[发明专利]一种增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构

说明书

技术领域

本发明涉及柔顺位移放大机构，更具体地说，涉及一种增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构，可应用于精密工程、微操作机器人等领域。

背景技术

柔顺机构是指利用其柔性部分的弹性变形来传递或者转换力、运动或能量的一种机构，由于柔顺机构具有无摩擦、无间隙、免润滑、免装配和运动精度高等优点，因此，其广泛应用于精密工程、微操作等领域。

在精密工程和微操作中，一方面常需要将驱动器(如压电叠堆驱动器、静电梳齿状驱动器)有限的输出行程扩大，以实现大的工作空间和灵活的微操作；另一方面，常需要将驱动器的直线输出位移方向转化为与之相垂直的平行夹持(即正交位移转换)，以实现精密稳定的操作。由于上述两方面原因，同时实现位移放大和正交位移转换是精密工程与微操作领域的研究热点。

在现有的柔顺正交位移放大机构中，桥式放大机构是一种典型实现形式，但这种机构仅在双向对称输入力的条件下方可实现正交位移转换，因此限制了其应用范围。有的柔顺正交位移放大机构虽然可在单向输入力的条件下实现正交位移放大，但由于几何非线性，随着输入力的增大，机构的增益逐步降低，因此不利于大的工作空间和灵活微操作的实现。有的柔顺正交位移放大机构虽然可在单向输入力的条件下实现正交位移放大，且在考虑几何非线性情况下，随着输入力增大，机构的增益基本恒定，但由于采用了多级机构型式，因此不利于紧凑性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构，该柔顺正交位移放大机构在单向输入力的作用下可以实现正交位移转换，同时，其具有机构增益随输入力增大的优点，有利于大的工作空间和灵活微操作的实现，适合应用于精密工程和微操作机器人等领域。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种增益随输入力增大的紧凑型柔顺正交位移放大机构，其特征在于：包括供输入力作用的刚性输入端、左刚性输出端、右刚性输出端、左变截面梁、右变截面梁、左待定等直梁和右待定等直梁；所述左变截面梁、左刚性输出端和左待定等直梁依次连接，左变截面梁远离左刚性输出端的一端与刚性输入端的下端面连接；所述右变截面梁、右刚性输出端和右待定等直梁依次连接，右变截面梁远离右刚性输出端的一端与刚性输入端的下端面连接；

所述左变截面梁、左刚性输出端和左待定等直梁与右变截面梁、右刚性输出端和右待定等直梁沿刚性输入端的中心轴左右镜像对称设置；所述左变截面梁由左上柔顺铰链、左侧中间等直梁和左下柔顺铰链依次连接组成，并且左上柔顺铰链位于左下柔顺铰链的左上方。

所述左上柔顺铰链的尺寸与左下柔顺铰链的尺寸相同。

所述左上柔顺铰链的长度l_h，左侧中间等直梁的长度l_m，以及左上柔顺铰链的轴线和左下柔顺铰链轴线的间距t_r满足以下条件：

l_h+l_m>t_r。

所述左待定等直梁的下端面固定(例如：与框架固定)，其上端面与左刚性输出端连接；所述左待定等直梁与左刚性输出端连接处的中点位于左下柔顺铰链中心轴线的右侧，并位于左待定等直梁下端面中心左侧。

在上述方案中，输入力沿着机构左右方向对称线竖直向下作用在刚性输入端上，则可使左刚性输出端水平向右运动，右刚性输出端水平向左运动，从而实现正交位移转换，而且机构增益大于1，实现位移放大。因此本发明的机构只需在单向输入力的条件下就可实现机构的正交位移转换和位移放大(即正交位移放大)，从而扩大其应用范围。一方面，由于左上柔顺铰链中心和左下柔顺铰链中心的连线呈“左上——右下”倾斜，与左变截面梁的挠曲方向相同，因此，当左变截面梁在挠曲位置上建立平衡时，其弯矩会产生增加量，由于机构的对称性，右变截面梁中弯矩也会产生增加量；另一方面，左变截面梁和右变截面梁处在压弯组合变形状态，由于压缩软化非线性作用，左变截面梁和右变截面梁在挠曲方向的刚度随输入力的增加而降低。上述两方面扩大了输出位移和机构增益。

过左待定等直梁上端面中心作出的竖直线与左下柔顺铰链的轴线的间距l_CC1满足：

式中，L_v表示左变截面梁的长度，l_BC1表示从左下柔顺铰链下端中点出发作出的垂直于过左待定等直梁上端面中心的水平线的线段长度。

所述左待定等直梁尺寸L_d，B，α满足方程组(1.2)-(1.4)：