技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及柔順位移放大機(jī)構(gòu)，更具體地說(shuō)，涉及一種增益隨輸入力增大的緊湊型柔順正交位移放大機(jī)構(gòu)，可應(yīng)用于精密工程、微操作機(jī)器人等領(lǐng)域。

背景技術(shù)

柔順機(jī)構(gòu)是指利用其柔性部分的彈性變形來(lái)傳遞或者轉(zhuǎn)換力、運(yùn)動(dòng)或能量的一種機(jī)構(gòu)，由于柔順機(jī)構(gòu)具有無(wú)摩擦、無(wú)間隙、免潤(rùn)滑、免裝配和運(yùn)動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此，其廣泛應(yīng)用于精密工程、微操作等領(lǐng)域。

在精密工程和微操作中，一方面常需要將驅(qū)動(dòng)器(如壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器、靜電梳齒狀驅(qū)動(dòng)器)有限的輸出行程擴(kuò)大，以實(shí)現(xiàn)大的工作空間和靈活的微操作；另一方面，常需要將驅(qū)動(dòng)器的直線輸出位移方向轉(zhuǎn)化為與之相垂直的平行夾持(即正交位移轉(zhuǎn)換)，以實(shí)現(xiàn)精密穩(wěn)定的操作。由于上述兩方面原因，同時(shí)實(shí)現(xiàn)位移放大和正交位移轉(zhuǎn)換是精密工程與微操作領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

在現(xiàn)有的柔順正交位移放大機(jī)構(gòu)中，橋式放大機(jī)構(gòu)是一種典型實(shí)現(xiàn)形式，但這種機(jī)構(gòu)僅在雙向?qū)ΨQ輸入力的條件下方可實(shí)現(xiàn)正交位移轉(zhuǎn)換，因此限制了其應(yīng)用范圍。有的柔順正交位移放大機(jī)構(gòu)雖然可在單向輸入力的條件下實(shí)現(xiàn)正交位移放大，但由于幾何非線性，隨著輸入力的增大，機(jī)構(gòu)的增益逐步降低，因此不利于大的工作空間和靈活微操作的實(shí)現(xiàn)。有的柔順正交位移放大機(jī)構(gòu)雖然可在單向輸入力的條件下實(shí)現(xiàn)正交位移放大，且在考慮幾何非線性情況下，隨著輸入力增大，機(jī)構(gòu)的增益基本恒定，但由于采用了多級(jí)機(jī)構(gòu)型式，因此不利于緊湊性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)與不足，提供一種增益隨輸入力增大的緊湊型柔順正交位移放大機(jī)構(gòu)，該柔順正交位移放大機(jī)構(gòu)在單向輸入力的作用下可以實(shí)現(xiàn)正交位移轉(zhuǎn)換，同時(shí)，其具有機(jī)構(gòu)增益隨輸入力增大的優(yōu)點(diǎn)，有利于大的工作空間和靈活微操作的實(shí)現(xiàn)，適合應(yīng)用于精密工程和微操作機(jī)器人等領(lǐng)域。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種增益隨輸入力增大的緊湊型柔順正交位移放大機(jī)構(gòu)，其特征在于：包括供輸入力作用的剛性輸入端、左剛性輸出端、右剛性輸出端、左變截面梁、右變截面梁、左待定等直梁和右待定等直梁；所述左變截面梁、左剛性輸出端和左待定等直梁依次連接，左變截面梁遠(yuǎn)離左剛性輸出端的一端與剛性輸入端的下端面連接；所述右變截面梁、右剛性輸出端和右待定等直梁依次連接，右變截面梁遠(yuǎn)離右剛性輸出端的一端與剛性輸入端的下端面連接；

所述左變截面梁、左剛性輸出端和左待定等直梁與右變截面梁、右剛性輸出端和右待定等直梁沿剛性輸入端的中心軸左右鏡像對(duì)稱設(shè)置；所述左變截面梁由左上柔順鉸鏈、左側(cè)中間等直梁和左下柔順鉸鏈依次連接組成，并且左上柔順鉸鏈位于左下柔順鉸鏈的左上方。

所述左上柔順鉸鏈的尺寸與左下柔順鉸鏈的尺寸相同。

所述左上柔順鉸鏈的長(zhǎng)度l_h，左側(cè)中間等直梁的長(zhǎng)度l_m，以及左上柔順鉸鏈的軸線和左下柔順鉸鏈軸線的間距t_r滿足以下條件：

l_h+l_m>t_r。

所述左待定等直梁的下端面固定(例如：與框架固定)，其上端面與左剛性輸出端連接；所述左待定等直梁與左剛性輸出端連接處的中點(diǎn)位于左下柔順鉸鏈中心軸線的右側(cè)，并位于左待定等直梁下端面中心左側(cè)。

在上述方案中，輸入力沿著機(jī)構(gòu)左右方向?qū)ΨQ線豎直向下作用在剛性輸入端上，則可使左剛性輸出端水平向右運(yùn)動(dòng)，右剛性輸出端水平向左運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)正交位移轉(zhuǎn)換，而且機(jī)構(gòu)增益大于1，實(shí)現(xiàn)位移放大。因此本發(fā)明的機(jī)構(gòu)只需在單向輸入力的條件下就可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的正交位移轉(zhuǎn)換和位移放大(即正交位移放大)，從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。一方面，由于左上柔順鉸鏈中心和左下柔順鉸鏈中心的連線呈“左上——右下”傾斜，與左變截面梁的撓曲方向相同，因此，當(dāng)左變截面梁在撓曲位置上建立平衡時(shí)，其彎矩會(huì)產(chǎn)生增加量，由于機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性，右變截面梁中彎矩也會(huì)產(chǎn)生增加量；另一方面，左變截面梁和右變截面梁處在壓彎組合變形狀態(tài)，由于壓縮軟化非線性作用，左變截面梁和右變截面梁在撓曲方向的剛度隨輸入力的增加而降低。上述兩方面擴(kuò)大了輸出位移和機(jī)構(gòu)增益。

過(guò)左待定等直梁上端面中心作出的豎直線與左下柔順鉸鏈的軸線的間距l(xiāng)_CC1滿足：

式中，L_v表示左變截面梁的長(zhǎng)度，l_BC1表示從左下柔順鉸鏈下端中點(diǎn)出發(fā)作出的垂直于過(guò)左待定等直梁上端面中心的水平線的線段長(zhǎng)度。

所述左待定等直梁尺寸L_d，B，α滿足方程組(1.2)-(1.4)：