[发明专利]一种两自由度柔性并联微操作器

说明书

技术领域

本发明属于机械领域中的微操作系统，具体为一种两自由度柔性并联微操作器。该微操作器基于压电陶瓷驱动，具有两个自由度，可实现平面内的一个平动和一个转动，主要应用于微纳操作领域。

背景技术

微纳米技术是21世纪的军民两用战略高技术，它的出现对国家经济发展、国防实力、人民生活及人类思维产生深刻的影响。

微操作机构是微纳米技术的一个重要分支，在微机械零件装配、MEMS的组装和封装、生物工程、微外科手术、光纤耦合作业等领域具有广阔的应用前景和重要的研究价值，当前，广泛应用于分子操纵、生物工程、以及医疗可视化、微创化等领域的分子扫描显微镜、微型执行器、遥微操作机器人等均属于该领域范畴。德国PI公司研制的主要用于光学系统检测、微加工、微装配的多轴微纳米操作定位系统P-611系列，采用压电陶瓷驱动，分辨率可达1nm。孙立宁等，基于双压电陶瓷驱动器驱动的精密柔性并联操作器的设计（W. Dong, L. N. Sun, Z. J. Du，Design of a precision compliant parallel positioner driven by dual piezoelectric actuators. Sensors and Actuators, 2007, 135(1):250~256）中介绍了压电陶瓷驱动的六自由度并联微操作手，采用压电陶瓷驱动方式实现宏微两级驱动，微动系统中采用一种新颖的柱状柔性铰链增加操作末端的刚度和可达工作空间范围；李杨民等着力于开发不同结构形式的柔性微操作器，其在一种柔性XY并联操作器的建模和性能评估 (Yangmin Li, Qingsong Xu. Modeling and performance evaluation of a flexure-based XY parallel micromanipulator, Mechanism and Machine Theory, 2009, 44(12): 2127~2152)中介绍了结合杠杆机构和平行四杆机构特点的可实现两个自由度的并联微操作器；在一种全解耦柔性XY并联操作器的设计和分析(Yangmin Li, Qingsong Xu. Design and analysis of a totally decoupled flexure-based XY parallel micromanipulator, IEEE Transactions on Robotics, 2009, 25(3): 645~657)中介绍了结合双并联机构和双四杆机构特点的并联微操作器，基于柔性铰链和相互垂直的排列方式实现面内两个平动自由度的完全解耦；Jiming Huang等，基于极坐标系的新型2自由度柔性并联微操作器的分析（Jiming Huang, Yangmin Li，Analysis of a novel 2-DOF flexure hinge-based parallel micromanipulator in a polar coordinate system. Proceedings of the 2010 IEEE International Conference on Automation and Logistics, August 16-20，2010, Hong Kong and Macau，323~327）中介绍了采用连杆机构与双四杆机构所构成的柔性微操作器，可实现面内一个平动和一个转动自由度。

综上所述，当前大部分已知的柔性微操作机构多采用压电陶瓷直接驱动方式，限于压电体所能提供的位移输出，执行末端难以达到足够的操作空间，而有些微操作器中虽然引入了一定的位移放大机构，使操作空间范围有所增加，但使机构复杂易于积累误差，并且造成了整体刚度的降低在工作过程中易于引起振动；另外，考虑到尽管微纳米操作具体对象有所不同，但基本的操作顺序是相同的，灵活精确的动作能力是对微操作器应具备的最根本的要求，然而由于操作对象一般体积微小、构造薄弱，要准确完成一些复杂的微操作尚具有一定的难度，因此，具有高精密、高刚度和更多自由度动作实现能力的微操作机构的设计开发以及与其他相关操作技术的相互融合，是当前微纳精密操作技术的主要方向。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种两自由度柔性并联微操作器。该微操作器基于压电陶瓷驱动，具有二自由度，可实现运动平面内的一个平动和一个转动，并具有高精度、结构紧凑、无误差积累、无机械摩擦、无间隙等特点。