本發(fā)明涉及一種恒力機(jī)構(gòu)，特別是一種能夠在二維平面內(nèi)指定的方向輸出恒力的二維恒力機(jī)構(gòu)。本發(fā)明還涉及具有該恒力機(jī)構(gòu)的定位平臺，其屬于精密機(jī)械系統(tǒng)中的精密定位平臺，主要應(yīng)用于微操作技術(shù)(如掃描探針顯微鏡)、生物工程(細(xì)胞注射)、精確排版(3d打印)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：：基于柔性機(jī)構(gòu)的精密定位平臺技術(shù)是利用柔性鉸鏈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鏈接零件進(jìn)而實現(xiàn)零件的運(yùn)動與定位，具有零摩擦、零磨損、小沖擊、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉以及兼容性強(qiáng)等優(yōu)點，在微型操作、定位系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。恒力微定位平臺是近些年來新興的裝置，恒力平臺技術(shù)是通過對平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計使其在一定行程范圍內(nèi)具有輸出恒力或者恒力矩的特性。由于微定位平臺所承載的物體或者機(jī)構(gòu)具有體積小、結(jié)構(gòu)精密等特點，因此承受沖擊力的能力較小，而非恒力平臺在移動過程中產(chǎn)生的力是變化的，因此所承載的物體會受到一定的沖擊力，對其精密的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。隨著微機(jī)械系統(tǒng)和生物工程等領(lǐng)域的研究深入，實驗及生產(chǎn)加工過程中對微操作、定位平臺的恒力性的需求也是越來越強(qiáng)烈。近年來，國內(nèi)外很多單位和研究機(jī)構(gòu)致力于基于柔性機(jī)構(gòu)的恒力微操作、微定位系統(tǒng)的研究。如guangbohao,johnmullins和kevincronin在文章“simplifiedmodellinganddevelopmentofabi-directionallyadjustableconstant-forcecompliantgripper”中提出一種基于柔性鉸鏈的恒力夾鉗。yi-hochen和chao-chiehlan于2012年在journalofmechanicaldesign雜志上發(fā)表的文章“anadjustableconstant-forcemechanismforadaptiveend-effectoroperations”中設(shè)計一種基于柔性鉸鏈的恒力一維機(jī)構(gòu)。然而這些設(shè)計尚處于研究階段，并沒有投入實際應(yīng)用。對于雙穩(wěn)態(tài)梁的研究已經(jīng)日漸成熟，相關(guān)的發(fā)明專利也有很多。如，中國專利cn101561556b通過雙穩(wěn)態(tài)梁的雙穩(wěn)態(tài)性提出一種全柔性mems光開關(guān)；中國專利cn103198922a通過利用雙穩(wěn)態(tài)梁雙穩(wěn)態(tài)性提出一種梳齒電容精密裝配方法。但這些專利發(fā)明都是利用雙穩(wěn)態(tài)梁的雙穩(wěn)態(tài)性將其作為開關(guān)使用，沒有能夠利用其在雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生屈曲變形產(chǎn)生負(fù)剛度的性質(zhì)。有關(guān)恒力機(jī)構(gòu)的發(fā)明專利也有很多，如美國專利us6920936b2和us7677540b1利用彈簧和凸輪的結(jié)構(gòu)通過對凸輪的外形進(jìn)行設(shè)計提出一種一維的常力輸出機(jī)構(gòu)。中國專利cn103438141a利用壓簧和滑塊等裝置提出一種可調(diào)恒力裝置。顯而易見的是，這些發(fā)明專利所提出的恒力裝置都是由傳統(tǒng)的運(yùn)動傳遞零件連接組成。由于這些零件的間隙、磨損等固有缺點，這些恒力機(jī)構(gòu)很難實現(xiàn)精確定位，或者通過非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)才能實現(xiàn)較高精度定位。美國專利us005649454a通過對柔性鉸鏈的布置方案進(jìn)行設(shè)計提出一種一維的恒力機(jī)構(gòu)。中國專利cn101614613b利用柔順滑塊機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和壓力傳感器提出一種柔順滑塊常力機(jī)構(gòu)實驗裝置，可以提供一個自由度的常力輸出。cn102537610b通過將柔性桿、剛性桿按順序與導(dǎo)向塊固結(jié)形成組合桿實現(xiàn)恒力，進(jìn)而提出一種柔順恒力支撐機(jī)構(gòu)，其本質(zhì)也是一種一維的恒力機(jī)構(gòu)。顯而易見，上述的柔性恒力機(jī)構(gòu)都只是實現(xiàn)了一維的恒力導(dǎo)向位移?，F(xiàn)有的基于柔性機(jī)構(gòu)的恒力裝置都只能實現(xiàn)一維的恒力移動，這在實際應(yīng)用過程中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。例如，在進(jìn)行細(xì)胞注射操作時，如果載物臺只能一個方向移動是無法有效完成注射的。而其他的恒力機(jī)構(gòu)(如us7677540b1、us6920936b2、cn103438141a)多是利用傳統(tǒng)連接件進(jìn)行連接，由于傳統(tǒng)連接件具有間隙而且工作時會產(chǎn)生磨損，因此很難實現(xiàn)高精度的定位，而且這類設(shè)計的結(jié)構(gòu)都較復(fù)雜、不易制造且造價較高。本發(fā)明的目的就是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點設(shè)計一種新型的二維的具有恒力輸出的高精度平臺，使其能夠滿足實際工作要求。技術(shù)實現(xiàn)要素：鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種二維恒力機(jī)構(gòu)及具有該機(jī)構(gòu)的定位平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個自由度的恒力輸出以及高精度的定位。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種二維恒力機(jī)構(gòu)，用于在二維平面內(nèi)的指定方向提供恒力輸出，包括力輸入端、力輸出端和用于連接兩者并傳導(dǎo)作用力的力傳導(dǎo)件，還包括基座，且，所述力傳導(dǎo)件包括在第一方向上向所述力輸出端傳導(dǎo)作用力的第一傳導(dǎo)件和在第二方向上向所述力輸出端傳導(dǎo)作用力的第二傳導(dǎo)件；所述力輸入端對應(yīng)地分別設(shè)置于所述第一傳導(dǎo)件和所述第二傳導(dǎo)件的一端，所述力輸入端分別通過可產(chǎn)生負(fù)剛度的第一柔性鉸鏈和可產(chǎn)生正剛度的第二柔性鉸鏈連接在所述基座上；所述第一柔性鉸鏈和所述第二柔性鉸鏈并聯(lián)且構(gòu)成準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)。作為優(yōu)選，所述第一柔性鉸鏈為一雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)；所述第一柔性鉸鏈并聯(lián)位于兩個所述第二柔性鉸鏈之間形成一端固定，而另一端活動的懸臂梁機(jī)構(gòu)；所述力輸入端夾持固定在兩個所述懸臂梁機(jī)構(gòu)的活動端之間。作為優(yōu)選，所述雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)為雙穩(wěn)態(tài)梁，所述第二柔性鉸鏈為薄壁梁。作為優(yōu)選，所述第一傳導(dǎo)件和所述第二傳導(dǎo)件也由薄壁梁構(gòu)成，且兩者之間互成直角設(shè)置。作為優(yōu)選，所述第一傳導(dǎo)件和所述第二傳導(dǎo)件分別具有兩個移動端，且均由分處于所述力輸出端相對兩側(cè)的兩個直段構(gòu)成，整體呈“十”字形分布；所述力輸入端設(shè)置有四個并分別對應(yīng)地通過所述懸臂梁機(jī)構(gòu)固定在所述第一傳導(dǎo)件和所述第二傳導(dǎo)件的移動端。作為優(yōu)選，構(gòu)成所述第一傳導(dǎo)件和所述第二傳導(dǎo)件的薄壁梁為四根且相互平行。作為優(yōu)選，所述基座上還設(shè)置有對所述力輸入端的行程范圍進(jìn)行限制的限位裝置。本發(fā)明公開了一種定位平臺，包括上述的二維恒力機(jī)構(gòu)、墊塊、上平臺、底座，所述上平臺通過所述墊塊與所述力輸出端固定連接，所述底座與所述基座固定連接，所述底座上固定設(shè)置有驅(qū)動電機(jī)和位移傳感器，所述驅(qū)動電機(jī)的輸出端與所述力輸入端連接以提供力給所述二維恒力機(jī)構(gòu)，所述位移傳感器通過測量所述上平臺的位移以檢測所述二維恒力機(jī)構(gòu)移動的距離。作為優(yōu)選，所述位移傳感器為激光位移傳感器。作為優(yōu)選，所述驅(qū)動電機(jī)為音圈電機(jī)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的二維恒力機(jī)構(gòu)及具有該機(jī)構(gòu)的定位平臺的有益效果在于：通過設(shè)置柔性鉸鏈，實現(xiàn)了恒力輸出，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制作，相較于現(xiàn)有的利用傳統(tǒng)傳動零件實現(xiàn)恒力輸出的專利發(fā)明，由于采用柔性鉸鏈連接傳遞運(yùn)動，克服了傳統(tǒng)傳動零件具有摩擦、間隙以及沖擊等缺點，使定位精度可以達(dá)到納米級；通過設(shè)置分別在第一方向上和第二方向上傳導(dǎo)作用力的第一傳導(dǎo)件和第二傳導(dǎo)件，實現(xiàn)了平臺的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了平臺的二自由度運(yùn)動，進(jìn)而實現(xiàn)平臺的二維恒力輸出。附圖說明圖1為本發(fā)明的二維恒力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的二維恒力機(jī)構(gòu)的局部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的二維恒力機(jī)構(gòu)的薄壁梁的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的二維恒力機(jī)構(gòu)的薄壁梁發(fā)生彈性形變時產(chǎn)生的力和位移的曲線圖；圖5為本發(fā)明的二維恒力機(jī)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)梁發(fā)生屈曲變形時產(chǎn)生的力和位移的曲線圖；圖6為本發(fā)明的二維恒力機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)的反作用力和位移的曲線圖；圖7為本發(fā)明的二維恒力機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)時的示意圖；圖8為本發(fā)明的帶有限位裝置的二維恒力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明的帶有限位裝置的二維恒力機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)時的示意圖；圖10為本發(fā)明的定位平臺的分解示意圖；圖11為本發(fā)明的定位平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說明：1-二維恒力機(jī)構(gòu)；2-基座；3-力輸入端；4-力輸出端；5-第一柔性鉸鏈；6-第二柔性鉸鏈；7-第一傳導(dǎo)件；8-第二傳導(dǎo)件；9-限位裝置；10-墊塊；11-上平臺；12-底座；13-驅(qū)動電機(jī)；14-位移傳感器。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的二維恒力機(jī)構(gòu)及具有該機(jī)構(gòu)的定位平臺作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種二維恒力機(jī)構(gòu)1，用于在二維平面內(nèi)的指定方向提供恒力輸出，包括力輸入端3、力輸出端4和用于連接兩者并傳導(dǎo)作用力的力傳導(dǎo)件，還包括基座2，且，力傳導(dǎo)件包括在第一方向上向力輸出端4傳導(dǎo)作用力的第一傳導(dǎo)件7和在第二方向上向力輸出端4傳導(dǎo)作用力的第二傳導(dǎo)件8；力輸入端3對應(yīng)地分別設(shè)置于第一傳導(dǎo)件7和第二傳導(dǎo)件8的一端，力輸入端3分別通過可產(chǎn)生負(fù)剛度的第一柔性鉸鏈5和可產(chǎn)生正剛度的第二柔性鉸鏈6連接在基座2上；第一柔性鉸鏈5和第二柔性鉸鏈6并聯(lián)且構(gòu)成準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)。通過設(shè)置柔性鉸鏈實現(xiàn)了恒力的輸出，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制作，而且相較于傳統(tǒng)的傳動零件由于具有摩擦、間隙以及沖擊等缺點而無法實現(xiàn)高精度定位，本發(fā)明的二維恒力機(jī)構(gòu)采用的柔性鉸鏈克服了上述缺點，使定位精度可以達(dá)到納米級。另外，通過在第一方向和第二方向上設(shè)置第一傳導(dǎo)件和第二傳導(dǎo)件，實現(xiàn)了兩個方向的運(yùn)動，實現(xiàn)了二維的恒力輸出。如圖2所示，第一柔性鉸鏈5為一雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，第一柔性鉸鏈5并聯(lián)位于兩個第二柔性鉸鏈6之間形成一端固定，而另一端活動的懸臂梁機(jī)構(gòu)。力輸入端3夾持固定在兩個懸臂梁機(jī)構(gòu)的活動端之間，當(dāng)施加作用力到力輸入端3后，懸臂梁機(jī)構(gòu)的活動端運(yùn)動并將作用力輸出到力輸出端4。圖3示出了薄壁梁的結(jié)構(gòu)示意圖，薄壁梁一般指截面的最大尺寸遠(yuǎn)小于縱向尺寸的梁。圖4示出了薄壁梁在發(fā)生形變時產(chǎn)生的力和位移之間的關(guān)系曲線，圖5示出了雙穩(wěn)態(tài)梁在發(fā)生屈曲變形時產(chǎn)生的力和位移之間的關(guān)系曲線。當(dāng)力輸入端3受到作用力時，雙穩(wěn)態(tài)梁和薄壁梁均是一端可以活動，另一端固定到基座2上，此時雙穩(wěn)態(tài)梁和薄壁梁能夠使用懸臂梁模型。從圖4的曲線可以看出，隨著位移的增加，薄壁梁產(chǎn)生的反作用力增大，吸收能量，勢能增大。從圖5的曲線可以看出，雙穩(wěn)態(tài)梁在點b處發(fā)生屈曲變形，到達(dá)d點之前，其反作用力隨著位移的增加而減小，隨著位移增加，勢能減小，釋放能量。在本實施例中，雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)為雙穩(wěn)態(tài)梁，將雙穩(wěn)態(tài)梁作為負(fù)剛度機(jī)構(gòu)，第二柔性鉸鏈6為薄壁梁，將薄壁梁作為正剛度機(jī)構(gòu)。如圖1所示，雙穩(wěn)態(tài)梁相對于薄壁梁傾斜設(shè)置。在本實施例中，第一傳導(dǎo)件7和第二傳導(dǎo)件8也由薄壁梁構(gòu)成，且兩者之間互成直角設(shè)置。上述結(jié)構(gòu)簡單，并能夠?qū)崿F(xiàn)二自由度運(yùn)動。當(dāng)在其中一個方向上施加作用力后，例如在第一方向上，第一傳導(dǎo)件7能夠傳導(dǎo)作用力到力輸出端4，而與第一傳導(dǎo)件7成直角設(shè)置的第二傳導(dǎo)件8此時也作為正剛度機(jī)構(gòu)。也就是說，連接在力輸入端3和基座2之間的第二柔性鉸鏈6(如，薄壁梁)和此時的構(gòu)成第二傳導(dǎo)件8的薄壁梁均作為正剛度機(jī)構(gòu)，而連接在力輸入端3和基座2之間的第一柔性鉸鏈5(雙穩(wěn)態(tài)梁)作為負(fù)剛度機(jī)構(gòu)，正剛度機(jī)構(gòu)和負(fù)剛度機(jī)構(gòu)共同組成準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)而輸出恒力。圖6示出了本發(fā)明的二維恒力機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)的反作用力和位移的曲線圖。將正剛度機(jī)構(gòu)和負(fù)剛度機(jī)構(gòu)并聯(lián)設(shè)置，其力和位移曲線相互疊加，在點b和點d之間，準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)的力不隨位移的變化而變化，此時整個機(jī)構(gòu)的剛度為零，輸出恒力。圖7示出了在力輸入端施加作用力f時的結(jié)構(gòu)示意圖。二維恒力機(jī)構(gòu)沿y方向運(yùn)動，y方向上的第一傳導(dǎo)件7將作用力傳導(dǎo)到力輸出端4，x方向上的第二傳導(dǎo)件8發(fā)生彈性變形，產(chǎn)生正剛度，而且隔離了y方向的運(yùn)動，使其不對x方向的運(yùn)動產(chǎn)生影響。當(dāng)然，可以在第一傳導(dǎo)件7和第二傳導(dǎo)件8中的任一個的力輸入端3施加作用力，也可以同時在第一傳導(dǎo)件7和第二傳導(dǎo)件8的力輸入端3施加作用力，在相應(yīng)的力輸出端4均能夠輸出恒力。如圖1所示，第一傳導(dǎo)件7和第二傳導(dǎo)件8分別具有兩個移動端，且均由分處于力輸出端4相對兩側(cè)的兩個直段構(gòu)成，整體呈“十”字形分布；力輸入端3設(shè)置有四個并分別對應(yīng)地通過懸臂梁機(jī)構(gòu)固定在第一傳導(dǎo)件7和第二傳導(dǎo)件8的移動端。本發(fā)明的二維恒力結(jié)構(gòu)采用對稱結(jié)構(gòu)，增加了穩(wěn)定性。本實施例中，構(gòu)成第一傳導(dǎo)件7和第二傳導(dǎo)件8的薄壁梁為四根且相互平行。當(dāng)然，如果將二維恒力機(jī)構(gòu)的薄壁梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行改變，數(shù)量也可以進(jìn)行相應(yīng)的變化，只要其整體滿足準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)的要求即可。如圖8和圖9所示，為了使二維恒力機(jī)構(gòu)直接進(jìn)入恒力行程，即施加作用力后，使二維恒力機(jī)構(gòu)在圖6中示出的點b和點d之間運(yùn)動，可在工作前對二維恒力機(jī)構(gòu)施加預(yù)載荷，載荷方向為二維恒力機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方向，使雙穩(wěn)態(tài)梁發(fā)生屈曲進(jìn)入負(fù)剛度狀態(tài)。為此，基座2上還設(shè)置有對力輸入端的行程范圍進(jìn)行限制的限位裝置9。例如，可以在二維恒力機(jī)構(gòu)上設(shè)置限位孔，在二維恒力機(jī)構(gòu)下方的固定裝置上設(shè)置限位柱，通過限位孔和限位柱的配合，使二維恒力機(jī)構(gòu)只能在恒力行程范圍內(nèi)移動。如圖10和圖11所示，本發(fā)明公開了一種定位平臺，包括上述的二維恒力機(jī)構(gòu)1、墊塊10、上平臺11、底座12，上平臺11通過墊塊10與力輸出端4固定連接，底座12與基座2固定連接，底座12上固定設(shè)置有驅(qū)動電機(jī)13和位移傳感器14，驅(qū)動電機(jī)13的輸出端與力輸入端3連接以提供力給二維恒力機(jī)構(gòu)1，位移傳感器14通過非接觸式測量上平臺11在x與y方向上的位移以檢測二維恒力機(jī)構(gòu)1移動的距離。本實施例中，位移傳感器14為激光位移傳感器。在本實施例中，驅(qū)動電機(jī)13為音圈電機(jī)。以上實施例僅為本發(fā)明的示例性實施例，不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本發(fā)明的實質(zhì)和保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應(yīng)視為落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁12當(dāng)前第1頁12