[发明专利]一种基于仿生原理的二维精密运动驱动机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于仿生原理的二维精密运动驱动机构，属于几何量计量技术领域。

背景技术

在几何量计量技术领域中，比较常用的精密运动及定位装置包括电机加丝杠的驱动方式，这种驱动方式可以实现大范围运动，但只能达到微米级的运动分辨力；还包括压电陶瓷微位移驱动器方式，这种驱动方式可以实现纳米级的运动分辨力，但运动范围通常只有微米级。要实现大运动范围的纳米级运动分辨力及定位精度，只能采用上述粗动与微动相结合的两级运动方式，使用电机加丝杠实现大范围运动，再使用压电陶瓷微位移驱动装置实现小范围调整。这种方式的缺点是：两种驱动方式之间的结合非常困难，不能实现整个运动范围的超精细平稳运动，其无法实现大范围的高精度扫描；而要实现二维运动，通常采用两个一维运动垂直叠加的方式，这种方式不但大大增加了系统体积和复杂程度，要实现平稳的二维曲线运动几乎是不可能的。

发明内容

本发明的目的是为了实现大范围的二维精确运动的问题，从而提出了一种基于仿生原理的二维精密运动驱动机构。

本发明的一种基于仿生原理的二维精密运动驱动机构，包括：前吸盘、X向压电陶瓷微位移驱动器、连接支点、Y向压电陶瓷微位移驱动器、后吸盘、运动输出支点、及相应的运动控制器；前吸盘与后吸盘统称为磁性吸盘，磁性吸盘由吸盘磁路、电磁线圈、永久磁铁和软磁导磁平板组成。

其连接关系为：X向压电陶瓷微位移驱动器与Y向压电陶瓷微位移驱动器通过连接支点连接；X向压电陶瓷微位移驱动器与Y向压电陶瓷微位移驱动器的伸缩方向相互垂直，分别负责X向和Y向的运动；X向压电陶瓷微位移驱动器的另一端与前吸盘连接，Y向压电陶瓷微位移驱动器的另一端与后吸盘连接；运动输出支点固连在后吸盘上；其中，所述磁性吸盘的连接关系为：在吸盘磁路中布置永久磁铁及电磁线圈，电磁线圈缠绕在永久磁铁周围；电磁线圈的磁场方向与永久磁铁的磁场方向相反，以保证在电磁线圈不通电时，磁性吸盘能牢固地吸附在软磁导磁平板上；而当电磁线圈通电时，其磁场将抵消永久磁铁的磁场，从而使磁性吸盘与软磁导磁平板的吸力消失。吸盘磁路与软磁导磁平板构成一个完整的铁磁回路，使磁路的磁阻尽量小，保证吸盘与平板间有足够的正压力，从而提供足够的摩擦力，即驱动力足够大。

其工作过程为：其运动控制器通过协调前吸盘、后吸盘的抓紧固定动作，以及X向压电陶瓷微位移驱动器、Y向压电陶瓷微位移驱动器的伸缩动作，将X向压电陶瓷微位移驱动器、Y向压电陶瓷微位移驱动器的运动进行矢量叠加，推动运动输出支点实现大运动范围内的纳米级二维精确定位驱动。类似动物在一个平面内一步一步的运动。

其中，磁性吸盘的作用是将驱动机构固定在铁质软磁导磁平板上，就像动物的两条腿，这两条腿在肌肉的驱动下，即在X向压电陶瓷微位移驱动器与Y向压电陶瓷微位移驱动器的驱动下，既可以前后运动，也可以左右运动，并可以实现两个方向运动的矢量叠加。通过交替将前吸盘、后吸盘中的一个固定在铁质软磁导磁平板上，而另一个在X向压电陶瓷微位移驱动器和Y向压电陶瓷微位移驱动器的推拉下贴着铁质软磁导磁平板二维滑动，从而实现运动输出支点的大范围二维运动。

在二维精密运动过程中，要求驱动元件的发热尽量小，以减小由于驱动部件热胀冷缩造成的偏差，在本发明中，发热元件主要是磁性吸盘中的电磁线圈。为了尽量减小电磁线圈的发热，本发明在吸盘磁回路中布置了永久磁铁，这样，在电磁线圈不通电时，吸盘磁路中有足够的磁通量，保证吸盘能牢固地固定在铁质软磁导磁平板上；当需要吸盘脱开时，在电磁线圈中通电产生一个与永久磁铁磁场方向相反的磁场，从而降低吸盘磁路的磁通量，磁性吸盘与软磁导磁平板间的吸力就会降低甚至消失。

一种基于仿生原理的二维精密运动驱动机构，其运动范围取决于软磁导磁平面的几何尺寸；运动分辨力取决于X向压电陶瓷微位移驱动器、Y向压电陶瓷微位移驱动器的运动分辨力；驱动力取决于X向压电陶瓷微位移驱动器、Y向压电陶瓷微位移驱动器的驱动力以及磁性吸盘与软磁导磁平板的摩擦力。

压电陶瓷微位移驱动器的特点是：有微米级的运动行程和纳米级的运动分辨力。本发明中的两个驱动器类似动物驱动两条腿的肌肉，使腿能在二维范围内运动。

有益效果

1、本发明的一种基于仿生原理的二维精密运动驱动机构，模仿两足动物的运动过程，通过前后两个吸盘将X向压电陶瓷微位移驱动器、Y向压电陶瓷微位移驱动器的运动进行矢量叠加，实现了大范围的二维精确运动，特别适用于需要进行平面内精密运动及定位的场合。