本發(fā)明涉及高精度運(yùn)動(dòng)、精密調(diào)節(jié)和測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置及其控制方法。

背景技術(shù)：

1、在多自由度運(yùn)動(dòng)、測(cè)量和調(diào)節(jié)領(lǐng)域，相關(guān)的多數(shù)裝置各個(gè)自由度之間大多采用單純的串聯(lián)或并聯(lián)連接；此外，目前存在的多自由度運(yùn)動(dòng)裝置，大部分屬于分體式剛性機(jī)構(gòu)，整體由單獨(dú)設(shè)計(jì)加工的零件經(jīng)過(guò)裝配組成多自由度運(yùn)動(dòng)裝置。這些運(yùn)動(dòng)裝置均存在一定的缺陷。

2、串聯(lián)多自由度運(yùn)動(dòng)裝置的缺陷包括：運(yùn)動(dòng)時(shí)存在誤差累積和負(fù)載累積的問(wèn)題，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)精度低和負(fù)載小，同時(shí)存在體型較大、占空間等缺點(diǎn)。并聯(lián)多自由度運(yùn)動(dòng)裝置的缺陷包括：各個(gè)自由度之間相互耦合、運(yùn)動(dòng)控制復(fù)雜、誤差標(biāo)定困難等缺點(diǎn)。分體式剛性機(jī)構(gòu)的多自由度運(yùn)動(dòng)裝置缺陷包括：制造及組裝過(guò)程中存在加工和裝配誤差；通常體型較大，并且難以微型化，輕量化，不適用于各種空間有限的應(yīng)用場(chǎng)景；運(yùn)動(dòng)副之間存在間隙和摩擦，運(yùn)動(dòng)精度有限，并且長(zhǎng)期使用會(huì)由于磨損導(dǎo)致精度下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于柔性機(jī)構(gòu)的混聯(lián)五自由度納米精度運(yùn)動(dòng)裝置及其控制方法，保證目標(biāo)物體的納米運(yùn)動(dòng)。

2、本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置，包括：

3、底部支柱平臺(tái)，底部支柱平臺(tái)整體呈等邊三棱柱框架結(jié)構(gòu)，棱邊設(shè)置圓角，內(nèi)部為中空，框架部分三面等厚，支柱與支柱之間設(shè)置有連接結(jié)構(gòu)，共三處；

4、促動(dòng)器，垂直設(shè)置在支柱與支柱間的連接結(jié)構(gòu)上，三個(gè)促動(dòng)器沿圓周均勻分布，相互夾角為120°；

5、頂部平臺(tái)，安裝在轉(zhuǎn)接板上，與底部支柱平臺(tái)連接，頂部平臺(tái)上設(shè)置有正交執(zhí)行機(jī)構(gòu)，正交執(zhí)行機(jī)構(gòu)的兩個(gè)方向上均設(shè)置有促動(dòng)器。

6、優(yōu)選的，支柱與支柱間的連接結(jié)構(gòu)內(nèi)部，設(shè)置有對(duì)稱的復(fù)合柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

7、優(yōu)選的，底部支柱平臺(tái)通過(guò)正交復(fù)合鉸鏈與頂部平臺(tái)連接，正交復(fù)合鉸鏈設(shè)置在每一個(gè)連接機(jī)構(gòu)與頂部平臺(tái)之間。

8、優(yōu)選的，頂部平臺(tái)的結(jié)構(gòu)可以是圓形、多邊形或不規(guī)則形狀。

9、優(yōu)選的，正交執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱雙平行四邊形柔性機(jī)構(gòu)，雙平行四邊形柔性機(jī)構(gòu)互相垂直的設(shè)置在頂部平臺(tái)內(nèi)部，每一個(gè)雙平行四邊形柔性機(jī)構(gòu)均由一個(gè)促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。

10、優(yōu)選的，促動(dòng)器可采用手動(dòng)或自動(dòng)控制。

11、優(yōu)選的，底部支柱平臺(tái)為第一級(jí)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)。

12、優(yōu)選的，頂部平臺(tái)為第二級(jí)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩自由度運(yùn)動(dòng)。

13、優(yōu)選的，頂部平臺(tái)中，x方向的促動(dòng)器直接作用在頂部平臺(tái)上，通過(guò)對(duì)稱雙平行四邊形柔性機(jī)構(gòu)的引導(dǎo)及誤差消除，使頂部平臺(tái)實(shí)現(xiàn)沿x軸的平移運(yùn)動(dòng)；y方向的促動(dòng)器通過(guò)作用在中心的對(duì)稱雙平行四邊形柔性機(jī)構(gòu)上，推動(dòng)頂部平臺(tái)沿y向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)方向的平移運(yùn)動(dòng)。

14、本發(fā)明除了提供一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置外，還進(jìn)一步提供一種控制上述裝置的方法，包括以下步驟：

15、通過(guò)控制底部支柱平臺(tái)上的三個(gè)促動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)裝置整體沿沿x、y軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和z軸的平移運(yùn)動(dòng)。

16、通過(guò)控制頂部平臺(tái)上的兩個(gè)促動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)頂部平臺(tái)沿x、y方向上的平移運(yùn)動(dòng)，配合底部支柱平臺(tái)的三個(gè)促動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)裝置的五自由度運(yùn)動(dòng)。

17、優(yōu)選的，頂部平臺(tái)中，x方向的促動(dòng)器3直接作用在頂部平臺(tái)4上，通過(guò)對(duì)稱雙平行四邊形機(jī)構(gòu)5的引導(dǎo)及誤差消除作用，使頂部平臺(tái)4實(shí)現(xiàn)沿x軸的平移運(yùn)動(dòng)。同理，y方向的精密促動(dòng)器3通過(guò)作用在中心的整個(gè)對(duì)稱雙平行四邊形柔性機(jī)構(gòu)5上，推動(dòng)頂部平臺(tái)4沿y向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)方向的平移運(yùn)動(dòng)。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備以下優(yōu)點(diǎn)：

19、本發(fā)明提供的一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置，通過(guò)并列的三個(gè)精密促動(dòng)器(手動(dòng)或者電力驅(qū)動(dòng))分別驅(qū)動(dòng)三組柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的方式控制頂部平臺(tái)的整體運(yùn)動(dòng)，包括沿x軸和y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)以及沿z軸的平移運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的剛性機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)相比，柔性機(jī)構(gòu)利用結(jié)構(gòu)的形變實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，精度可以達(dá)到納米級(jí)別。此外，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)避免了累計(jì)誤差的出現(xiàn)，進(jìn)一步提高了精度。

20、通過(guò)在頂部平臺(tái)與底部三自由度機(jī)構(gòu)之間設(shè)計(jì)三組正交的柔性鉸鏈，將頂部平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的變形集中到此處并利用正交性將其分解為兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證了此處的支撐剛性。

21、通過(guò)在頂部平臺(tái)增加基于串聯(lián)設(shè)計(jì)的大行程二維柔性平臺(tái)分別實(shí)現(xiàn)沿x軸和y軸的平移運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的二維平臺(tái)相比，本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)稱雙平行四邊形柔性機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了大行程的前提下的高精度運(yùn)動(dòng)。

22、通過(guò)混聯(lián)設(shè)計(jì)，結(jié)合串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)的前提下，在一定程度上避免了誤差累積同時(shí)減小了機(jī)構(gòu)的控制難度，保證了運(yùn)動(dòng)精度。

技術(shù)特征：

1.一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置，其特征在于：所述運(yùn)動(dòng)裝置包括：

2.如權(quán)利要求1所述的一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置，其特征在于：所述支柱與支柱間的所述連接結(jié)構(gòu)(8)內(nèi)部，設(shè)置有對(duì)稱的復(fù)合柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(2)。

3.如權(quán)利要求2所述的一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置，其特征在于：所述底部支柱平臺(tái)(1)通過(guò)正交復(fù)合鉸鏈(7)與轉(zhuǎn)接板(6)連接，所述正交復(fù)合鉸鏈(7)設(shè)置在每一個(gè)所述連接機(jī)構(gòu)(8)與所述轉(zhuǎn)接板(6)之間。

4.如權(quán)利要求3所述的一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置，其特征在于：所述頂部平臺(tái)4為正交執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基座，其結(jié)構(gòu)可以是圓形、多邊形或不規(guī)則形狀。

5.如權(quán)利要求4所述的一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置，其特征在于：所述正交執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱雙平行四邊形柔性機(jī)構(gòu)(5)，所述雙平行四邊形柔性機(jī)構(gòu)(5)互相垂直的設(shè)置在所述頂部平臺(tái)(4)內(nèi)部，每一個(gè)雙平行四邊形柔性機(jī)構(gòu)均由一個(gè)所述促動(dòng)器(3)驅(qū)動(dòng)。

6.如權(quán)利要求5所述的一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置，其特征在于：所述促動(dòng)器(3)可采用手動(dòng)或自動(dòng)控制。

7.如權(quán)利要求6所述的一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置，其特征在于：所述底部支柱平臺(tái)(1)為第一級(jí)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)。

8.如權(quán)利要求7所述的一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置，其特征在于：所述頂部平臺(tái)(4)為第二級(jí)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩自由度運(yùn)動(dòng)。

9.如權(quán)利要求8所述的一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置，其特征在于：所述頂部平臺(tái)(4)中，x方向的促動(dòng)器(3)直接作用在所述頂部平臺(tái)(4)上，通過(guò)所述對(duì)稱雙平行四邊形柔性機(jī)構(gòu)(5)的引導(dǎo)及誤差消除，使所述頂部平臺(tái)(4)實(shí)現(xiàn)沿x軸的平移運(yùn)動(dòng)；y方向的所述促動(dòng)器(3)通過(guò)作用在中心的所述對(duì)稱雙平行四邊形柔性機(jī)構(gòu)(5)上，推動(dòng)所述頂部平臺(tái)(4)沿y向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)方向的平移運(yùn)動(dòng)。

10.一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置的控制方法，其特征在于：所述方法用于控制權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種五自由度納米運(yùn)動(dòng)裝置及其控制方法，該裝置包括：底部支柱平臺(tái)，底部支柱平臺(tái)整體呈等邊三棱柱框架結(jié)構(gòu)，棱邊設(shè)置圓角，內(nèi)部為中空，框架部分三面等厚，支柱與支柱之間設(shè)置有連接結(jié)構(gòu)，共三處；促動(dòng)器，垂直設(shè)置在支柱與支柱間的連接結(jié)構(gòu)上，三個(gè)促動(dòng)器沿圓周均勻分布，相互夾角為120°；頂部平臺(tái)，安裝在轉(zhuǎn)接板上，與底部支柱平臺(tái)連接，頂部平臺(tái)上設(shè)置有正交執(zhí)行機(jī)構(gòu)，正交執(zhí)行機(jī)構(gòu)的兩個(gè)方向上均設(shè)置有促動(dòng)器。本發(fā)明通過(guò)并列三個(gè)精密促動(dòng)器分別驅(qū)動(dòng)三組柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，控制頂部平臺(tái)的整體運(yùn)動(dòng)，結(jié)合頂部的二維移動(dòng)平臺(tái)使整體兼具串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)的前提下，減小誤差累積和機(jī)構(gòu)的控制難度，保證了運(yùn)動(dòng)精度。

技術(shù)研發(fā)人員：孫瀟琪,彭軍,趙世奇,陶偉,王磊,李雯文,陳松,熊剛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21