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基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器

基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器

IPC分类号 : G12B5/00I

申请号
CN201910108248.2
可选规格
  • 专利类型: 发明专利
  • 法律状态: 有权
  • 申请日: 2019-01-18
  • 公开号: 109872768B
  • 公开日: 2019-06-11
  • 主分类号: G12B5/00I
  • 专利权人: 宁波大学

专利摘要

基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器,它涉及压电叠堆柔顺微操作器,它包括操作平台、异面底座、连接座和三个单自由度位移机构;异面底座上安装有三个单自由度位移机构,操作平台由三个单自由度位移机构支撑;每个所述单自由度位移机构包括内位移传递机构和带有柔性铰链的机架;所述内位移传递机构包括刚性框架、推动块、压电叠堆驱动器一、压电叠堆驱动器二和成对设置的放大解耦机构;机架与操作平台连接,刚性框架与异面底座连接。本发明具有无位移耦合和多自由度运动的优点,适用于微操作机器人系统和微机电系统。

权利要求

1.基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器,其特征在于:它包括操作平台(5)、异面底座(2)、连接座(4)和三个单自由度位移机构(1);

异面底座(2)上安装有三个单自由度位移机构(1),操作平台(5)由三个单自由度位移机构(1)支撑,三个单自由度位移机构(1)互相垂直设置并驱动操作平台(5)具有x轴、y轴和z轴方向上的自由度;

每个所述单自由度位移机构(1)包括内位移传递机构和带有柔性铰链的机架;所述内位移传递机构包括刚性框架(1003)、推动块(1004)、压电叠堆驱动器一(1001)、压电叠堆驱动器二(1002)和成对设置的放大解耦机构;每个放大解耦机构包括导向杆一(1009)、导向杆二(1014)、推杆(1006)和放大杆(1012),导向杆一(1009)、导向杆二(1014)和放大杆(1012)三者平行设置,且三者与推杆(1006)垂直设置,刚性框架(1003)与导向杆一(1009)之间布置有能推动导向杆一(1009)移动的压电叠堆驱动器一(1001),刚性框架(1003)与导向杆二(1014)之间布置有能推动导向杆二(1014)移动的压电叠堆驱动器二(1002);

导向杆一(1009)与刚性框架(1003)之间、导向杆一(1009)与放大杆(1012)之间、放大杆(1012)与导向杆二(1014)之间、导向杆二(1014)与刚性框架(1003)之间,放大杆(1012)与推杆(1006)之间以及推杆(1006)与推动块(1004)之间通过单轴圆形截面双切口柔性铰链(1008)连接,推动块(1004)与带有柔性铰链的机架连接,所述机架与操作平台(5)连接,刚性框架(1003)与异面底座(2)连接。

2.根据权利要求1所述基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器,其特征在于:单轴圆形截面双切口柔性铰链(1008)为直圆型双切口柔性铰链。

3.根据权利要求1或2所述基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器,其特征在于:所述机架包括由线切割而成的内侧架和外侧架;内侧架包括内推动杆(110)和内侧柱(111);外侧架包括刚性推动杆(101)、刚性底杆(109)和外侧住(105);内推动杆(110)与推动块(1004)连接,内推动杆(110)与内侧柱(111)之间、内侧柱(111)与刚性底杆(109)之间、刚性推动杆(101)与外侧柱(105)之间、外侧柱(105)与刚性底杆(109)之间均通过叶状形柔性铰链(102)连接。

4.根据权利要求3所述基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器,其特征在于:内侧柱(111)与刚性底杆(109)之间、刚性推动杆(101)与外侧柱(105)之间以及外侧柱(105)与刚性底杆(109)之间通过设置在两个叶状形柔性铰链(102)之间并与二者连接的铰链连接件(103)连接在一起,两个叶状形柔性铰链(102)相互垂直设置。

5.根据权利要求4所述基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器,其特征在于:还包括位移检测装置,所述位移检测装置为位置检测应变片(112),所述位置检测应变片(112)安装在与刚性推动杆(101)连接的叶状形柔性铰链(102)的侧面上。

6.根据权利要求5所述基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器,其特征在于:还包括输出力检测装置,所述输出力检测装置为输出力检测应变片(113),所述输出力检测应变片(113)安装在与刚性底杆(109)连接的叶状形柔性铰链(102)的侧面上。

7.根据权利要求4、5或6所述基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器,其特征在于:所述连接座(4)为L形连接座,刚性框架(1003)与异面底座(2)、刚性推动杆(101)与操作平台(5)之间通过L形连接座连接。

说明书

技术领域

本发明涉及微米及纳米级压电叠堆柔顺微操作器,具体涉及一种基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器。

背景技术

随着纳米技术的飞速发展,在精密加工与精密测量、微电子工程、生物工程、纳米科学与技术等领域的应用愈加的广泛,社会对于微纳米级操作器的要求也越来越高,除其微纳米级的定位精度和较大的运动行程之外,更要求其具有优良的稳定性、一定的刚度以及足够快速的响应速度。

柔顺机构是以柔性铰链代替传统机构运动关节,采用柔顺元件的弹性变形传递或转换运动和力的一种新型免装配机构。柔顺并联机构作为一种新型的传动结构形式,适合用于精密定位领域的传动机构。

目前,国内外学者对平面单自由度和双自由度微动平台研究较为深入,该机构结构简单。但对于较为复杂的操作,精密定位平台不仅需要在x和y 两个方向运动,还需要Z方向的运动,另外,操作行程小的问题也在实际使用的过程中愈发突出。因此研究三自由度柔顺微操作器显得尤为必要。

发明内容

本发明为克服现有技术不足,提供一种基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器,该操作器在现有的微纳米级操作器的基础上,基于柔性压电纤维驱动的仿生扑翼机器人的一些优点,来实现工作台面大,行程大、无位移耦合、多自由度运动和精度高的目的。

本发明的技术方案为:

基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器包括操作平台、异面底座、连接座和三个单自由度位移机构;

异面底座上安装有三个单自由度位移机构,操作平台由三个单自由度位移机构支撑,三个单自由度位移机构互相垂直设置并驱动操作平台具有x轴、y轴和z轴方向上的自由度;每个所述单自由度位移机构包括内位移传递机构和带有柔性铰链的机架;所述内位移传递机构包括刚性框架、推动块、压电叠堆驱动器一、压电叠堆驱动器二和成对设置的放大解耦机构;每个放大解耦机构包括导向杆一、导向杆二、推杆和放大杆,导向杆一、导向杆二和放大杆三者平行设置,且三者与推杆垂直设置,刚性框架与导向杆一之间布置有能推动导向杆一移动的压电叠堆驱动器一,刚性框架与导向杆二之间布置有能推动导向杆二移动的压电叠堆驱动器二;导向杆一与刚性框架之间、导向杆一与放大杆之间、放大杆与导向杆二之间、导向杆二与刚性框架之间,放大杆与推杆之间以及推杆与推动块之间通过单轴圆形截面双切口柔性铰链连接,推动块与带有柔性铰链的机架连接,所述机架与操作平台连接,刚性框架与异面底座连接。

进一步地,单轴圆形截面双切口柔性铰链为直圆型双切口柔性铰链。

进一步地,所述机架包括由线切割而成的内侧架和外侧架;内侧架包括内推动杆和内侧柱;外侧架包括刚性推动杆、刚性底杆和外侧住;内推动杆与推动块连接,内推动杆与内侧柱之间、内侧柱与刚性底杆之间、刚性推动杆与外侧柱之间、外侧柱与刚性底杆之间均通过叶状形柔性铰链连接。

进一步地,内侧柱与刚性底杆之间、刚性推动杆与外侧柱之间以及外侧柱与刚性底杆之间通过设置在两个叶状形柔性铰链之间并与二者连接的铰链连接件连接在一起,两个叶状形柔性铰链相互垂直设置。

本发明相比现有技术的有益效果是:

1、本发明采用内外独立的位移机构,解耦机构与多级放大机构,将位移多次放大,使微操作器拥有更大的行程。

2、本发明采用三个互相独立的位移机构两两垂直放置,X向驱动、Y向驱动与Z向驱动独立实现,互不干扰,实现了操作平台三自由度的准确位移。

3、操作平台较大,更能适应许多复杂的实际情况所需要的行程要求。

4、本发明应用多个压电叠堆驱动器,对称合理放置,提高了输出力的稳定性,使力的输出更加细腻、均匀,保证了微操作器稳定精确的操作,提高了微操作器的整体稳定性。

5、本发明驱动与外部放大机构分处不同平面,结构紧凑,布局合理且占用位置小,在保证较大行程与操作精度的同时,进一步缩小整体尺寸。

6、本发明的结构采用线切割加工,其间的连接根据应用功能的不同,采用不同形状的柔性铰链,具有体积小、无机械摩擦、导向精度高、加工难度小、加工精度易于保证、减少装配量的优点。

7、重量更轻、操作简易方便,适用于微操作机器人系统和微机电系统。

附图说明

图1是本发明基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器的整体示意图;

图2是一个自由度方向的柔顺微操作器的结构图;

图3是一个自由度位移机构的结构图;

图4是位移机构中内位移传递机构的结构图;

图5是异面底座的结构示意图;

图6是连接异面底座与操作平台的连接座结构示意图;

图7是本发明一个实施例的位置检测应变片和输出力检测应变片的检测原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然以下所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

参见图1-图4所示,基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器,其特征在于:它包括操作平台5、异面底座2、连接座4和三个单自由度位移机构1;

异面底座2上安装有三个单自由度位移机构1,操作平台5由三个单自由度位移机构1支撑,三个单自由度位移机构1互相垂直设置并驱动操作平台5具有x轴、y轴和z轴方向上的自由度;

每个所述单自由度位移机构1包括内位移传递机构和带有柔性铰链的机架;所述内位移传递机构包括刚性框架1003、推动块1004、压电叠堆驱动器一1001、压电叠堆驱动器二1002和成对设置的放大解耦机构;每个放大解耦机构包括导向杆一1009、导向杆二1014、推杆1006和放大杆1012,导向杆一1009、导向杆二1014和放大杆1012三者平行设置,且三者与推杆1006垂直设置,刚性框架1003与导向杆一1009之间布置有能推动导向杆一1009移动的压电叠堆驱动器一1001,刚性框架1003与导向杆二1014之间布置有能推动导向杆二1014移动的压电叠堆驱动器二1002;

导向杆一1009与刚性框架1003之间、导向杆一1009与放大杆1012之间、放大杆1012与导向杆二1014之间、导向杆二1014与刚性框架1003之间,放大杆1012与推杆1006之间以及推杆1006与推动块1004之间通过单轴圆形截面双切口柔性铰链1008连接,推动块1004与带有柔性铰链的机架连接,所述机架与操作平台5连接,刚性框架1003与异面底座2连接。

如图1所示,整个柔性微操作器是由三个单自由度位移机构1互相垂直组合而成,如图5所示,异面底座为具有三个互相垂直的板面,每个板面上安装有一个单自由度位移机构1,在刚性推动杆101所形成的空间中,所述连接座4为L形连接座,刚性框架1003与异面底座2、刚性推动杆101与操作平台5之间通过L形连接座连接。通过L形连接座与螺钉把操作平台5固定在三条刚性推动杆101上,把刚性框架1003来接在异面底座2上,

当一个方向的单自由度位移机构移动1时,操作平台5也会随之在同一方向位移。三个单自由度位移机构5则通过L形连接座固定在异面底座2上,而且每一个单自由度位移机构1与其临近垂直方向的异面底座2之间有间隔,确保操作器的行动不受阻碍,这从图2也可以看出。

如图1和图6所示, L形连接座中较长臂42连接位移机构中内位移传递机构刚性框架1003,L形连接座中较短臂41连接异面底座2的面。再通过图1中L形连接座固定操作平台5到已固定到异面底座2上的单自由度位移机构1上,便可完成整个基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器的组装。

上述方案中,单轴圆形截面双切口柔性铰链1008为直圆型双切口柔性铰链。直圆型双切口柔性铰链提高了运动的可靠性和实现无机械摩擦。

上述实施方式中作为一种改进方案,内侧柱111与刚性底杆109之间、刚性推动杆101与外侧柱105之间以及外侧柱105与刚性底杆109之间通过设置在两个叶状形柔性铰链102之间并与二者连接的铰链连接件103连接在一起,两个叶状形柔性铰链102相互垂直设置。

上述实施方案中带有柔性铰链的机架包括由线切割而成的内侧架和外侧架;内侧架包括内推动杆110和内侧柱111;外侧架包括刚性推动杆101、刚性底杆109和外侧住105;内推动杆110与推动块1004连接,内推动杆110与内侧柱111之间、内侧柱111与刚性底杆109之间、刚性推动杆101与外侧柱105之间、外侧柱105与刚性底杆109之间均通过叶状形柔性铰链102连接。

如图3和图4所示,在图4所示的放大解耦机构左右对称成对布置,固定在刚性框架1003与导向杆一1009之间的压电叠堆驱动器一1001推动与单轴圆形截面双切口柔性铰链1008相连的导向杆一1009,经由两个单轴圆形截面双切口柔性铰链1008的放大与传递,给予放大杆1012的尾端一个向下的力,与此同时,固定在刚性框架1003与导向杆二1014之间的压电叠堆驱动器二1002也推动与单轴圆形截面双切口柔性铰链1008相连的导向杆二1014,经由两个单轴圆形截面双切口柔性铰链1008的放大与传递,给予离放大杆1012尾端稍远的地方一个向上的力,两个在尾端相互交错的力在放大杆1012上被放大,并且和对称的另一半的多级放大解耦机构一起,通过单轴圆形截面双切口柔性铰链1008、推杆1006和单轴圆形截面双切口柔性铰链1008,推动推动块1004向上或向下的移动。

推动块1004通过两个螺钉固定在内推动杆110上,当推动块1004移动时,带动内推动杆110移动。而且外侧柱105与内侧柱111通过线切割分为两部分,里面的内侧柱111主要用于接收推动块1004传递来的推动力,受到一个自由度方向的内推动杆110的作用力时,该方向的推动力传递到刚性推动杆101上,其它两个方向的单自由度位移机构1通过内外侧架中的铰链连接件103及两个叶形状柔性铰链102构成的平行四边形解耦机构变形,使另外两个方向的位移机构不会对该方向的移动造成影响,最后刚性推动杆101就能提供给与之边相连的操作平台5的一个自由度,三个异面且互相垂直放置的单自由度位移机构1便能通过上面的方法给予操作平台5具有在x、y、z三个方向的自由度。

在一个实施方式中,参见图3所示,所述基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器还包括位移检测装置,所述位移检测装置为位置检测应变片112,所述位置检测应变片112安装在与刚性推动杆101连接的叶状形柔性铰链102的侧面上。

如图7所示,位置检测应变片组成桥接电路,桥接电路通过应变放大器放大后、由A/D口通过PCI板卡传输到工控机上,工控机通过计算获得操作平台的位移,x= U1/k1,x为平台位移,U1为桥接电路经应变放大器放大后的输出电压,k1为比例系数。工控机在计算操作平台位移之前需要先校准获得比例系数k1,具体做法是:(1)位移机构驱动操作平台5在X轴、Y轴或Z轴方向发生位移;(2)利用电容或激光位移传感器检测载物平台位移x0,并测量位置检测应变片的输出电压U1,根据公式k1=U1/ x0计算位移与输出电压的比例系数k1。

上述实施方式中,所述基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器还包括输出力检测装置,所述输出力检测装置为输出力检测应变片113,所述输出力检测应变片113安装在与刚性底杆109连接的叶状形柔性铰链102的侧面上。输出力检测装置用于检测施加在操作平台上的驱动力。位移检测装置和输出力检测装置分别安装在不同的叶状形柔性铰链上。位移检测装置和输出力检测装置能够对载物操作平台的位移和位移机构的输出力进行实时检测。

如图7所示,输出力检测应变片组成桥接电路,桥接电路通过应变放大器放大后、由A/D口通过PCI板卡传输到工控机上,工控机通过计算获得位移机构的驱动力,F=U2/k2,F为位移机构的驱动力,U2为桥接电路经应变放大器放大后的输出电压,k2为比例系数。工控机在计算位移机构的驱动力之前需要先校准获得比例系数k2,具体做法是:(1)位移机构驱动操作平台5在x轴、y轴或z轴方向发生位移;(2)利用输出力传感器检测位移机构的驱动力F0,并测量输出力检测应变片的输出电压U2,根据公式k2=U2/ F0计算输出力与输出电压的比例系数k2。

所有的叶状形柔性铰链侧面上均安装有位移检测装置或输出力检测装置;操作平台5均对应具有位移检测装置和输出力检测装置。如图3所示,与刚性推动杆101连接的叶状形柔性铰链102的侧面上均安装有位置检测应变片112,与刚性底杆109连接的叶状形柔性铰链102的侧面上均安装有输出力检测应变片113,从而更加精确地检测操作平台5的位移和位移机构的输出力。

该基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器通过线切割一体成型,仅需要一个简单装配即可成型。如此成型的柔顺微操作器无间隙、无摩擦、导向精度高,并且增大了操作行程。

发明已以较佳实施案例揭示如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例,但是凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属本发明技术方案范围。

基于仿生扑翼的多自由度柔顺微操作器专利购买费用说明

专利买卖交易资料

Q:办理专利转让的流程及所需资料

A:专利权人变更需要办理著录项目变更手续,有代理机构的,变更手续应当由代理机构办理。

1:专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2:按规定缴纳著录项目变更手续费。

3:同时提交相关证明文件原件。

4:专利权转移的,变更后的专利权人委托新专利代理机构的,应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A:(1)直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,(2)通过代办处缴纳,(3)通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q:专利转让变更,多久能出结果

A:著录项目变更请求书递交后,一般1-2个月左右就会收到通知,国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。

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