專利名稱:基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，屬于精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。宏觀壓電驅(qū)動(dòng)單元分別通過內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈和仿生楔形觸角的彈性變形對(duì)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體進(jìn)行順時(shí)針宏觀驅(qū)動(dòng)，微觀熱膨脹驅(qū)動(dòng)單元通過高溫陶瓷加熱棒的熱傳導(dǎo)在仿生楔形觸角的間歇處產(chǎn)生可控的熱膨脹變形，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)觸角產(chǎn)生微小線性位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體的微觀驅(qū)動(dòng)。柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體以過盈配合方式內(nèi)嵌于陶瓷球軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)體中，且其凹槽內(nèi)嵌入式安裝有剛性平面反光板，用于非接觸式光學(xué)位移測(cè)量系統(tǒng)對(duì)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體旋轉(zhuǎn)變形的定量檢測(cè)。優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)緊湊，可滿足微納操作、微納加工、精密光學(xué)、航天及醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域?qū)ξ⒓{米級(jí)精密驅(qū)動(dòng)與定位的需求。
【專利說明】
基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，特別涉及一種具有納米級(jí)驅(qū)動(dòng)精度的基于仿生觸 角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。通過內(nèi)包絡(luò)式壓電驅(qū)動(dòng)單元結(jié)合具有特征形態(tài)的仿生楔 形觸角，可實(shí)現(xiàn)微弧度級(jí)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合楔形觸角的可控?zé)崤蛎?，可?shí)現(xiàn)納 弧度級(jí)轉(zhuǎn)角的精密驅(qū)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)壓電式旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的宏微耦合驅(qū)動(dòng)模式。本實(shí)用新型可為微 納操作、精密光學(xué)等有微納米級(jí)精密驅(qū)動(dòng)需求的諸多領(lǐng)域提供技術(shù)支撐，亦可作為微構(gòu)件 微尺度力學(xué)性能精密測(cè)試的加載單元。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)精密驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)往往采用伺服電機(jī)、直線電機(jī)等驅(qū)動(dòng)部件作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力 源，以及滾數(shù)絲杠、蝸輪蝸桿、線性導(dǎo)軌、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等傳動(dòng)部件構(gòu)成復(fù)雜傳動(dòng)系統(tǒng)。由于 存在電機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)械慣性、電磁擾動(dòng)、傳動(dòng)效率損耗、機(jī)構(gòu)爬行、傳動(dòng)系統(tǒng)間隙、換向沖擊、滑 動(dòng)磨損等影響精密傳動(dòng)過程的不利因素，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精密驅(qū)動(dòng)與 定位的要求。相比于通過電致伸縮、磁致伸縮、記憶合金變形等效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)， 壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有響應(yīng)頻率高和傳動(dòng)柔性化等特點(diǎn)。以壓電精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)為代表的微納精 密驅(qū)動(dòng)技術(shù)在精密光學(xué)、控制工程、微電子技術(shù)、航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛， 尤其在航天飛行器空間對(duì)接、仿生微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)、超精密加工與裝配、顯微生物醫(yī)學(xué)組織 操作等前沿領(lǐng)域具有難以替代的作用。而精密驅(qū)動(dòng)器作為對(duì)目標(biāo)對(duì)象直接定位與操控的執(zhí) 行器，其驅(qū)動(dòng)性能直接影響其定位精度與操控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)分辨率。
[0003] 根據(jù)驅(qū)動(dòng)原理及運(yùn)動(dòng)形式的不同，壓電驅(qū)動(dòng)器可主要分為慣性式和尺蠖型兩種。 其中慣性式壓電驅(qū)動(dòng)器具有分辨率高、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出行程大等特點(diǎn)。相比于直線式驅(qū) 動(dòng)器，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器具有更復(fù)雜的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，受轉(zhuǎn)動(dòng)單元回轉(zhuǎn)精度等誤差因素的影響，其旋轉(zhuǎn) 定位精度取決于徑向和周向的絕對(duì)位移?；谡郴Σ硫?qū)動(dòng)原理的旋轉(zhuǎn)慣性式壓電驅(qū)動(dòng)器 結(jié)構(gòu)緊湊、操作與控制過程簡(jiǎn)單、定位精度高。其基本結(jié)構(gòu)由壓電器件、柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和粘 滑回轉(zhuǎn)移動(dòng)塊組成，其中柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)端與粘滑回轉(zhuǎn)移動(dòng)塊保持面接觸或點(diǎn)接觸， 接觸區(qū)域表面具有較大的靜摩擦系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)。依據(jù)動(dòng)量守恒定律，當(dāng)向壓電器件 施加線性增加的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)位移并與粘滑回轉(zhuǎn)移動(dòng)塊進(jìn)行 接觸摩擦傳動(dòng)，因粘滑過程速度較為緩慢，回轉(zhuǎn)移動(dòng)快所受慣性沖擊并不顯著，粘滑移回轉(zhuǎn) 移動(dòng)塊的轉(zhuǎn)動(dòng)弧長(zhǎng)與柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出位移行程保持一致。當(dāng)施加在壓電器件上的電壓 迅速下降時(shí)，柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)迅速彈性回復(fù)至其初始位置，但粘滑移回轉(zhuǎn)移動(dòng)塊由于自身的 慣性載荷大于柔性傳動(dòng)結(jié)構(gòu)彈性回復(fù)過程中的摩擦力。據(jù)此，在周期性鋸齒形電壓的作用 下，粘滑移回轉(zhuǎn)移動(dòng)塊產(chǎn)生步進(jìn)旋轉(zhuǎn)位移。J.M. Breguet對(duì)粘滑式慣性驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)原理 和控制方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，Q.Z. Zou利用慣性質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)單元之間的粘滑現(xiàn)象開發(fā) 了精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。采用鋸齒波形信號(hào)作為均布式壓電雙晶片的加載電壓波形，在加載過 程中周向分布的三個(gè)雅典敬佩同時(shí)同向緩慢旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)單元同步轉(zhuǎn)動(dòng);在卸 載過程中，壓電晶片迅速彈性回復(fù)，而回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)單元的位置基本保持不變。因此，在連續(xù)鋸 齒波形時(shí)序信號(hào)的作用下，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到O.lSrad/ s. Y. Zhang研制了一種基于直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的多自由度粘滑驅(qū)動(dòng)器，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的 實(shí)現(xiàn)是基于對(duì)兩個(gè)壓電疊堆精確的時(shí)序控制配合實(shí)現(xiàn)的。
[0004] 盡管基于粘滑摩擦驅(qū)動(dòng)原理的旋轉(zhuǎn)慣性式壓電驅(qū)動(dòng)器因其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、較高的運(yùn) 動(dòng)分辨率、較大的運(yùn)動(dòng)行程和較快的驅(qū)動(dòng)速度而在精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但機(jī)構(gòu)磨損、慣 性沖擊等因素限制了其極高定位精度的實(shí)現(xiàn)。此外，在實(shí)際工況下，由于壓電精密驅(qū)動(dòng)器的 服役工況往往受到空間尺寸狹小、電磁環(huán)境復(fù)雜、工作溫度劇變等諸多因素的影響，難以實(shí) 現(xiàn)納米級(jí)精度的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，解 決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。針對(duì)現(xiàn)有粘滑摩擦型慣性式驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)大都僅采用壓電器 件作為驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)模式，本實(shí)用新型將壓電驅(qū)動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)的宏觀驅(qū)動(dòng)與柔性機(jī)構(gòu)熱膨 脹行為實(shí)現(xiàn)的微觀驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)豐富的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)模式和納米級(jí)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)分辨率。本 實(shí)用新型由宏觀壓電驅(qū)動(dòng)單元、微觀熱膨脹驅(qū)動(dòng)單元、微回轉(zhuǎn)單元以及支撐單元組成。本實(shí) 用新型的宏觀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)依靠?jī)?nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈和仿生楔形觸角的彈性變形實(shí)現(xiàn)柱形轉(zhuǎn)動(dòng) 體的粘滑摩擦，本實(shí)用新型的微觀旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)依靠高溫陶瓷加熱棒在仿生楔形觸角的間歇處 產(chǎn)生的熱膨脹實(shí)現(xiàn)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體的微動(dòng)摩擦。
[0006] 本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0007] 基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，包括宏觀壓電驅(qū)動(dòng)單元、微觀熱膨 脹驅(qū)動(dòng)單元、微回轉(zhuǎn)單元以及支撐單元，所述宏觀壓電驅(qū)動(dòng)單元嵌入式剛性安裝在支撐單 元中的基座7的矩形槽中，內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13對(duì)稱軸線的非固定 部分通過支撐單元中的硬質(zhì)鋼球6浮動(dòng)于基座7的弧形導(dǎo)向槽上;微觀熱膨脹驅(qū)動(dòng)單元中的 高溫陶瓷加熱棒1過盈安裝于宏觀壓電驅(qū)動(dòng)單元中對(duì)稱式布局的內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi) 包絡(luò)式柔性鉸鏈B13外側(cè)的開槽內(nèi)孔中；微回轉(zhuǎn)單元中的柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的圓柱母線與微觀 熱膨脹驅(qū)動(dòng)單元中的仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12的觸點(diǎn)保持線彈性接觸，且陶瓷球 軸承9的外圈過盈安裝于支撐單元中的基座7的中心階梯內(nèi)孔中。
[0008] 所述的宏觀壓電驅(qū)動(dòng)單元包括內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13、內(nèi)六 角螺釘3、鉸鏈剛性支撐端4和壓電促動(dòng)器5,所述內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈 B13具有近圓環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且分別具有八處圓弧過渡式的柔性結(jié)構(gòu)，鉸鏈剛性支撐端4通 過內(nèi)六角螺釘3與基座7連接，一組壓電促動(dòng)器5具有輸出位移自檢測(cè)功能并同軸、共面、對(duì) 稱安裝于內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13的剛性內(nèi)側(cè)壁之間，其對(duì)稱軸為柱形 轉(zhuǎn)動(dòng)體11的中軸線。
[0009] 所述的微觀熱膨脹驅(qū)動(dòng)單元包括一組高溫陶瓷加熱棒1和仿生楔形觸角A8、仿生 楔形觸角B12,所述高溫陶瓷加熱棒1以柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的中軸線為對(duì)稱軸安裝在內(nèi)包絡(luò)式柔 性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13外側(cè)的開槽內(nèi)孔中，仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12具 有弧形"月牙式"的陣列微結(jié)構(gòu)，且附著在內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13外側(cè) 的開槽圓柱外表面。
[0010] 所述的微回轉(zhuǎn)單元包括陶瓷球軸承9、剛性平面反光板10和柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11，所述柱 形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的階梯軸過盈安裝在陶瓷球軸承9內(nèi)圈中，剛性平面反光板10為具有反光特性 的非透明硅片，用于對(duì)微轉(zhuǎn)角進(jìn)行入射和反射光路探測(cè)，內(nèi)嵌安裝在柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的矩形 凹槽中；
[0011] 所述的支撐單元包括一組硬質(zhì)鋼球6和基座7,所述硬質(zhì)鋼球6安裝在基座7的弧形 導(dǎo)向凹槽中，并與內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13下表面的內(nèi)凹槽保持彈性點(diǎn) 接觸，基座7的上表面，除弧形導(dǎo)向凹槽處，整體涂覆有厚度為0.5mm的TDD真空絕熱涂層材 料，以削弱高溫陶瓷加熱棒1的高溫?zé)彷椛鋵?duì)基座7的熱變形影響;此外，基座7加工有一組 螺紋孔，與氣浮隔振臺(tái)或高分辨顯微鏡調(diào)整平臺(tái)的定位與安裝。
[0012] 所述的內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13與鉸鏈剛性支撐端4之間采用 可轉(zhuǎn)動(dòng)式的圓弧形柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)稱式內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔 性鉸鏈B13在其環(huán)形拓?fù)淦矫嫔系男D(zhuǎn)自由度，在仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12的觸 點(diǎn)與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11外圓柱面間的接觸載荷過大的情況下，該圓弧形柔性結(jié)構(gòu)可沿背離觸點(diǎn) 接觸區(qū)域的防線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形以降低局部接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力，對(duì)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的宏觀旋 轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)過程起到緩沖、減震的作用；內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13的八處圓 弧過渡式的柔性結(jié)構(gòu)亦呈現(xiàn)對(duì)稱布局形式，結(jié)合一組同軸且對(duì)稱安裝的壓電促動(dòng)器5在加 載過程中的等幅、等頻、同步位移輸出，一組內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13外 側(cè)的開槽圓柱中心軸線相應(yīng)地輸出等幅、等頻、等力矩且方向相反的位移，即可通過粘滑摩 擦驅(qū)動(dòng)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11產(chǎn)生步幅在微弧度級(jí)的宏觀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0013] 所述的仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12沿內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性 鉸鏈B13的開槽圓柱面均布周向排列，內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13通過其 外側(cè)開槽圓柱表面附著的仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11始終保持彈 性接觸;具有弧形"月牙式"結(jié)構(gòu)特征的仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12的曲率半徑為亞 毫米級(jí)，當(dāng)向一組壓電促動(dòng)器5施加等幅、等頻的正電壓時(shí)，仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角 B12尖端的運(yùn)動(dòng)方向朝向其"月牙式"弧線的圓心，且觸角尖端與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的非光滑外 圓柱面始終保持彈性點(diǎn)接觸；當(dāng)一組壓電促動(dòng)器5軸向加載時(shí)，仿生楔形觸角A8、仿生楔形 觸角B12可驅(qū)動(dòng)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11順時(shí)針方向步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)壓電促動(dòng)器5軸向快速卸載時(shí)，柱形 轉(zhuǎn)動(dòng)體11可保持其當(dāng)前位置不發(fā)生變化，即仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12具有正向宏 觀驅(qū)動(dòng)和反向慣性滑行的作用。
[0014] 所述的內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13浮動(dòng)端的下表面和基座7的上 表面分別加工有曲率半徑一致的弧形導(dǎo)向凹槽，單個(gè)硬質(zhì)鋼珠6的球徑小于凹槽的曲率半 徑，硬質(zhì)鋼珠6與弧形導(dǎo)向凹槽始終保持彈性點(diǎn)接觸，即以滾動(dòng)摩擦而非滑動(dòng)摩擦方式對(duì)內(nèi) 包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13的變形進(jìn)行導(dǎo)向，以克服內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、 內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13在極小變形情況下的靜摩擦力和驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
[0015] 通過過盈安裝在內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13外側(cè)開槽內(nèi)孔中的 一組高溫陶瓷加熱棒1的熱膨脹變形實(shí)現(xiàn)微觀旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)高溫陶瓷加熱棒1的發(fā)熱功率不 同時(shí)，其表現(xiàn)出不同的溫升，即不同程度的線性熱膨脹變形驅(qū)動(dòng)仿生楔形觸角A8、仿生楔形 觸角B12產(chǎn)生相應(yīng)的等效位移;在內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13外側(cè)開槽內(nèi) 孔的間隙處，一方面，熱膨脹變形導(dǎo)致的徑向位移增加了仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角 B12與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11外圓柱面微結(jié)構(gòu)陣列間的接觸載荷，從而增強(qiáng)了柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11微轉(zhuǎn)動(dòng) 過程中的表面滑動(dòng)摩擦力；另一方面，熱膨脹變形導(dǎo)致的周向位移亦直接驅(qū)動(dòng)了柱形轉(zhuǎn)動(dòng) 體11產(chǎn)生可控的微角位移。
[0016]所述的柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的外圓柱表面為非光滑圓柱面，即柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的圓柱面表 層制備有特征尺寸在百微米級(jí)的球狀微結(jié)構(gòu)陣列，該微型凸起結(jié)構(gòu)沿柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的軸向 等間距分布，可增加仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11之間的滑動(dòng)摩擦系 數(shù)。
[0017]所述的基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的主體尺寸為51 mm X40 mm X 14 mm〇
[0018] 本實(shí)用新型的有益效果在于:本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的旋轉(zhuǎn)輸出位移分辨率， 驅(qū)動(dòng)速度快，運(yùn)動(dòng)行程大，結(jié)構(gòu)緊湊，主體尺寸為51 mm X40 mm X 14 mm。與現(xiàn)有技術(shù)相 比，本實(shí)用新型采用壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)結(jié)合熱膨脹變形方法實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)類目標(biāo)的宏微結(jié)合模式 的精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，具有特征幾何形狀的仿生楔形觸角和具有細(xì)微結(jié)構(gòu)的柱形轉(zhuǎn)動(dòng)提非光滑 圓柱面可提升驅(qū)動(dòng)平臺(tái)正向宏觀驅(qū)動(dòng)和反向慣性滑行的穩(wěn)定性。此外，由于本實(shí)用新型的 主體結(jié)構(gòu)采用臥式布局方式，且結(jié)構(gòu)小巧，可將驅(qū)動(dòng)平臺(tái)置于掃描電子顯微鏡的真空腔體 內(nèi)，便于對(duì)微觀粘滑摩擦過程及磨損機(jī)制的的高分辨率監(jiān)測(cè)與分析。
【附圖說明】

[0019] 此處所說明的附圖用來提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分， 本實(shí)用新型的示意性實(shí)例及其說明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限 定。
[0020] 圖1為本實(shí)用新型的整體外觀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本實(shí)用新型的俯視不意圖；
[0022]圖3為本實(shí)用新型的主視不意圖；
[0023] 圖4為本實(shí)用新型具有仿生觸角結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈?zhǔn)疽鈭D；
[0024] 圖5為本實(shí)用新型具有球形微結(jié)構(gòu)陣列表層的柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖6為本實(shí)用新型鉸鏈變形與總體驅(qū)動(dòng)原理示意圖；
[0026]圖7為本實(shí)用新型宏觀與微觀驅(qū)動(dòng)原理示意圖。
[0027] 圖中：1、高溫陶瓷加熱棒;2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈-1; 3、內(nèi)六角螺釘;4、鉸鏈剛性支 撐端;5、壓電促動(dòng)器;6、硬質(zhì)鋼球;7、基座;8、仿生楔形觸角_1;9、陶瓷球軸承；10、剛性平面 反光板;11、柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體;12、仿生楔形觸角-2; 13、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)施方式】。
[0029] 參見圖1至圖7所示，本實(shí)用新型的基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)， 包括宏觀壓電驅(qū)動(dòng)單元、微觀熱膨脹驅(qū)動(dòng)單元、微回轉(zhuǎn)單元以及支撐單元，所述宏觀壓電驅(qū) 動(dòng)單元嵌入式剛性安裝在支撐單元中的基座7的矩形槽中，內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式 柔性鉸鏈B13對(duì)稱軸線的非固定部分通過支撐單元中的硬質(zhì)鋼球6浮動(dòng)于基座7的弧形導(dǎo)向 槽上;微觀熱膨脹驅(qū)動(dòng)單元中的高溫陶瓷加熱棒1過盈安裝于宏觀壓電驅(qū)動(dòng)單元中對(duì)稱式 布局的內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13外側(cè)的開槽內(nèi)孔中；微回轉(zhuǎn)單元中的柱 形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的圓柱母線與微觀熱膨脹驅(qū)動(dòng)單元中的仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12的 觸點(diǎn)保持線彈性接觸，且陶瓷球軸承9的外圈過盈安裝于支撐單元中的基座7的中心階梯內(nèi) 孔中。
[0030] 所述的宏觀壓電驅(qū)動(dòng)單元包括內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13、內(nèi)六 角螺釘3、鉸鏈剛性支撐端4和壓電促動(dòng)器5,所述內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈 B13具有近圓環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且分別具有八處圓弧過渡式的柔性結(jié)構(gòu)，鉸鏈剛性支撐端4通 過內(nèi)六角螺釘3與基座7連接，一組壓電促動(dòng)器5具有輸出位移自檢測(cè)功能并同軸、共面、對(duì) 稱安裝于內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13的剛性內(nèi)側(cè)壁之間，其對(duì)稱軸為柱形 轉(zhuǎn)動(dòng)體11的中軸線。
[0031] 所述的微觀熱膨脹驅(qū)動(dòng)單元包括一組高溫陶瓷加熱棒1和仿生楔形觸角A8、仿生 楔形觸角B12,所述高溫陶瓷加熱棒1以柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的中軸線為對(duì)稱軸安裝在內(nèi)包絡(luò)式柔 性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13外側(cè)的開槽內(nèi)孔中，仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12具 有弧形"月牙式"的陣列微結(jié)構(gòu)，且附著在內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13外側(cè) 的開槽圓柱外表面。
[0032] 所述的微回轉(zhuǎn)單元包括陶瓷球軸承9、剛性平面反光板10和柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11，所述柱 形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的階梯軸過盈安裝在具有良好的耐熱性和較高的回轉(zhuǎn)精度的陶瓷球軸承9內(nèi)圈 中，剛性平面反光板10為具有反光特性的非透明硅片，用于對(duì)激光位移傳感器等非接觸式 位移檢測(cè)裝置對(duì)本實(shí)用新型所述旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的微轉(zhuǎn)角進(jìn)行入射和反射光路探測(cè)，內(nèi)嵌安裝在 柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的矩形凹槽中；
[0033] 所述的支撐單元包括一組硬質(zhì)鋼球6和基座7,所述硬質(zhì)鋼球6安裝在基座7的弧形 導(dǎo)向凹槽中，并與內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13下表面的內(nèi)凹槽保持彈性點(diǎn) 接觸，基座7的上表面，除弧形導(dǎo)向凹槽處，整體涂覆有厚度為0.5mm的TDD真空絕熱涂層材 料，以削弱高溫陶瓷加熱棒1的高溫?zé)彷椛鋵?duì)基座7的熱變形影響;此外，基座7亦加工有一 組螺紋孔，以便于本實(shí)用新型與氣浮隔振臺(tái)或高分辨顯微鏡調(diào)整平臺(tái)等載物環(huán)境的定位與 安裝。
[0034]所述的內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13與鉸鏈剛性支撐端4之間采用 可轉(zhuǎn)動(dòng)式的圓弧形柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)稱式內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔 性鉸鏈B13在其環(huán)形拓?fù)淦矫嫔系男D(zhuǎn)自由度，在仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12的觸 點(diǎn)與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11外圓柱面間的接觸載荷過大的情況下，該圓弧形柔性結(jié)構(gòu)可沿背離觸點(diǎn) 接觸區(qū)域的防線產(chǎn)生小幅扭轉(zhuǎn)變形以降低局部接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力，對(duì)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的宏 觀旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)過程起到緩沖、減震的作用；內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13的八 處圓弧過渡式的柔性結(jié)構(gòu)亦呈現(xiàn)對(duì)稱布局形式，結(jié)合一組同軸且對(duì)稱安裝的壓電促動(dòng)器5 在加載過程中的等幅、等頻、同步位移輸出，一組內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈 B13外側(cè)的開槽圓柱中心軸線相應(yīng)地輸出等幅、等頻、等力矩且方向相反的位移，即可通過 粘滑摩擦驅(qū)動(dòng)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11產(chǎn)生步幅在微弧度級(jí)的宏觀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0035]所述的仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12沿內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性 鉸鏈B13的開槽圓柱面均布周向排列，內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13通過其 外側(cè)開槽圓柱表面附著的仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11始終保持彈 性接觸;具有弧形"月牙式"結(jié)構(gòu)特征的仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12的曲率半徑為亞 毫米級(jí)，當(dāng)向一組壓電促動(dòng)器5施加等幅、等頻的正電壓時(shí)，仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角 B12尖端的運(yùn)動(dòng)方向朝向其"月牙式"弧線的圓心，且觸角尖端與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的非光滑外 圓柱面始終保持彈性點(diǎn)接觸；當(dāng)一組壓電促動(dòng)器5軸向加載時(shí)，仿生楔形觸角A8、仿生楔形 觸角B12可驅(qū)動(dòng)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11順時(shí)針方向步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)壓電促動(dòng)器5軸向快速卸載時(shí)，柱形 轉(zhuǎn)動(dòng)體11可保持其當(dāng)前位置不發(fā)生變化，即仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12具有正向宏 觀驅(qū)動(dòng)和反向慣性滑行的作用。
[0036]所述的內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13浮動(dòng)端的下表面和基座7的上 表面分別加工有曲率半徑一致的弧形導(dǎo)向凹槽，單個(gè)硬質(zhì)鋼珠6的球徑小于凹槽的曲率半 徑，硬質(zhì)鋼珠6與弧形導(dǎo)向凹槽始終保持彈性點(diǎn)接觸，即以滾動(dòng)摩擦而非滑動(dòng)摩擦方式對(duì)內(nèi) 包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13的變形進(jìn)行導(dǎo)向，以克服內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、 內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13在極小變形情況下的靜摩擦力和驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
[0037]通過過盈安裝在內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13外側(cè)開槽內(nèi)孔中的 一組高溫陶瓷加熱棒1的熱膨脹變形實(shí)現(xiàn)微觀旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)高溫陶瓷加熱棒1的發(fā)熱功率不 同時(shí)，其表現(xiàn)出不同的溫升，即不同程度的線性熱膨脹變形驅(qū)動(dòng)仿生楔形觸角A8、仿生楔形 觸角B12產(chǎn)生相應(yīng)的等效位移;在內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13外側(cè)開槽內(nèi) 孔的間隙處，一方面，熱膨脹變形導(dǎo)致的徑向位移增加了仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角 B12與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11外圓柱面微結(jié)構(gòu)陣列間的接觸載荷，從而增強(qiáng)了柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11微轉(zhuǎn)動(dòng) 過程中的表面滑動(dòng)摩擦力；另一方面，熱膨脹變形導(dǎo)致的周向位移亦直接驅(qū)動(dòng)了柱形轉(zhuǎn)動(dòng) 體11產(chǎn)生可控的微角位移。
[0038]所述的柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的外圓柱表面為具有較大摩擦系數(shù)和細(xì)微結(jié)構(gòu)的非光滑圓 柱面，即柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的圓柱面表層制備有特征尺寸在百微米級(jí)的球狀微結(jié)構(gòu)陣列，該微 型凸起結(jié)構(gòu)沿柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的軸向和軸向等間距分布，可增加仿生楔形觸角A8、仿生楔形 觸角B12與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。
[0039]所述的基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的主體尺寸為51 mm X40 mm X 14 mm〇
[0040]本實(shí)用新型中宏觀壓電驅(qū)動(dòng)單元分別通過內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈和仿生楔形觸角的 彈性變形對(duì)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體進(jìn)行順時(shí)針宏觀驅(qū)動(dòng)，微觀熱膨脹驅(qū)動(dòng)單元通過高溫陶瓷加熱棒的 熱傳導(dǎo)在仿生楔形觸角的間歇處產(chǎn)生可控的熱膨脹變形，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)觸角產(chǎn)生微小線性位 移，實(shí)現(xiàn)對(duì)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體的微觀驅(qū)動(dòng)。柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體以過盈配合方式內(nèi)嵌于陶瓷球軸承的轉(zhuǎn)動(dòng) 體中，且其凹槽內(nèi)嵌入式安裝有剛性平面反光板，用于非接觸式光學(xué)位移測(cè)量系統(tǒng)對(duì)柱形 轉(zhuǎn)動(dòng)體旋轉(zhuǎn)變形的定量檢測(cè)。涉及到的元器件和具體型號(hào)為：壓電促動(dòng)器5的型號(hào)為 PTJ1500505201，標(biāo)稱輸出位移為20 μπι，空載輸出推力為900 N，剛度為45 Ν/μπι，諧振頻率 高達(dá)83 kHz。高溫陶瓷加熱棒1實(shí)為利用氧化鋁陶瓷和金屬材料共同燒結(jié)而成的高溫陶瓷 發(fā)熱體，其直徑為3.8 mm，型號(hào)為XH-RB382,額定功率為200 W，最高溫度約為600 °C。內(nèi)包 絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13和基座7的弧形導(dǎo)向凹槽均采用線切割方式加工。 [0041 ]在對(duì)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的旋轉(zhuǎn)速度及分辨率進(jìn)行測(cè)試之前，應(yīng)首先確保內(nèi)包絡(luò)式柔性 鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13于基座之間以及柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11與陶瓷球軸承9之間的直線與 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的平順性，并對(duì)剛性平面反光板10在柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11直槽中的安裝緊固性進(jìn)行檢 測(cè)。初始狀態(tài)下，如附圖1-3所示，高溫陶瓷加熱棒1與壓電促動(dòng)器5均未供電，即不產(chǎn)生相應(yīng) 的溫升和軸向變形，仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸角B12的觸點(diǎn)與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11圓柱面上的 微結(jié)構(gòu)凸起處保持小預(yù)應(yīng)力彈性接觸狀態(tài)。結(jié)合附圖4,當(dāng)向壓電促動(dòng)器5施加平緩的線性 增加電壓（圖4所示的鋸齒波形)時(shí)，內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈B13在X方向彈 性伸長(zhǎng)，其伸長(zhǎng)量2 X正比于壓電促動(dòng)器5的軸向伸長(zhǎng)量。相應(yīng)地，內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi) 包絡(luò)式柔性鉸鏈B13在y方向亦產(chǎn)生彈性變形2 7，兩正交方向上的彈性變形量分別為柱形 轉(zhuǎn)動(dòng)體11提供接觸正壓力和粘滑摩擦力。在正壓力的作用下，仿生楔形觸角A8、仿生楔形觸 角B12產(chǎn)生撓曲變形，隨著壓電促動(dòng)器5加載電壓的增加，其尖端觸點(diǎn)與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11外圓 柱面表面的球狀微結(jié)構(gòu)陣列（如圖5所示）的接觸方式逐漸由點(diǎn)接觸向面接觸過渡，從而驅(qū) 動(dòng)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11(半徑為r)沿逆時(shí)針方向產(chǎn)生宏觀旋轉(zhuǎn)角位移，相應(yīng)的轉(zhuǎn)角為△ 〃，Δ 0 與r d X和2 7之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可表述為：
[0043] 在此基礎(chǔ)上，如附圖7所示，通過可程控溫控控制器向高溫陶瓷加熱棒1施加直流 電壓，使高溫陶瓷加熱棒1達(dá)到預(yù)設(shè)溫度。此時(shí)，內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈 B13外側(cè)開槽內(nèi)孔在熱傳導(dǎo)的作用下產(chǎn)生相應(yīng)的熱膨脹變形，該變形沿開槽內(nèi)孔的徑向和 周向傳播，開槽孔壁的直徑為7?，熱膨脹系數(shù)為σ，當(dāng)高溫陶瓷加熱棒1的溫升為△ Γ時(shí)，開 槽內(nèi)孔產(chǎn)生的總位移Δ 2為：
[0044] 窗:土福露0.士..轉(zhuǎn)
[0045]考慮到內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈Α2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈Β13材料為7075鋁合金，其泊松比 約為0.33,且由于薄壁內(nèi)孔的間隙利于熱膨脹沿孔壁的周向自由傳播，因此，孔壁的徑向變 形量遠(yuǎn)小于其周向變形量。因此，高溫陶瓷加熱棒1的溫升一方面增加了仿生楔形觸角Α8、 仿生楔形觸角Β12與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的正壓力，另一方面溫升導(dǎo)致的孔壁熱膨脹亦使柱形轉(zhuǎn) 動(dòng)體11產(chǎn)生微量的角位移，從而利用結(jié)構(gòu)熱膨脹行為實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的微觀旋轉(zhuǎn)角位移。
[0046] 進(jìn)一步，當(dāng)施加在壓電促動(dòng)器5上的鋸齒波形電壓迅速下降時(shí)，內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈 Α2、內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈Β13迅速彈性回復(fù)至其初始位置。相應(yīng)地，仿生楔形觸角Α8、仿生楔形 觸角Β12的觸點(diǎn)與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的圓柱面發(fā)生逆時(shí)針接觸摩擦，此時(shí)，仿生楔形觸角Α8、仿 生楔形觸角Β12的弧形"月牙式"結(jié)構(gòu)特征中曲率半徑較大的一側(cè)與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11的圓柱面 保持短時(shí)間的面接觸后迅速分離，柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11自身的慣性載荷遠(yuǎn)大于分離過程中粘滑接 觸的摩擦力，因此，柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11在其固有位置處不產(chǎn)生定向移動(dòng)。在周期性鋸齒電壓波形 的作用下，柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11產(chǎn)生連續(xù)的定向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)過程中，非接觸式光學(xué)位移測(cè)量 系統(tǒng)對(duì)內(nèi)嵌于柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體11凹槽內(nèi)的剛性平面反光板的旋轉(zhuǎn)變形進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。
[0047] 以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對(duì)于本領(lǐng) 域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡對(duì)本實(shí)用新型所作的任何修改、 等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，其特征在于:包括宏觀壓電驅(qū)動(dòng) 單元、微觀熱膨脹驅(qū)動(dòng)單元、微回轉(zhuǎn)單元以及支撐單元，所述宏觀壓電驅(qū)動(dòng)單元嵌入式剛性 安裝在支撐單元中的基座(7)的矩形槽中，內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B (2、13 )對(duì)稱軸線的非固定 部分通過支撐單元中的硬質(zhì)鋼球(6)浮動(dòng)于基座(7)的弧形導(dǎo)向槽上;微觀熱膨脹驅(qū)動(dòng)單元 中的高溫陶瓷加熱棒(1)過盈安裝于宏觀壓電驅(qū)動(dòng)單元中對(duì)稱式布局的內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈 A、B(2、13)外側(cè)的開槽內(nèi)孔中；微回轉(zhuǎn)單元中的柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體（11)的圓柱母線與微觀熱膨脹 驅(qū)動(dòng)單元中的仿生楔形觸角A、B(8、12)的觸點(diǎn)保持線彈性接觸，且陶瓷球軸承(9)的外圈過 盈安裝于支撐單元中的基座(7)的中心階梯內(nèi)孔中。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，其特征在于:所 述的宏觀壓電驅(qū)動(dòng)單元包括內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B(2、13)、內(nèi)六角螺釘(3)、鉸鏈剛性支撐 端(4)和壓電促動(dòng)器(5)，所述內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B(2、13)具有圓環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且分別具 有八處圓弧過渡式的柔性結(jié)構(gòu)，鉸鏈剛性支撐端(4)通過內(nèi)六角螺釘(3)與基座(7)連接，一 組壓電促動(dòng)器(5)具有輸出位移自檢測(cè)功能并同軸、共面、對(duì)稱安裝于內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、 B(2、13)的剛性內(nèi)側(cè)壁之間，其對(duì)稱軸為柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體(11)的中軸線。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，其特征在于:所 述的微觀熱膨脹驅(qū)動(dòng)單元包括一組高溫陶瓷加熱棒（1)和仿生楔形觸角A、B(8、12)，所述高 溫陶瓷加熱棒（1)以柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體（11)的中軸線為對(duì)稱軸安裝在內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B( 2、 13)外側(cè)的開槽內(nèi)孔中，仿生楔形觸角A、B(8、12)具有弧形"月牙式"的陣列微結(jié)構(gòu)，且附著 在內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B (2、13 )外側(cè)的開槽圓柱外表面。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，其特征在于:所 述的微回轉(zhuǎn)單元包括陶瓷球軸承(9)、剛性平面反光板(10)和柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體(11)，所述柱形轉(zhuǎn) 動(dòng)體（11)的階梯軸過盈安裝在陶瓷球軸承(9)內(nèi)圈中，剛性平面反光板（10)為具有反光特 性的非透明硅片，用于對(duì)微轉(zhuǎn)角進(jìn)行入射和反射光路探測(cè)，內(nèi)嵌安裝在柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體（11)的 矩形凹槽中； 所述的支撐單元包括一組硬質(zhì)鋼球(6)和基座(7)，所述硬質(zhì)鋼球(6)安裝在基座(7)的 弧形導(dǎo)向凹槽中，并與內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B(2、13)下表面的內(nèi)凹槽保持彈性點(diǎn)接觸，基座 (7)的上表面，除弧形導(dǎo)向凹槽處，整體涂覆有厚度為0.5mm的TDD真空絕熱涂層材料，以削 弱高溫陶瓷加熱棒(1)的高溫?zé)彷椛鋵?duì)基座(7)的熱變形影響;此外，基座(7)加工有一組螺 紋孔，與氣浮隔振臺(tái)或高分辨顯微鏡調(diào)整平臺(tái)的定位與安裝。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，其特征 在于:所述的內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B(2、13)與鉸鏈剛性支撐端(4)之間采用可轉(zhuǎn)動(dòng)式的圓弧 形柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)稱式內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B(2、13)在其環(huán)形拓?fù)淦矫嫔?的旋轉(zhuǎn)自由度，在仿生楔形觸角A、B (8、12 )的觸點(diǎn)與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體（11)外圓柱面間的接觸載 荷過大的情況下，該圓弧形柔性結(jié)構(gòu)可沿背離觸點(diǎn)接觸區(qū)域的防線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形以降低局 部接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力，對(duì)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體（11)的宏觀旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)過程起到緩沖、減震的作用；內(nèi) 包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B(2、13)的八處圓弧過渡式的柔性結(jié)構(gòu)亦呈現(xiàn)對(duì)稱布局形式，結(jié)合一組 同軸且對(duì)稱安裝的壓電促動(dòng)器(5)在加載過程中的等幅、等頻、同步位移輸出，一組內(nèi)包絡(luò) 式柔性鉸鏈A、B(2、13)外側(cè)的開槽圓柱中心軸線相應(yīng)地輸出等幅、等頻、等力矩且方向相反 的位移，即可通過粘滑摩擦驅(qū)動(dòng)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體(11)產(chǎn)生步幅在微弧度級(jí)的宏觀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，其特征在 于:所述的仿生楔形觸角A、B(8、12)沿內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B(2、13)的開槽圓柱面均布周向 排列，內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B(2、13)通過其外側(cè)開槽圓柱表面附著的仿生楔形觸角A、B(8、 12)與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體(11)始終保持彈性接觸;具有弧形"月牙式"結(jié)構(gòu)特征的仿生楔形觸角A、B (8、12)的曲率半徑為亞毫米級(jí)，當(dāng)向一組壓電促動(dòng)器(5)施加等幅、等頻的正電壓時(shí)，仿生 楔形觸角A、B(8、12)尖端的運(yùn)動(dòng)方向朝向其"月牙式"弧線的圓心，且觸角尖端與柱形轉(zhuǎn)動(dòng) 體(11)的非光滑外圓柱面始終保持彈性點(diǎn)接觸；當(dāng)一組壓電促動(dòng)器(5)軸向加載時(shí)，仿生楔 形觸角A、B(8、12)可驅(qū)動(dòng)柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體(11)順時(shí)針方向步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)壓電促動(dòng)器(5)軸向快速 卸載時(shí)，柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體(11)可保持其當(dāng)前位置不發(fā)生變化，即仿生楔形觸角A、B(8、12)具有正 向宏觀驅(qū)動(dòng)和反向慣性滑行的作用。7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，其特征 在于:所述的內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B( 2、13)浮動(dòng)端的下表面和基座(7 )的上表面分別加工有 曲率半徑一致的弧形導(dǎo)向凹槽，單個(gè)硬質(zhì)鋼球(6)的球徑小于凹槽的曲率半徑，硬質(zhì)鋼球 (6)與弧形導(dǎo)向凹槽始終保持彈性點(diǎn)接觸，即以滾動(dòng)摩擦而非滑動(dòng)摩擦方式對(duì)內(nèi)包絡(luò)式柔 性鉸鏈A、B(2、13)的變形進(jìn)行導(dǎo)向，以克服內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B(2、13)在極小變形情況下 的靜摩擦力和驅(qū)動(dòng)負(fù)載。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，其特征在于:通 過過盈安裝在內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B(2、13)外側(cè)開槽內(nèi)孔中的一組高溫陶瓷加熱棒（1)的 熱膨脹變形實(shí)現(xiàn)微觀旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)；當(dāng)高溫陶瓷加熱棒(1)的發(fā)熱功率不同時(shí)，其表現(xiàn)出不同的 溫升，即不同程度的線性熱膨脹變形驅(qū)動(dòng)仿生楔形觸角A、B(8、12)產(chǎn)生相應(yīng)的等效位移;在 內(nèi)包絡(luò)式柔性鉸鏈A、B(2、13)外側(cè)開槽內(nèi)孔的間隙處，一方面，熱膨脹變形導(dǎo)致的徑向位移 增加了仿生楔形觸角A、B(8、12)與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體（11)外圓柱面微結(jié)構(gòu)陣列間的接觸載荷，從 而增強(qiáng)了柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體（11)微轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的表面滑動(dòng)摩擦力；另一方面，熱膨脹變形導(dǎo)致的 周向位移亦直接驅(qū)動(dòng)了柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體(11)產(chǎn)生可控的微角位移。9. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)， 其特征在于:所述的柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體（11)的外圓柱表面為非光滑圓柱面，即柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體（11)的 圓柱面表層制備有特征尺寸在百微米級(jí)的球狀微結(jié)構(gòu)陣列，該球狀微結(jié)構(gòu)陣列沿柱形轉(zhuǎn)動(dòng) 體（11)的軸向等間距分布，可增加仿生楔形觸角A、B (8、12 )與柱形轉(zhuǎn)動(dòng)體（11)之間的滑動(dòng) 摩擦系數(shù)。10. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平 臺(tái)，其特征在于:所述的基于仿生觸角和熱膨脹的宏微驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的主體尺寸為51 mm X40 mm X 14 mm〇
【文檔編號(hào)】H02N2/10GK205725520SQ201620382021
【公開日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年5月3日
【發(fā)明人】馬志超, 趙宏偉, 任露泉, 姜哲
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)