[发明专利]二维恒力机构及具有该机构的定位平台

说明书

本发明公开了一种二维恒力机构及具有该机构的定位平台，用于在二维平面内的指定方向提供恒力输出，包括力输入端、力输出端和用于连接两者并传导作用力的力传导件，还包括基座，力传导件包括在第一方向上向力输出端传导作用力的第一传导件和在第二方向上向力输出端传导作用力的第二传导件；力输入端对应地分别设置于第一传导件和第二传导件的一端，力输入端分别通过可产生负刚度的第一柔性铰链和可产生正刚度的第二柔性铰链连接在基座上；第一柔性铰链和第二柔性铰链并联且构成准零刚度系统。采用本发明的二维恒力机构及具有该机构的定位平台，实现了恒力输出，二自由度运动，并且定位精度高，结构简单。

技术领域

本发明涉及一种恒力机构，特别是一种能够在二维平面内指定的方向输出恒力的二维恒力机构。本发明还涉及具有该恒力机构的定位平台，其属于精密机械系统中的精密定位平台，主要应用于微操作技术(如扫描探针显微镜)、生物工程(细胞注射)、精确排版(3D打印)等领域。

背景技术

基于柔性机构的精密定位平台技术是利用柔性铰链代替传统的链接零件进而实现零件的运动与定位，具有零摩擦、零磨损、小冲击、结构简单、造价低廉以及兼容性强等优点，在微型操作、定位系统中具有广泛的应用。

恒力微定位平台是近些年来新兴的装置，恒力平台技术是通过对平台结构进行设计使其在一定行程范围内具有输出恒力或者恒力矩的特性。由于微定位平台所承载的物体或者机构具有体积小、结构精密等特点，因此承受冲击力的能力较小，而非恒力平台在移动过程中产生的力是变化的，因此所承载的物体会受到一定的冲击力，对其精密的结构产生一定影响。随着微机械系统和生物工程等领域的研究深入，实验及生产加工过程中对微操作、定位平台的恒力性的需求也是越来越强烈。

近年来，国内外很多单位和研究机构致力于基于柔性机构的恒力微操作、微定位系统的研究。如Guangbo Hao,John Mullins和Kevin Cronin在文章“Simplifiedmodelling and development of a bi-directionally adjustable constant-forcecompliant gripper”中提出一种基于柔性铰链的恒力夹钳。Yi-Ho Chen和Chao-Chieh Lan于2012年在Journal of Mechanical Design杂志上发表的文章“An AdjustableConstant-Force Mechanism for Adaptive End-Effector Operations”中设计一种基于柔性铰链的恒力一维机构。然而这些设计尚处于研究阶段，并没有投入实际应用。

对于双稳态梁的研究已经日渐成熟，相关的发明专利也有很多。如，中国专利CN101561556B通过双稳态梁的双稳态性提出一种全柔性MEMS光开关；中国专利CN103198922A通过利用双稳态梁双稳态性提出一种梳齿电容精密装配方法。但这些专利发明都是利用双稳态梁的双稳态性将其作为开关使用，没有能够利用其在双稳态转换过程中发生屈曲变形产生负刚度的性质。

有关恒力机构的发明专利也有很多，如美国专利US6920936B2和US7677540B1利用弹簧和凸轮的结构通过对凸轮的外形进行设计提出一种一维的常力输出机构。中国专利CN103438141A利用压簧和滑块等装置提出一种可调恒力装置。显而易见的是，这些发明专利所提出的恒力装置都是由传统的运动传递零件连接组成。由于这些零件的间隙、磨损等固有缺点，这些恒力机构很难实现精确定位，或者通过非常复杂的结构才能实现较高精度定位。

美国专利US005649454A通过对柔性铰链的布置方案进行设计提出一种一维的恒力机构。中国专利CN101614613B利用柔顺滑块机构、曲柄滑块机构和压力传感器提出一种柔顺滑块常力机构实验装置，可以提供一个自由度的常力输出。CN102537610B通过将柔性杆、刚性杆按顺序与导向块固结形成组合杆实现恒力，进而提出一种柔顺恒力支撑机构，其本质也是一种一维的恒力机构。显而易见，上述的柔性恒力机构都只是实现了一维的恒力导向位移。