【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于精密驱动，具体涉及一种两自由度的微旋转平台及其驱动方法。
技术介绍
1、压电微旋转平台是利用压电陶瓷驱动器结合柔性结构输出微旋转的机构。微旋转平台在光纤对接、细胞转移等对微小目标进行微调节以及高精密装配等领域有重要作用。
2、现有的压电微旋转平台以平面单自由度旋转平台为主，多自由度的微旋转平台较少，且容易产生旋转中心偏移、耦合等问题。
3、与输出直线自由度或是单个旋转自由度的微动平台相比，输出多个旋转自由度的微动平台的柔性铰链需要改进以承受不同方向的旋转变形，在实际生产加工中，能承受各个方向旋转变形的柔性球铰加工难度大，加工成本高，因此需要设计满足旋转要求且加工简单的柔性铰链。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种两自由度的微旋转平台及其驱动方法。
2、第一方面，本专利技术提供一种两自由度的微旋转平台，其包括基座、输出平台，以及沿着输出平台的周向依次排列成环形的四个驱动结构。所述的驱动结构包括固定支架、压电叠堆驱动器、杠杆放大结构和连接平台。固定支架固定在基座上；压电叠堆驱动器的内端与固定支架底部。处于对向位置的两个驱动结构中压电叠堆驱动器的外端朝向相反。
3、所述的杠杆放大结构上具有三个连接位置，分别为主动端点、支点和从动端点。杠杆放大结构上的支点与固定支架通过第一柔性铰链转动连接；杠杆放大结构上的主动端点与压电叠堆驱动器的外端通过第二柔性铰链转动连接；杠杆放大结构上的从动端点与连接平台的顶部通过第三柔性铰链
4、作为优选，所述的第一柔性铰链、第二柔性铰链和第三柔性铰链均采用只允许绕一个方向旋转的柔性铰链。第四柔性铰链均采用只允许绕两个方向旋转的柔性铰链。
5、作为优选，依次排列的四个驱动结构分别称为第一驱动结构、第二驱动结构、第三驱动结构和第四驱动结构。以第二驱动结构和第四驱动结构的排列方向为x轴，以第一驱动结构和第三驱动结构的排列方向为y轴。压电叠堆驱动器的伸缩方向平行于z轴。
6、作为优选，在第一驱动结构和第三驱动结构中，初始状态下的第一柔性铰链、第二柔性铰链和第三柔性铰链均仅允许绕x轴旋转；第四柔性铰链允许绕x和y轴旋转。在第二驱动结构和第四驱动结构中，初始状态下的第一柔性铰链、第二柔性铰链和第三柔性铰链均仅允许绕y轴旋转；第四柔性铰链允许绕x和y轴旋转。
7、作为优选，在四个压电叠堆驱动器均输入压电叠堆驱动器最大伸长量的50％对应的电压时，输出平台的顶面平行于x轴和y轴所成的平面。
8、作为优选，该两自由度的微旋转平台，还包括两个平面电容位移传感器。两个平面电容位移传感器与第一驱动结构和第二驱动结构分别对应。平面电容位移传感器固定在基座上，且检测端朝向对应的连接平台。
9、工作过程中，根据两个平面电容位移传感器测得的位移值a1和a2，计算输出平台绕x轴的转角θx和绕y轴的转角θy如下：
10、
11、
12、其中，l为输出平台的边长。
13、作为优选，该两自由度的微旋转平台还包括四个平面电容位移传感器。四个平面电容位移传感器与四个驱动结构分别对应。平面电容位移传感器固定在基座上，且检测端朝向对应的连接平台。
14、工作过程中，根据四个平面电容位移传感器测得的位移值a1、a2、a3、a4，计算输出平台绕x轴的转角θx和绕y轴的转角θy如下：
15、
16、
17、其中，l为输出平台的边长。
18、作为优选，所述的主动端点与支点的间距小于从动端点与支点的间距。
19、作为优选，固定支架上开设有凹槽；压电叠堆驱动器安装在凹槽内。压电叠堆驱动器的内端与凹槽的底面固定。
20、第二方面，本专利技术提供前述的两自由度的微旋转平台的驱动方法，其过程如下：
21、当需要驱动输出平台绕x轴旋转时，对第一驱动结构和第三驱动结构中的压电叠堆驱动器通入相同的电压，输出平台的两侧收到相反的推力，形成驱动输出平台绕x轴旋转的转矩。第一驱动结构和第三驱动结构中的压电叠堆驱动器的输入电压根据输出平台绕x轴旋转的目标角度设定。
22、当需要驱动输出平台绕y轴旋转时，对第二驱动结构和第四驱动结构中的压电叠堆驱动器通入相同的电压，输出平台的两侧收到相反的推力，形成驱动输出平台绕y轴旋转的转矩。第二驱动结构和第四驱动结构中的压电叠堆驱动器的输入电压根据输出平台绕y轴旋转的目标角度设定。
23、本专利技术具有的有益效果是：
24、1、本专利技术通过立体组合四个柔性驱动结构搭配输出平台设计一个驱动微旋转的机构，结构紧凑，可实现输出平台两自由度微旋转。
25、2、本专利技术利用电容式位移传感器非接触式测量连接平台的位移，进而能够换算得到输出平台绕x轴和y轴的输出角度，基于此能够实现输出平台转角的负反馈控制，提高微旋转平台的控制精度。
26、3、本专利技术设计了可以满足两个垂直方向旋转要求且加工更加简单的柔性铰链，同时可以减少耦合的影响。
27、4、本专利技术设计了对向两个驱动结构共同驱动的驱动办法，共同作用下可以减少输出平台旋转中心的偏移。
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1.一种两自由度的微旋转平台；包括基座和输出平台(5)；其特征在于：还包括沿着输出平台(5)的周向依次排列成环形的四个驱动结构；所述的驱动结构包括固定支架(6)、压电叠堆驱动器(7)、杠杆放大结构(8)和连接平台(9)；固定支架(6)固定在基座上；压电叠堆驱动器(7)的内端与固定支架(6)底部；处于对向位置的两个驱动结构中压电叠堆驱动器(7)的外端朝向相反；
2.根据权利要求1所述的一种两自由度的微旋转平台，其特征在于：依次排列的四个驱动结构分别称为第一驱动结构(1)、第二驱动结构(2)、第三驱动结构(3)和第四驱动结构(4)；以第二驱动结构(2)和第四驱动结构(4)的排列方向为X轴，以第一驱动结构(1)和第三驱动结构(3)的排列方向为Y轴；压电叠堆驱动器(7)的伸缩方向平行于Z轴。
3.根据权利要求2所述的一种两自由度的微旋转平台，其特征在于：在第一驱动结构(1)和第三驱动结构(3)中，初始状态下的第一柔性铰链(10)、第二柔性铰链(11)和第三柔性铰链(12)均仅允许绕X轴旋转；第四柔性铰链(13)允许绕X和Y轴旋转；在第二驱动结构(2)和第四驱动结构
4.根据权利要求2所述的一种两自由度的微旋转平台，其特征在于：在四个压电叠堆驱动器(7)均输入压电叠堆驱动器(7)最大伸长量的50％对应的电压时，输出平台(5)的顶面平行于X轴和Y轴所成的平面。
5.根据权利要求2所述的一种两自由度的微旋转平台，其特征在于：该两自由度的微旋转平台，还包括两个平面电容位移传感器(14)；两个平面电容位移传感器(14)与第一驱动结构和第二驱动结构分别对应；平面电容位移传感器(14)固定在基座上，且检测端朝向对应的连接平台(9)；
6.根据权利要求2所述的一种两自由度的微旋转平台，其特征在于：该两自由度的微旋转平台还包括四个平面电容位移传感器(14)；四个平面电容位移传感器(14)与四个驱动结构分别对应；平面电容位移传感器(14)固定在基座上，且检测端朝向对应的连接平台(9)；
7.根据权利要求1所述的一种两自由度的微旋转平台，其特征在于：所述的主动端点与支点的间距小于从动端点与支点的间距。
8.根据权利要求7所述的一种两自由度的微旋转平台，其特征在于：所述的主动端点与支点的间距等于从动端点与支点的间距的1/2。
9.根据权利要求1所述的一种两自由度的微旋转平台，其特征在于：固定支架(6)上开设有凹槽；压电叠堆驱动器(7)安装在凹槽内；压电叠堆驱动器(7)的内端与凹槽的底面固定。
10.如权利要求2所述的一种两自由度的微旋转平台的驱动方法，其特征在于：当需要驱动输出平台(5)绕X轴旋转时，对第一驱动结构(1)和第三驱动结构(3)中的压电叠堆驱动器(7)通入相同的电压，输出平台(5)的两侧收到相反的推力，形成驱动输出平台(5)绕X轴旋转的转矩；第一驱动结构(1)和第三驱动结构(3)中的压电叠堆驱动器(7)的输入电压根据输出平台(5)绕X轴旋转的目标角度设定；
...【技术特征摘要】
1.一种两自由度的微旋转平台；包括基座和输出平台(5)；其特征在于：还包括沿着输出平台(5)的周向依次排列成环形的四个驱动结构；所述的驱动结构包括固定支架(6)、压电叠堆驱动器(7)、杠杆放大结构(8)和连接平台(9)；固定支架(6)固定在基座上；压电叠堆驱动器(7)的内端与固定支架(6)底部；处于对向位置的两个驱动结构中压电叠堆驱动器(7)的外端朝向相反；
2.根据权利要求1所述的一种两自由度的微旋转平台，其特征在于：依次排列的四个驱动结构分别称为第一驱动结构(1)、第二驱动结构(2)、第三驱动结构(3)和第四驱动结构(4)；以第二驱动结构(2)和第四驱动结构(4)的排列方向为x轴，以第一驱动结构(1)和第三驱动结构(3)的排列方向为y轴；压电叠堆驱动器(7)的伸缩方向平行于z轴。
3.根据权利要求2所述的一种两自由度的微旋转平台，其特征在于：在第一驱动结构(1)和第三驱动结构(3)中，初始状态下的第一柔性铰链(10)、第二柔性铰链(11)和第三柔性铰链(12)均仅允许绕x轴旋转；第四柔性铰链(13)允许绕x和y轴旋转；在第二驱动结构(2)和第四驱动结构(4)中，初始状态下的第一柔性铰链(10)、第二柔性铰链(11)和第三柔性铰链(12)均仅允许绕y轴旋转；第四柔性铰链(13)允许绕x和y轴旋转。
4.根据权利要求2所述的一种两自由度的微旋转平台，其特征在于：在四个压电叠堆驱动器(7)均输入压电叠堆驱动器(7)最大伸长量的50％对应的电压时，输出平台(5)的顶面平行于x轴和y轴所成的平面。
5.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：王文，张钟煜，黄宝楷，蒋文韬，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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