专利摘要

本发明公开了一种二维恒力机构及具有该机构的定位平台，用于在二维平面内的指定方向提供恒力输出，包括力输入端、力输出端和用于连接两者并传导作用力的力传导件，还包括基座，力传导件包括在第一方向上向力输出端传导作用力的第一传导件和在第二方向上向力输出端传导作用力的第二传导件；力输入端对应地分别设置于第一传导件和第二传导件的一端，力输入端分别通过可产生负刚度的第一柔性铰链和可产生正刚度的第二柔性铰链连接在基座上；第一柔性铰链和第二柔性铰链并联且构成准零刚度系统。采用本发明的二维恒力机构及具有该机构的定位平台，实现了恒力输出，二自由度运动，并且定位精度高，结构简单。

权利要求

1.二维恒力机构，用于在二维平面内的指定方向提供恒力输出，包括力输入端、力输出端和用于连接两者并传导作用力的力传导件，其特征在于，还包括基座，且，

所述力传导件包括在第一方向上向所述力输出端传导作用力的第一传导件和在第二方向上向所述力输出端传导作用力的第二传导件；

所述力输入端对应地分别设置于所述第一传导件和所述第二传导件的一端，所述力输入端分别通过可产生负刚度的第一柔性铰链和可产生正刚度的第二柔性铰链连接在所述基座上；

所述第一柔性铰链和所述第二柔性铰链并联且构成准零刚度系统。

2.根据权利要求1所述的二维恒力机构，其特征在于，所述第一柔性铰链为一双稳态机构；所述第一柔性铰链并联位于两个所述第二柔性铰链之间形成一端固定，而另一端活动的悬臂梁机构；所述力输入端夹持固定在两个所述悬臂梁机构的活动端之间。

3.根据权利要求2所述的二维恒力机构，其特征在于，所述双稳态机构为双稳态梁，所述第二柔性铰链为薄壁梁。

4.根据权利要求1所述的二维恒力机构，其特征在于，所述第一传导件和所述第二传导件也由薄壁梁构成，且两者之间互成直角设置。

5.根据权利要求2所述的二维恒力机构，其特征在于，所述第一传导件和所述第二传导件分别具有两个移动端，且均由分处于所述力输出端相对两侧的两个直段构成，整体呈“十”字形分布；所述力输入端设置有四个并分别对应地通过所述悬臂梁机构固定在所述第一传导件和所述第二传导件的移动端。

6.根据权利要求4所述的二维恒力机构，其特征在于，构成所述第一传导件和所述第二传导件的薄壁梁为四根且相互平行。

7.根据权利要求6所述的二维恒力机构，其特征在于，所述基座上还设置有对所述力输入端的行程范围进行限制的限位装置。

8.定位平台，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的二维恒力机构、垫块、上平台、底座，所述上平台通过所述垫块与所述力输出端固定连接，所述底座与所述基座固定连接，所述底座上固定设置有驱动电机和位移传感器，所述驱动电机的输出端与所述力输入端连接以提供力给所述二维恒力机构，所述位移传感器通过测量所述上平台的位移以检测所述二维恒力机构移动的距离。

9.根据权利要求8所述的定位平台，其特征在于，所述位移传感器为激光位移传感器。

10.根据权利要求8所述的定位平台，其特征在于，所述驱动电机为音圈电机。

说明书

技术领域

本发明涉及一种恒力机构，特别是一种能够在二维平面内指定的方向输出恒力的二维恒力机构。本发明还涉及具有该恒力机构的定位平台，其属于精密机械系统中的精密定位平台，主要应用于微操作技术(如扫描探针显微镜)、生物工程(细胞注射)、精确排版(3D打印)等领域。

背景技术

基于柔性机构的精密定位平台技术是利用柔性铰链代替传统的链接零件进而实现零件的运动与定位，具有零摩擦、零磨损、小冲击、结构简单、造价低廉以及兼容性强等优点，在微型操作、定位系统中具有广泛的应用。

恒力微定位平台是近些年来新兴的装置，恒力平台技术是通过对平台结构进行设计使其在一定行程范围内具有输出恒力或者恒力矩的特性。由于微定位平台所承载的物体或者机构具有体积小、结构精密等特点，因此承受冲击力的能力较小，而非恒力平台在移动过程中产生的力是变化的，因此所承载的物体会受到一定的冲击力，对其精密的结构产生一定影响。随着微机械系统和生物工程等领域的研究深入，实验及生产加工过程中对微操作、定位平台的恒力性的需求也是越来越强烈。

近年来，国内外很多单位和研究机构致力于基于柔性机构的恒力微操作、微定位系统的研究。如Guangbo Hao,John Mullins和Kevin Cronin在文章“Simplified modelling and development of a bi-directionally adjustable constant-force compliant gripper”中提出一种基于柔性铰链的恒力夹钳。Yi-Ho Chen和Chao-Chieh Lan于2012年在Journal of Mechanical Design杂志上发表的文章“An Adjustable Constant-Force Mechanism for Adaptive End-Effector Operations”中设计一种基于柔性铰链的恒力一维机构。然而这些设计尚处于研究阶段，并没有投入实际应用。

对于双稳态梁的研究已经日渐成熟，相关的发明专利也有很多。如，中国专利CN101561556B通过双稳态梁的双稳态性提出一种全柔性MEMS光开关；中国专利CN103198922A通过利用双稳态梁双稳态性提出一种梳齿电容精密装配方法。但这些专利发明都是利用双稳态梁的双稳态性将其作为开关使用，没有能够利用其在双稳态转换过程中发生屈曲变形产生负刚度的性质。

有关恒力机构的发明专利也有很多，如美国专利US6920936B2和US7677540B1利用弹簧和凸轮的结构通过对凸轮的外形进行设计提出一种一维的常力输出机构。中国专利CN103438141A利用压簧和滑块等装置提出一种可调恒力装置。显而易见的是，这些发明专利所提出的恒力装置都是由传统的运动传递零件连接组成。由于这些零件的间隙、磨损等固有缺点，这些恒力机构很难实现精确定位，或者通过非常复杂的结构才能实现较高精度定位。

美国专利US005649454A通过对柔性铰链的布置方案进行设计提出一种一维的恒力机构。中国专利CN101614613B利用柔顺滑块机构、曲柄滑块机构和压力传感器提出一种柔顺滑块常力机构实验装置，可以提供一个自由度的常力输出。CN102537610B通过将柔性杆、刚性杆按顺序与导向块固结形成组合杆实现恒力，进而提出一种柔顺恒力支撑机构，其本质也是一种一维的恒力机构。显而易见，上述的柔性恒力机构都只是实现了一维的恒力导向位移。

现有的基于柔性机构的恒力装置都只能实现一维的恒力移动，这在实际应用过程中是远远不够的。例如，在进行细胞注射操作时，如果载物台只能一个方向移动是无法有效完成注射的。而其他的恒力机构(如US7677540B1、US6920936B2、CN103438141A)多是利用传统连接件进行连接，由于传统连接件具有间隙而且工作时会产生磨损，因此很难实现高精度的定位，而且这类设计的结构都较复杂、不易制造且造价较高。

本发明的目的就是针对上述现有技术的缺点设计一种新型的二维的具有恒力输出的高精度平台，使其能够满足实际工作要求。

发明内容

鉴于现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种二维恒力机构及具有该机构的定位平台，能够实现两个自由度的恒力输出以及高精度的定位。

为了实现上述目的，本发明提供了一种二维恒力机构，用于在二维平面内的指定方向提供恒力输出，包括力输入端、力输出端和用于连接两者并传导作用力的力传导件，还包括基座，且，

所述力传导件包括在第一方向上向所述力输出端传导作用力的第一传导件和在第二方向上向所述力输出端传导作用力的第二传导件；

所述力输入端对应地分别设置于所述第一传导件和所述第二传导件的一端，所述力输入端分别通过可产生负刚度的第一柔性铰链和可产生正刚度的第二柔性铰链连接在所述基座上；

所述第一柔性铰链和所述第二柔性铰链并联且构成准零刚度系统。

作为优选，所述第一柔性铰链为一双稳态机构；所述第一柔性铰链并联位于两个所述第二柔性铰链之间形成一端固定，而另一端活动的悬臂梁机构；所述力输入端夹持固定在两个所述悬臂梁机构的活动端之间。

作为优选，所述双稳态机构为双稳态梁，所述第二柔性铰链为薄壁梁。

作为优选，所述第一传导件和所述第二传导件也由薄壁梁构成，且两者之间互成直角设置。

作为优选，所述第一传导件和所述第二传导件分别具有两个移动端，且均由分处于所述力输出端相对两侧的两个直段构成，整体呈“十”字形分布；所述力输入端设置有四个并分别对应地通过所述悬臂梁机构固定在所述第一传导件和所述第二传导件的移动端。

作为优选，构成所述第一传导件和所述第二传导件的薄壁梁为四根且相互平行。

作为优选，所述基座上还设置有对所述力输入端的行程范围进行限制的限位装置。

本发明公开了一种定位平台，包括上述的二维恒力机构、垫块、上平台、底座，所述上平台通过所述垫块与所述力输出端固定连接，所述底座与所述基座固定连接，所述底座上固定设置有驱动电机和位移传感器，所述驱动电机的输出端与所述力输入端连接以提供力给所述二维恒力机构，所述位移传感器通过测量所述上平台的位移以检测所述二维恒力机构移动的距离。

作为优选，所述位移传感器为激光位移传感器。

作为优选，所述驱动电机为音圈电机。

与现有技术相比，本发明的二维恒力机构及具有该机构的定位平台的有益效果在于：通过设置柔性铰链，实现了恒力输出，结构简单，易于加工制作，相较于现有的利用传统传动零件实现恒力输出的专利发明，由于采用柔性铰链连接传递运动，克服了传统传动零件具有摩擦、间隙以及冲击等缺点，使定位精度可以达到纳米级；通过设置分别在第一方向上和第二方向上传导作用力的第一传导件和第二传导件，实现了平台的并联结构，实现了平台的二自由度运动，进而实现平台的二维恒力输出。

附图说明

图1为本发明的二维恒力机构的结构示意图；

图2为本发明的二维恒力机构的局部结构示意图；

图3为本发明的二维恒力机构的薄壁梁的结构示意图；

图4为本发明的二维恒力机构的薄壁梁发生弹性形变时产生的力和位移的曲线图；

图5为本发明的二维恒力机构的双稳态梁发生屈曲变形时产生的力和位移的曲线图；

图6为本发明的二维恒力机构的准零刚度系统的反作用力和位移的曲线图；

图7为本发明的二维恒力机构的工作状态时的示意图；

图8为本发明的带有限位装置的二维恒力机构的结构示意图；

图9为本发明的带有限位装置的二维恒力机构的工作状态时的示意图；

图10为本发明的定位平台的分解示意图；

图11为本发明的定位平台的结构示意图。

附图标记说明：1-二维恒力机构；2-基座；3-力输入端；4-力输出端；5-第一柔性铰链；6-第二柔性铰链；7-第一传导件；8-第二传导件；9-限位装置；10-垫块；11-上平台；12-底座；13-驱动电机；14-位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的二维恒力机构及具有该机构的定位平台作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明提供了一种二维恒力机构1，用于在二维平面内的指定方向提供恒力输出，包括力输入端3、力输出端4和用于连接两者并传导作用力的力传导件，还包括基座2，且，

力传导件包括在第一方向上向力输出端4传导作用力的第一传导件7和在第二方向上向力输出端4传导作用力的第二传导件8；

力输入端3对应地分别设置于第一传导件7和第二传导件8的一端，力输入端3分别通过可产生负刚度的第一柔性铰链5和可产生正刚度的第二柔性铰链6连接在基座2上；

第一柔性铰链5和第二柔性铰链6并联且构成准零刚度系统。

通过设置柔性铰链实现了恒力的输出，结构简单，易于加工制作，而且相较于传统的传动零件由于具有摩擦、间隙以及冲击等缺点而无法实现高精度定位，本发明的二维恒力机构采用的柔性铰链克服了上述缺点，使定位精度可以达到纳米级。另外，通过在第一方向和第二方向上设置第一传导件和第二传导件，实现了两个方向的运动，实现了二维的恒力输出。

如图2所示，第一柔性铰链5为一双稳态机构，第一柔性铰链5并联位于两个第二柔性铰链6之间形成一端固定，而另一端活动的悬臂梁机构。力输入端3夹持固定在两个悬臂梁机构的活动端之间，当施加作用力到力输入端3后，悬臂梁机构的活动端运动并将作用力输出到力输出端4。

图3示出了薄壁梁的结构示意图，薄壁梁一般指截面的最大尺寸远小于纵向尺寸的梁。

图4示出了薄壁梁在发生形变时产生的力和位移之间的关系曲线，图5示出了双稳态梁在发生屈曲变形时产生的力和位移之间的关系曲线。当力输入端3受到作用力时，双稳态梁和薄壁梁均是一端可以活动，另一端固定到基座2上，此时双稳态梁和薄壁梁能够使用悬臂梁模型。从图4的曲线可以看出，随着位移的增加，薄壁梁产生的反作用力增大，吸收能量，势能增大。从图5的曲线可以看出，双稳态梁在点B处发生屈曲变形，到达D点之前，其反作用力随着位移的增加而减小，随着位移增加，势能减小，释放能量。

在本实施例中，双稳态机构为双稳态梁，将双稳态梁作为负刚度机构，第二柔性铰链6为薄壁梁，将薄壁梁作为正刚度机构。如图1所示，双稳态梁相对于薄壁梁倾斜设置。

在本实施例中，第一传导件7和第二传导件8也由薄壁梁构成，且两者之间互成直角设置。上述结构简单，并能够实现二自由度运动。当在其中一个方向上施加作用力后，例如在第一方向上，第一传导件7能够传导作用力到力输出端4，而与第一传导件7成直角设置的第二传导件8此时也作为正刚度机构。也就是说，连接在力输入端3和基座2之间的第二柔性铰链6(如，薄壁梁)和此时的构成第二传导件8的薄壁梁均作为正刚度机构，而连接在力输入端3和基座2之间的第一柔性铰链5(双稳态梁)作为负刚度机构，正刚度机构和负刚度机构共同组成准零刚度系统而输出恒力。

图6示出了本发明的二维恒力机构的准零刚度系统的反作用力和位移的曲线图。将正刚度机构和负刚度机构并联设置，其力和位移曲线相互叠加，在点B和点D之间，准零刚度系统的力不随位移的变化而变化，此时整个机构的刚度为零，输出恒力。

图7示出了在力输入端施加作用力F时的结构示意图。二维恒力机构沿y方向运动，y方向上的第一传导件7将作用力传导到力输出端4，x方向上的第二传导件8发生弹性变形，产生正刚度，而且隔离了y方向的运动，使其不对x方向的运动产生影响。当然，可以在第一传导件7和第二传导件8中的任一个的力输入端3施加作用力，也可以同时在第一传导件7和第二传导件8的力输入端3施加作用力，在相应的力输出端4均能够输出恒力。

如图1所示，第一传导件7和第二传导件8分别具有两个移动端，且均由分处于力输出端4相对两侧的两个直段构成，整体呈“十”字形分布；力输入端3设置有四个并分别对应地通过悬臂梁机构固定在第一传导件7和第二传导件8的移动端。本发明的二维恒力结构采用对称结构，增加了稳定性。

本实施例中，构成第一传导件7和第二传导件8的薄壁梁为四根且相互平行。当然，如果将二维恒力机构的薄壁梁的结构参数进行改变，数量也可以进行相应的变化，只要其整体满足准零刚度系统的要求即可。

如图8和图9所示，为了使二维恒力机构直接进入恒力行程，即施加作用力后，使二维恒力机构在图6中示出的点B和点D之间运动，可在工作前对二维恒力机构施加预载荷，载荷方向为二维恒力机构的驱动方向，使双稳态梁发生屈曲进入负刚度状态。为此，基座2上还设置有对力输入端的行程范围进行限制的限位装置9。例如，可以在二维恒力机构上设置限位孔，在二维恒力机构下方的固定装置上设置限位柱，通过限位孔和限位柱的配合，使二维恒力机构只能在恒力行程范围内移动。

如图10和图11所示，本发明公开了一种定位平台，包括上述的二维恒力机构1、垫块10、上平台11、底座12，上平台11通过垫块10与力输出端4固定连接，底座12与基座2固定连接，底座12上固定设置有驱动电机13和位移传感器14，驱动电机13的输出端与力输入端3连接以提供力给二维恒力机构1，位移传感器14通过非接触式测量上平台11在x与y方向上的位移以检测二维恒力机构1移动的距离。

本实施例中，位移传感器14为激光位移传感器。

在本实施例中，驱动电机13为音圈电机。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

二维恒力机构及具有该机构的定位平台专利购买费用说明

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》。