块91、92、93、94的中心位置分别设置一个螺纹通孔911、921、931、941，所述四个矩形块91、92、93、94和四个螺纹通孔911、921、931和941尺寸分别完全一致，并且所述底座9上四个螺纹通孔尺寸911、921、931、941和所述刚性支撑框8上四个螺纹通孔81、82、83、84尺寸也完全一致，所述刚性支撑框8及其内部柔性结构(1_7)安装在所述矩形底座9上方，所述刚性支撑框8上的四个螺纹通孔81、82、83、84和所述底座9上的四个螺纹通孔911、921、931、941分别——对齐，通过四个螺栓刚性连接。
[0036]本发明柔性操作机构的进一步特征是，除了压电陶瓷驱动器I和球形接头2之外的其他结构，包括所述的驱动端柔性铰链3、刚性连接块4、两个柔性链6、四个柔性铰链组合5、刚性动平台7和刚性支撑框8为一体化结构，由整块材料利用线切割(WEDM)整体加工方法加工制成(参见图5、图6)。
[0037]本发明柔性操作机构所述的零部件本身均为公知技术，皆可商购获得。
[0038]本发明柔性操作机构的工作原理和过程如下:驱动压电陶瓷驱动器I，使其伸长，推动驱动端柔性铰链3以及刚性连接块4，，连接在刚性连接块4左右两侧的柔性铰链组合51、52中的单自由度柔性铰链(半圆凹槽)511、512、513、514和521、522、523、524产生相应的弯曲弹性变形，使刚性连接块4产生竖直方向移动，在刚性连接块4的推动下，连接于其上部的两个柔性链61、62也随之向上移动，分布于柔性链61、62上的单自由度柔性铰链611、613、614、616、618和621、623、624、626、628发生弯曲弹性变形，同时由于左右水平横梁614、624的杠杆作用，将位移量放大两倍，从而将刚性动平台7向下拖动，使其产生竖直方向的单自由度平动，在刚性动平台7向下移动过程中，连接于其左右两侧的柔性铰链组合53、54中的单自由度柔性铰链531、532、533、534和541、542、543、544也产生弯曲弹性变形，在柔性铰链组合53、54的作用下，如果两个柔性链61、62牵引力存在差异，由此可能引起的刚性动平台7的旋转动作就可以得到有效的避免，从而保证刚性动平台7的直线平动动作。
[0039]本发明柔性操作机构增加了柔性杠杆放大环节，可以有效的提高刚性动平台的实际输出，增大工作空间范围；另外本发明柔性操作机构采用左右对称结构形式，可以对机构运动过程中衍生出的其他运动进行有效解耦，可作为微纳操作系统的辅助机构，实现快速微量进给和精密定位。
[0040]本发明未述及之处适用于现有技术。
[0041]需要补充说明的是，本发明描述结构所述的“上、下”、“前、后”、“左、右”等零部件的安装方位词是依据实施例附图所示或习惯而言的，只具有相对性，或者仅是为了叙述方便，不代表该安装位置的唯一性和必须性。
【主权项】
1.一种对称解耦单自由度柔性操作机构，其特征在于该柔性操作机构包括: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； 所述刚性支撑框内部挖空，呈倒置的“凸”字形，除所述底座外，上述各部分结构均位于所述倒置“凸”字形空腔内，所述刚性支撑框四个边角位置设置四个螺纹通孔，所述球形接头安装在压电陶瓷驱动器的顶端，压电陶瓷驱动器的尾端通过螺纹刚性固定于所述刚性支撑框倒置“凸”字形下边缘中间的内侧壁上，且使所述球形接头顶在所述驱动端柔性铰链下端面的中间位置上，构成赫兹接触； 所述刚性连接块为正方形结构，刚性连接块下部边缘对称中线位置与所述驱动端柔性铰链的上端相连，所述刚性连接块上部边缘左右对称分别连接所述两个柔性链，所述刚性连接块左侧边缘和右侧边缘分别连接一个所述柔性铰链组合； 所述驱动端柔性铰链由一个竖直梁构成，所述竖直梁上左右对称开有两个半圆凹槽，所述驱动端柔性铰链上端连接于所述刚性连接块的下部边缘，下端与所述压电陶瓷驱动器顶端的球形接头相抵，形成赫兹接触； 所述柔性铰链组合均由两个开有半圆凹槽的水平横梁构成，两个水平横梁自上而下分布，每个水平横梁上均开有两组半圆凹槽，每组半圆凹槽为两个，上下对称分布在水平横梁左右两端的内外两个侧壁上； 所述柔性铰链组合包含四组，根据分布位置分别命名为左上柔性铰链组合，右上柔性铰链组合，左下柔性铰链组合和右下柔性铰链组合，所述左上柔性铰链组合位于所述刚性动平台左侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形左上侧内壁之间，所述右上柔性铰链组合位于所述刚性动平台右侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形右上侧内壁之间，所述左下柔性铰链组合位于所述刚性连接块左侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形左下侧内壁之间，所述右下柔性铰链组合位于所述连接块右侧边缘和所述刚性支撑框倒置“凸”字形右下侧内壁之间； 所述两个柔性链结构完全一致，左右对称分布于所述刚性连接块和所述刚性动平台之间，所述右柔性链由右上梁、右中梁、右下梁和一个水平右横梁组成，所述右上梁和所述右下梁均竖直放置，所述右上梁从上到下包括上竖直梁，竖直短梁和下竖直梁三部分，所述上竖直梁左右对称开有两个半圆凹槽，所述下竖直梁左右对称开有两个半圆凹槽，所述两组半圆凹槽尺寸一致，所述右上梁中的上竖直梁的上端连接于所述刚性动平台的下部边缘右侦U，所述右上梁中的下竖直梁的下端连接于所述水平右横梁的右端上侧面，所述右下梁和所述右上梁结构和尺寸完全一致，所述右下梁中的上竖直梁的上端连接于所述水平右横梁的左端下侧面，所述右下梁中的下竖直梁的下端与所述刚性连接块上部边缘右端相连，所述右中梁也竖直放置，所述右中梁上左右对称开有两个半圆凹槽，所述右中梁上端连接于所述水平右横梁中线位置下侧面，下端连接于所述刚性支撑框倒置“凸”字形右侧上内壁；所述左柔性链和右柔性链结构一致，左右对称分布于所述刚性连接块上侧边缘中线两侧，所述左柔性链由左上梁、左中梁、左下梁和一个水平左横梁组成，所述左上梁和所述左下梁均竖直放置，所述左上梁从上到下包括上竖直梁，竖直短梁和下竖直梁三部分，所述上竖直梁左右对称开有两个半圆凹槽，所述下竖直梁左右对称开有两个半圆凹槽，所述两组半圆凹槽尺寸一致，所述左上梁中的上竖直梁的上端连接于所述刚性动平台的下部边缘左侦U，所述左上梁中的下竖直梁的下端连接于所述水平左横梁的左端上侧面，所述左下梁和所述左上梁结构和尺寸完全一致，所述左下梁中的上竖直梁的上端连接于所述水平左横梁的右端下侧面，所述左下梁中的下竖直梁的下端与所述刚性连接块的上部边缘左端相连，所述左中梁也竖直放置，所述左中梁上左右对称开有两个半圆凹槽，所述左中梁上端连接于所述水平左横梁中线位置下侧面，下端连接于所述刚性支撑框倒置“凸”字形左侧上内壁； 所述刚性动平台为长方形结构，所述刚性动平台下部边缘左端与左柔性链的上端连接，所述刚性动平台下部边缘右端与右柔性链的上端连接，所述刚性动平台左侧面与所述左上柔性铰链组合相连，所述刚性动平台右侧面与所述右上柔性铰链组合相连； 所述底座为矩形结构，四个边角位置向上凸起四个矩形块，在所述四个矩形块中心位置分别设置一个螺纹通孔，所述四个矩形块和四个螺纹通孔尺寸均完全一致，并且所述底座上四个螺纹通孔尺寸和所述刚性支撑框上四个螺纹通孔尺寸完全一致，所述刚性支撑框及其内部柔性结构安装在所述矩形底座上方，所述刚性支撑框上的四个螺纹通孔和所述底座上的四个螺纹通孔分别一一对齐，通过四个螺栓刚性连接。2.根据权利要求1所述的对称解耦单自由度柔性操作机构，其特征在于所述的驱动端柔性铰链、刚性连接块、两个柔性链、四个柔性铰链组合、刚性动平台和刚性支撑框为由整块材料利用线切割整体加工方法加工制成的一体化结构。
【专利摘要】本发明公开一种对称解耦单自由度柔性操作机构。其特征在于该柔性操作机构包括按设计要求连接组装的下述零部件：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。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。
【IPC分类】B25J7/00
【公开号】CN105643592
【申请号】
【发明人】贾晓辉, 刘今越
【申请人】河北工业大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年3月15日