半桥模块时，反向模块输入端和反向模块输出端的连接处与反向模块输入端和正向模块输出端的连接处连线，记θ3为水平线到该连线的角度；θ1和θ2应同时在0～90°范围内，或者同时在90°～180°范围内，θ1和θ3同时在90°～180°范围内。
进一步的，驱动器一端固定，另一端与正向运动模块输入端固定连接，驱动器提供直线式输入使正向运动模块输入端沿直线运动；驱动器为压电叠堆驱动器、磁致伸缩驱动器或直线音圈电机。
此外，本发明还揭示了一种输入输出同向或反向的差动柔性位移缩小机构，包括：
自下而上依次设置的：驱动器(11)、正向运动模块(1)、反向运动模块(2)；
正向运动模块(1)和反向运动模块(2)均有输入段和输出段；
正向运动模块(1)通过其输出段与反向运动模块(2)的输入段柔性连接，且正向运动模块(1)的输出作为反向运动模块(2)的输入；
驱动器(11)提供位移输入至正向运动模块(1)的输入段；
驱动器(11)提供的位移输入与反向运动模块(2)的输出段所输出的位移同向或反向。与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明利用正向运动模块和反向运动模块的组合实现位移的差动叠加，可以得到大的位移缩小比，从而大幅提升运动的分辨率和精度；本发明可以与宏动平台配合，实现大范围、超高精度的运动定位。
本发明的结构可以整体加工，结构简单，无需装配。
附图说明
图1包括(a)至(c)三部分，为本发明，θ1和θ2同时在0～90°范围内，柔性铰链正交设置的集中柔度式结构示意图；
图2为本发明的正向运动模块1和反向运动模块2分别为双杠杆模块和半桥模块，θ1和θ2同时在0～90°范围内，柔性铰链正交设置的集中柔度式结构示意图；
图3为本发明的正向运动模块1和反向运动模块2分别为双杠杆模块和半桥模块，θ1和θ2同时在0～90°范围内，柔性铰链正交设置的集中柔度式运动示意图；
图4为本发明的正向运动模块1和反向运动模块2分别为双杠杆模块和半桥模块，θ1和θ2同时在90°～180°范围内，柔性铰链正交设置的集中柔度式结构示意图；
图5为本发明的正向运动模块1和反向运动模块2分别为双杠杆模块和半桥模块，θ1和θ2同时在0～90°范围内，柔性铰链倾斜设置的集中柔度式结构示意图；
图6本发明的正向运动模块1和反向运动模块2分别为双杠杆模块和半桥模块，分布柔度式结构示意图；
图7为本发明的正向运动模块1和反向运动模块2分别为双杠杆模块和半桥模块，杠杆支块设置在杠杆输入端内侧的结构示意图；
图8为本发明的正向运动模块1和反向运动模块2分别为双杠杆模块和双Scott-Russell模块的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过各种实施例对本发明进一步说明。
请参阅图1至图8，特别的，以图1为例，在一个实施例中，本发明公开了一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构，其特征在于，包括正向运动模块1、反向运动模块2和驱动器11；正向运动模块1和反向运动模块2各有输入端和输出端；正向运动模块输入端3，也是驱动器输入端；反向运动模块输出端6，也是机构的输出端；正向运动模块输出端4与反向运动模块输入端5柔性连接，正向运动模块1的输出作为反向运动模块2的输入。
在另一个实施例中，驱动器11提供的位移输入与反向运动模块输出端6的位移输出同向或反向。
在另一个实施例中，正向运动模块1和反向运动模块2均为对称结构；正向运动模块1为双杠杆模块，反向运动模块2为半桥模块或双Scott-Russell模块。
在另一个实施例中，正向运动模块输出端4与反向机构输入端5的柔性连接方式为使用两侧对称设有槽口的柔性铰链，或正向运动输出端4直接与反向运动模块输入端5的柔性梁连接。
在另一个实施例中，图1(a)为双杠杆模块。双杠杆模块包括作为正向运动模块输入端3的杠杆输入端和两个杠杆机构，两个杠杆机构对称布置在杠杆输入端两侧。
在另一个实施例中，杠杆机构包括作为正向运动模块输出端4的杠杆输出端和杠杆支块10，杠杆支块8布置在杠杆输入端的外侧或内侧，杠杆支块8一端固定，一端与杠杆输出端通过柔性铰链连接。
在另一个实施例中，图1(b)为半桥模块。半桥模块包括作为反向运动模块输出端6的半桥输出端和作为反向运动模块输入端5的柔性支链，两个柔性支链对称布置在半桥输出端的两侧。
在另一个实施例中，柔性支链为集中柔度式支链或分布柔度式支链，集中柔度式支链两端部为柔性铰链，柔性铰链为水平、垂直或倾斜设置，分布柔度式支链为一整段柔性梁，柔性梁为长梁或簧片。
在另一个实施例中，图1(c)为双Scott-Russell模块。双Scott-Russell模块包括作为反向运动模块输出端6的Scott-Russell输出端，两个Scott-Russell机构8和Scott-Russell连接块9；两个Scott-Russell机构8对称布置在Scott-Russell输出端的两侧，两个Scott-Russell机构8下端通过Scott-Russell连接块9连接；Scott-Russell机构8中同时与Scott-Russell输出端(即反向模块输出端6)和正向运动模块输出端4连接的为反向运动模块输入端5。
在另一个实施例中，Scott-Russell机构8包括两个分支，作为反向运动模块输入端5的为长分支，另一个分支为短分支，每个分支两端均为柔性铰链；Scott-Russell机构8三个端部的连线构成直角三角形，同时短分支与长分支的连接端设置在长分支两端连线的中点。
在另一个实施例中，以逆时针方向为正，正向运动模块1为双杠杆模块时，记θ1为水平线到杠杆支块(10)与正向运动模块1和反向运动模块2的连接处的连线的角度；反向运动模块2为半桥模块时，记θ2为水平线到半桥模块中柔性支链的角度；反向运动模块2为半桥模块时，反向模块输入端5和反向模块输出端6的连接处与反向模块输入端5和正向模块输出端4的连接处连线，记θ3为水平线到该连线的角度；θ1和θ2应同时在0～90°范围内，或者同时在90°～180°范围内，θ1和θ3同时在90°～180°范围内。
在另一个实施例中，驱动器11一端固定，另一端与正向运动模块输入端3固定连接，驱动器11提供直线式输入使正向运动模块输入端3沿直线运动；驱动器11为压电叠堆驱动器、磁致伸缩驱动器或直线音圈电机。
在另一个实施例中，驱动器11提供直线位移输入δ后，反向运动模块2的两端相对于反向模块的固定处在Y方向上产生位移Δy1，输出端相对于正向运动模块1的两端在Y方向上产生位移Δy2，Δy1和Δy2方向相反，输出端在Y方向上的实际位移为Δy＝|Δy1-Δy2|。也就是说，利用正向运动模块1和反向运动模块2在纵向的位移相互抵消，可以实现对驱动器11输入位移的大比例缩小。通过改变正向运动模块1和反向运动模块2的设计参数，可以获得任意比例的位移缩小。
其他实施例如下：
实施例一：
在图2的实施例中，本发明的正向运动模块1和反向运动模块2分别为双杠杆模块和半桥模块，双杠杆模块和半桥模块通过柔性铰链连接。
双杠杆模块包括作为正向运动模块输入端3的杠杆输入端和两个杠杆机构，两个杠杆机构对称布置在杠杆输入端两侧。
杠杆机构包括作为正向运动模块输出端4的杠杆输出端和杠杆支块10，杠杆支块8布置在杠杆输入端的外侧，杠杆支块8一端固定，一端与杠杆输出端通过柔性铰链连接。
半桥模块包括作为反向运动模块输出端6的半桥输出端和作为反向运动模块输入端5的柔性支链，两个柔性支链对称布置在半桥输出端的两侧。
柔性支链为集中柔度式支链或分布柔度式支链，集中柔度式支链两端部为柔性铰链，柔性铰链为水平、垂直或倾斜设置，分布柔度式支链为一整段柔性梁，柔性梁为长梁或簧片。
图2所述的半桥模块中的柔性支链为集中柔度式的柔性支链，机构所使用的柔性铰链仅水平、垂直设置，且θ1和θ2同时在0～90°范围内。
同时，正向运动模块输入端3是驱动器输入端，反向运动模块输出端6为机构输出端。
杠杆模块与半桥模块在Y方向上产生差动运动。
本发明的工作原理为：如图3所示，首先给与杠杆输入端连接的驱动器11预加电压，驱动器11在Y方向上产生输入位移δ，输入位移通过杠杆输入端传递到杠杆模块输出端与半桥模块柔性支链的连接端，在连接端分别产生X方向的位移Δx1和Y方向的位移Δy1，位移Δx1使半桥输出端相对于半桥模块的两端输出沿Y方向的位移Δy2，Δy1与Δy2两个位移方向相反，叠加后获得了一个小的输出位移yout，实现了对输入位移的缩小。
杠杆输入端与杠杆支块10之间的直线距离记为L1，杠杆模块和半桥模块的连接端与杠杆支块10之间的直线距离记为L2。
对于杠杆模块，在驱动器11输入δ的纵向位移时，杠杆模块和半桥模块的连接端产生横向位移大小为Δx1≈δL2 sin(θ1)/L1，同时产生纵向位移Δy1≈δL2 cos(θ1)/L1。
对于半桥模块，横向位移Δx1使半桥输出端与半桥模块两端的纵向距离在变形前后相差Δy2≈δL2 sin(θ1)/L1/tan(θ2)。
整个机构的输出端是半桥输出端，半桥输出端相对于基座的输出位移是yout，当Δy2＞Δy1时，yout＝Δy2-Δy1，反之，则yout＝Δy1-Δy2。
如图4所示，当杠杆支块10设置在杠杆输入端内侧，且杠杆输入端在杠杆机构最外层时，半桥模块的弯曲方向与图2中半桥模块的方向相反，但图4所示机构与图2所示机构工作原理相同。
如图7所示，当杠杆支块10设置在杠杆输入端内侧，且杠杆输入端的两端与杠杆机构非两端位置连接时，驱动器11的输入位移的方向与图2相反，但图7所示机构与图2所示机构工作原理相同。
其他差动位移缩小(如图5、图6)工作原理同图2的集中柔度式差动位移缩小机构。
实施例二：
在图8实施例中，本发明的正向运动模块1和反向运动模块2分别为杠杆模块和双Scott-Russell模块，杠杆模块和双Scott-Russell模块通过柔性铰链连接。
双杠杆模块包括作为正向运动模块输入端3的杠杆输入端和两个杠杆机构，两个杠杆机构对称布置在杠杆输入端两侧。
杠杆机构包括作为正向运动模块输出端4的杠杆输出端和杠杆支块10，杠杆支块8布置在杠杆输入端的外侧，杠杆支块8一端固定，一端与杠杆输出端通过柔性铰链连接。
双Scott-Russell模块包括作为反向运动模块输出端6的Scott-Russell输出端，两个Scott-Russell机构8和Scott-Russell连接块9；两个Scott-Russell机构8对称布置在Scott-Russell输出端的两侧，两个Scott-Russell机构8下端通过Scott-Russell连接块9连接；Scott-Russell机构8中同时与Scott-Russell输出端(即反向模块输出端6)以及正向运动模块输出端4连接的结构为反向运动模块输入端5。
图8所述的θ1和θ3同时在90～180°范围内。
同时，杠杆输入端是驱动器输入端，Scott-Russell输出端为机构输出端。
杠杆模块与双Scott-Russell模块在Y方向上产生差动运动。
本发明的工作原理为：如图8所示，首先给与杠杆输入端连接的驱动器11预加电压，驱动器11在Y方向上产生输入位移δ，输入位移通过杠杆输入端传递到杠杆模块与双Scott-Russell模块的连接端，在连接端分别产生X方向的位移Δx1和Y方向的位移Δy1，位移Δx1使Scott-Russell输出端相对于双Scott-Russell模块的两端输出沿Y方向的位移Δy2，Δy1与Δy2两个位移方向相反，叠加后获得了一个小的输出位移yout，实现了对输入位移的缩小。
杠杆输入端与杠杆支块10之间的直线距离记为L1，杠杆模块和半桥模块的连接端与杠杆支块10之间的直线距离记为L2。
对于杠杆模块，在驱动器11输入δ的纵向位移时，杠杆模块和双Scott-Russell模块的连接端产生横向位移大小为Δx1≈δL2 sin(θ1)/L1，同时产生纵向位移Δy1≈δL2cos(θ1)/L1。
对于双Scott-Russell模块，横向位移Δx1使Scott-Russell输出端与双Scott-Russell模块两端的纵向距离在变形前后相差Δy2≈Δx1/tan(θ3)。
整个机构的输出端是Scott-Russell输出端，Scott-Russell输出端相对于基座的输出位移是yout，当Δy2＞Δy1时，yout＝Δy2-Δy1，反之，则yout＝Δy1-Δy2。
结合图1、图2等附图，更详细的说明如下：
图1(a)、(b)、(c)分别展示了双杠杆模块、柔性支链为集中柔度式的半桥模块和双Scott-Russell模块的实例。
图2至图8中，以逆时针方向为正，正向运动模块1为双杠杆模块时，记θ1为水平线到杠杆支块10与正向运动模块1和反向运动模块2的连接处的连线的角度；反向运动模块2为半桥模块时，记θ2为水平线到半桥模块中柔性支链的角度；反向运动模块2为半桥模块时，反向运动模块输入端5和反向运动模块输出端6的连接处与反向运动模块输入端5和正向模块输出端4的连接处之间连线，记θ3为水平线到该连线的角度；θ1和θ2应同时在0～90°范围内，或者同时在90°～180°范围内，θ1和θ3同时在90°～180°范围内。
图2展示了本发明的正向模块和反向模块分别为双杠杆模块和半桥模块，且双杠杆模块和半桥模块通过柔性铰链连接的实例，图3展示了该实例的运动效果。
双杠杆模块包括作为正向运动模块输入端的杠杆输入端和两个杠杆机构，两个杠杆机构对称布置在杠杆输入端两侧。
图2中杠杆机构包括作为正向运动模块输出端的杠杆输出端和杠杆支块，杠杆支块布置在杠杆输入端的外侧，杠杆支块一端固定，一端与杠杆输出端通过柔性铰链连接。
半桥模块包括作为反向运动模块输出端的半桥输出端和作为反向运动模块输入端的柔性支链，两个柔性支链对称布置在半桥输出端的两侧。
柔性支链为集中柔度式支链或分布柔度式支链，集中柔度式支链两端部为柔性铰链，柔性铰链为水平、垂直或倾斜设置，分布柔度式支链为一整段柔性梁，柔性梁为长梁或簧片。图2所述的半桥模块中的柔性支链为集中柔度式的柔性支链，机构所使用的柔性铰链仅水平、垂直设置，且θ1和θ2同时在0～90°范围内。
正向运动模块输入端是驱动器输入端，反向运动模块输出端为机构输出端。
杠杆模块与半桥模块在Y方向上产生差动运动。
参见图2，其还揭示了如下方案：
一种输入输出同向或反向的差动柔性位移缩小机构，包括：
自下而上依次设置的：驱动器(11)、正向运动模块(1)、反向运动模块(2)；
正向运动模块(1)和反向运动模块(2)均有输入段和输出段；
正向运动模块(1)通过其输出段与反向运动模块(2)的输入段柔性连接，且正向运动模块(1)的输出作为反向运动模块(2)的输入；
驱动器(11)提供位移输入至正向运动模块(1)的输入段；
驱动器(11)提供的位移输入与反向运动模块(2)的输出段所输出的位移同向或反向。
在另一个实施例中，
驱动器直接连接正向运动模块，或经由滚珠等连接正向运动模块。
在另一个实施例中，
以驱动器和正向运动模块的连接处为中心，正向运动模块(1)的两侧分别依次连接有：正向运动模块的输入段(3)、正向运动模块的输出段(4)、反向运动模块的输入段(5)。
在另一个实施例中，
反向运动模块(2)的输出段的两侧也分别连接有：反向运动模块的输入段(5)。
图3为图2所示实施例的运动示意图。
整个机构的输出端是半桥输出端，半桥输出端相对于基座的输出位移是yout，当Δy2＞Δy1时，输出位移的大小为yout＝Δy2-Δy1，方向与输入位移δ相同；反之，则yout＝Δy1-Δy2，方向与输入位移δ相反。
图4展示了本发明的正向模块和反向模块分别为双杠杆模块和半桥模块，且双杠杆模块和半桥模块通过柔性铰链连接的实例。
双杠杆模块包括作为正向运动模块输入端的杠杆输入端和两个杠杆机构，两个杠杆机构对称布置在杠杆输入端两侧。
图4中杠杆机构包括作为正向运动模块输出端的杠杆输出端和杠杆支块，杠杆支块布置在杠杆输入端的内侧，且杠杆输入端在杠杆机构最外层，杠杆支块一端固定，一端与杠杆输出端通过柔性铰链连接。
半桥模块包括作为反向运动模块输出端的半桥输出端和作为反向运动模块输入端的柔性支链，两个柔性支链对称布置在半桥输出端的两侧。
柔性支链为集中柔度式支链或分布柔度式支链，集中柔度式支链两端部为柔性铰链，柔性铰链为水平、垂直或倾斜设置，分布柔度式支链为一整段柔性梁，柔性梁为长梁或簧片。图4所述的半桥模块中的柔性支链为集中柔度式的柔性支链，机构所使用的柔性铰链仅水平、垂直设置，且θ1和θ2同时在90°～180°范围内。
正向运动模块输入端是驱动器输入端，反向运动模块输出端为机构输出端。
杠杆模块与半桥模块在Y方向上产生差动运动。
图5展示了本发明的正向模块和反向模块分别为双杠杆模块和半桥模块，且双杠杆模块和半桥模块通过柔性铰链连接的实例。
双杠杆模块包括作为正向运动模块输入端的杠杆输入端和两个杠杆机构，两个杠杆机构对称布置在杠杆输入端两侧。
图5中杠杆机构包括作为正向运动模块输出端的杠杆输出端和杠杆支块，杠杆支块布置在杠杆输入端的外侧，杠杆支块一端固定，一端与杠杆输出端通过柔性铰链连接。
半桥模块包括作为反向运动模块输出端的半桥输出端和作为反向运动模块输入端的柔性支链，两个柔性支链对称布置在半桥输出端的两侧。
柔性支链为集中柔度式支链或分布柔度式支链，集中柔度式支链两端部为柔性铰链，柔性铰链为水平、垂直或倾斜设置，分布柔度式支链为一整段柔性梁，柔性梁为长梁或簧片。图5所述的半桥模块中的柔性支链为集中柔度式的柔性支链，机构所使用的柔性铰链倾斜设置，且θ1和θ2同时在0～90°范围内。
正向运动模块输入端是驱动器输入端，反向运动模块输出端为机构输出端。
杠杆模块与半桥模块在Y方向上产生差动运动。
图6展示了本发明的正向模块和反向模块分别为双杠杆模块和半桥模块，且半桥模块的柔性支链为分布柔度式的实例
双杠杆模块包括作为正向运动模块输入端的杠杆输入端和两个杠杆机构，两个杠杆机构对称布置在杠杆输入端两侧。
图6中杠杆机构包括作为正向运动模块输出端的杠杆输出端和杠杆支块，杠杆支块布置在杠杆输入端的外侧，杠杆支块一端固定，一端与杠杆输出端通过柔性铰链连接。
半桥模块包括作为反向运动模块输出端的半桥输出端和作为反向运动模块输入端的柔性支链，两个柔性支链对称布置在半桥输出端的两侧。
柔性支链为集中柔度式支链或分布柔度式支链，集中柔度式支链两端部为柔性铰链，柔性铰链为水平、垂直或倾斜设置，分布柔度式支链为一整段柔性梁，柔性梁为长梁或簧片。图6所述的半桥模块中的柔性支链为分布柔度式的柔性支链，且θ1和θ2同时在0～90°范围内。
正向运动模块输入端是驱动器输入端，反向运动模块输出端为机构输出端。
杠杆模块与半桥模块在Y方向上产生差动运动。
图7展示了本发明的正向模块和反向模块分别为双杠杆模块和半桥模块，且双杠杆模块和半桥模块通过柔性铰链连接的实例。
双杠杆模块包括作为正向运动模块输入端的杠杆输入端和两个杠杆机构，两个杠杆机构对称布置在杠杆输入端两侧。
图7中杠杆机构包括作为正向运动模块输出端的杠杆输出端和杠杆支块，杠杆支块布置在杠杆输入端的内侧，杠杆支块一端固定，一端与杠杆输出端通过柔性铰链连接，杠杆输入端在杠杆支块固定端与杠杆输出端之间。
半桥模块包括作为反向运动模块输出端的半桥输出端和作为反向运动模块输入端的柔性支链，两个柔性支链对称布置在半桥输出端的两侧。
柔性支链为集中柔度式支链或分布柔度式支链，集中柔度式支链两端部为柔性铰链，柔性铰链为水平、垂直或倾斜设置，分布柔度式支链为一整段柔性梁，柔性梁为长梁或簧片。图7所述的半桥模块中的柔性支链为集中柔度式的柔性支链，机构所使用的柔性铰链仅水平、垂直设置，且θ1和θ2同时在0～90°范围内。
正向运动模块输入端是驱动器输入端，反向运动模块输出端为机构输出端。
杠杆模块与半桥模块在Y方向上产生差动运动。
图8展示了本发明的正向运动模块和反向运动模块分别为杠杆模块和双Scott-Russell模块，且杠杆模块和双Scott-Russell模块通过柔性铰链连接的实例。
双杠杆模块包括作为正向运动模块输入端的杠杆输入端和两个杠杆机构，两个杠杆机构对称布置在杠杆输入端两侧。
杠杆机构包括作为正向运动模块输出端的杠杆输出端和杠杆支块，杠杆支块布置在杠杆输入端的外侧，杠杆支块一端固定，一端与杠杆输出端通过柔性铰链连接。
双Scott-Russell模块包括作为反向运动模块输出端的Scott-Russell输出端，两个Scott-Russell机构和Scott-Russell连接块；两个Scott-Russell机构对称布置在Scott-Russell输出端的两侧，两个Scott-Russell机构下端通过Scott-Russell连接块连接；Scott-Russell机构中同时与Scott-Russell输出端(即反向模块输出端)以及正向运动模块输出端连接的结构为反向运动模块输入端。
图8所述的θ1和θ3同时在90～180°范围内。
杠杆输入端是驱动器输入端，Scott-Russell输出端为机构输出端。
杠杆模块与双Scott-Russell模块在Y方向上产生差动运动。
本发明的工作原理为：如图8所示，首先给与杠杆输入端连接的驱动器预加电压，驱动器在Y方向上产生输入位移δ，输入位移通过杠杆输入端传递到杠杆模块与双Scott-Russell模块的连接端，在连接端分别产生X方向的位移Δx1和Y方向的位移Δy1，位移Δx1使Scott-Russell输出端相对于双Scott-Russell模块的两端输出沿Y方向的位移Δy2，Δy1与Δy2两个位移方向相反，叠加后获得了一个小的输出位移yout，实现了对输入位移的缩小。
杠杆输入端与杠杆支块之间的直线距离记为L1，杠杆模块和半桥模块的连接端与杠杆支块之间的直线距离记为L2。
对于杠杆模块，在驱动器输入δ的纵向位移时，杠杆模块和双Scott-Russell模块的连接端产生横向位移大小为Δx1≈δL2 sin(θ1)/L1，同时产生纵向位移Δy1≈δL2 cos(θ1)/L1。
对于双Scott-Russell模块，横向位移Δx1使Scott-Russell输出端与双Scott-Russell模块两端的纵向距离在变形前后相差Δy2≈Δx1/tan(θ3)。
整个机构的输出端是Scott-Russell输出端，Scott-Russell输出端相对于基座的输出位移是yout，当Δy2＞Δy1时，输出位移的大小为yout＝Δy2-Δy1，方向与输入位移δ相反；反之，则yout＝Δy1-Δy2，方向与输入位移δ相同。
能够理解，对于本领域技术人员而言，其知晓：本发明通过实施例所揭示的各种位移缩小机构可以示例性的由板材整体制成，也可以分解为多个零件分别加工后装配而成，并不限于任何一种材料或形成方式，驱动器则可以示例性的选择直线驱动器，如PZT压电陶瓷驱动器。所有附图中所示的仅为示意图，并不代表各种位移缩小机构中各个部件的尺寸比例、相对位置、形状等完全受附图所限定。此外，结合附图，能够发现，本发明公开的技术方案在结构上具有对称的特点。相比传统的位移放大机构，本发明至少能提高一个数量级，例如提高到2纳米级别甚至更高。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构，其特征在于，包括正向运动模块(1)、反向运动模块(2)和驱动器(11)；正向运动模块(1)和反向运动模块(2)均有输入端和输出端；正向运动模块输出端(4)与反向运动模块输入端(5)柔性连接，正向运动模块(1)的输出作为反向运动模块(2)的输入；正向运动模块输入端为驱动器输入端，反向运动模块输出端为机构输出端；
驱动器(11)提供的位移输入与反向运动模块输出端(6)的位移输出同向或反向。
2.根据权利要求1所述的一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构，其特征在于，正向运动模块(1)和反向运动模块(2)均为对称结构；正向运动模块(1)为双杠杆模块，反向运动模块(2)为半桥模块或双Scott-Russell模块。
3.根据权利要求1所述的一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构，其特征在于，正向运动模块输出端(4)与反向机构输入端(5)的柔性连接方式为使用两侧设有槽口的柔性铰链，或正向运动输出端(4)直接与反向运动模块输入端(5)的柔性梁连接。
4.根据权利要求2所述的一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构，其特征在于，双杠杆模块包括作为正向运动模块输入端(3)的杠杆输入端和两个杠杆机构，两个杠杆机构对称布置在杠杆输入端两侧。
5.根据权利要求4所述的一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构，其特征在于，杠杆机构包括作为正向运动模块输出端(4)的杠杆输出端和杠杆支块(10)，杠杆支块(10)布置在杠杆输入端的外侧或内侧，杠杆支块(10)一端固定，一端与杠杆输出端通过柔性铰链连接。
6.根据权利要求2所述的一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构，其特征在于，半桥模块包括作为反向运动模块输出端(6)的半桥输出端和作为反向运动模块输入端(5)的柔性支链，两个柔性支链对称布置在半桥输出端的两侧。
7.根据权利要求6所述的一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构，其特征在于，柔性支链为集中柔度式支链或分布柔度式支链，集中柔度式支链两端部为柔性铰链，柔性铰链为水平、垂直或倾斜设置，分布柔度式支链为一整段柔性梁，柔性梁为长梁或簧片。
8.根据权利要求2所述的一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构，其特征在于，双Scott-Russell模块包括作为反向运动模块输出端(6)的Scott-Russell输出端，两个Scott-Russell机构(8)和Scott-Russell连接块(9)；
两个Scott-Russell机构(8)对称布置在Scott-Russell输出端的两侧，两个Scott-Russell机构(8)下端通过Scott-Russell连接块(9)连接；Scott-Russell机构(8)中同时与Scott-Russell输出端和正向运动模块输出端(4)连接的为反向运动模块输入端(5)；
Scott-Russell机构(8)包括两个分支，作为反向运动模块输入端(5)的为长分支，另一个分支为短分支，每个分支两端均为柔性铰链；Scott-Russell机构(8)三个端部的连线构成直角三角形，同时短分支与长分支的连接端设置在长分支两端连线的中点。
9.根据权利要求2所述的一种输入输出同向或反向的模块化差动柔性位移缩小机构，其特征在于，以逆时针方向为正，正向运动模块(1)为双杠杆模块时，记θ1为水平线到杠杆支块(10)与正向运动模块(1)和反向运动模块(2)的连接处的连线的角度；反向运动模块(2)为半桥模块时，记θ2为水平线到半桥模块中柔性支链的角度；反向运动模块(2)为半桥模块时，反向模块输入端(5)和反向模块输出端(6)的连接处与反向模块输入端(5)和正向模块输出端(4)的连接处连线，记θ3为水平线到该连线的角度；θ1和θ2应同时在0～90°范围内，或者同时在90°～180°范围内，θ1和θ3同时在90°～180°范围内。
10.一种输入输出同向或反向的差动柔性位移缩小机构，包括：
自下而上依次设置的：驱动器(11)、正向运动模块(1)、反向运动模块(2)；
正向运动模块(1)和反向运动模块(2)均有输入段和输出段；
正向运动模块(1)通过其输出段与反向运动模块(2)的输入段柔性连接，且正向运动模块(1)的输出作为反向运动模块(2)的输入；
驱动器(11)提供位移输入至正向运动模块(1)的输入段；
驱动器(11)提供的位移输入与反向运动模块(2)的输出段所输出的位移同向或反向。
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