张俊仓, 甘金强* 等, 机电学院. Mechanism and Machine Theory(2021), Design of a pure rotation micropositioning stage with dual-range

近日，机电学院甘金强老师和丁华锋教授指导硕士研究生张俊仓同学在机械工程领域顶级TOP期刊《Mechanism and Machine Theory》上刊发研究成果《Design of a pure rotation micropositioning stage with dual-range》。该文针对精密机械中的转动操作，基于柔顺机构设计，提出了一种可实现无耦合纯转动的双行程精密定位平台设计。论文第一作者为机电学院2019级硕士研究生张俊仓，通讯作者为甘金强教老师，第三作者丁华锋教授。

近年来，微机电系统（MEMS）、精密光学、生物医学等微操作领域快速发展，精密定位平台作为该领域的基础支撑技术，已逐渐成为一个研究热点。柔顺机构是通过柔顺铰链的变形来传递运动和力的一种新型机构，采用一体成型，加工和安装过程简单，不需要润滑，无运动副配合，无摩擦，容易实现高精度运动。基于柔顺机构进行精密定位平台设计，已经成为精密定位系统研究的重要一环，并被广泛应用到扫描探针显微镜、航空航天、生物微操作等各类精密操作领域。国内外学者设计研究了一系列的柔顺精密定位平台，而其中大部分是专注于平动自由度的平台设计，包含转动自由度的平台设计所占比例较少。设计包含转动自由度的两自由度或多自由度柔顺精密定位平台成为精密定位平台设计研究的一个重要方向。包含转动自由度的柔顺精密定位平台设计与研究主要关注两方面的平台转动性能：大转角和运动解耦。由于平台驱动器的行程和分辨率是一定的，当平台的输出行程被放大之后，就会导致平台分辨率的下降。解决这一矛盾的一个有效方法是采用“宏微结合”的思想，搭建双行程的转动平台，以大行程平台和小行程平台嵌套的方式，兼顾柔顺精密定位平台的大行程和相对高分辨率平台的大行程和高分辨率。而在包含转动自由度的平台设计中，由于平台结构和自由度的复杂性，转动自由度的解耦往往难以实现，是柔顺精密定位平台设计中的一个难点。

针对以上问题，研究者提出了一种基于柔顺机构设计的无耦合纯转动的双行程精密定位平台。该平台设计来源于曲柄滑块机构，平台的转动机构由柔顺化的曲柄滑块机构组成。平台转动机构采用内外嵌套设计，以同时实现较大的输出行程和较高的位移精度，平台内圈为小行程转动机构，外圈为大行程转动机构。平台采用分层设计，由上下三层构成，以获得更加紧凑的结构设计，平台上层为转动部分，中层和下层分别作为驱动部分驱动小行程转动机构和大行程转动机构。通过内外嵌套设计、上下分层设计和整体对称布置，所设计平台的耦合误差达到了可忽略的量级，平台的大行程和小行程分别为[0 mrad, 17.40 mrad]和[0 mrad, 0.88 mrad]，新型的无耦合纯转动的双行程精密定位平台得以实现。

该项研究受到国家自然科学基金项目资助。

论文信息：

Title: Design of a pure rotation micropositioning stage with dual-range

Authors：Juncang Zhang, Jinqiang Gan∗, Huafeng Ding, Hai Li

Source：Mechanism and Machine Theory

DOI：10.1016/j.mechmachtheory.2021.104631

Available online：19 November 2021

论文链接：https://authors.elsevier.com/c/1e6T3,28z4Pz~9