專利名稱：一種具有低交叉耦合的全柔順兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡的制作方法
—種具有低交叉耦合的全柔順兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于柔順機(jī)構(gòu)領(lǐng)域，涉及一種具有低交叉耦合的全柔順兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡， 實(shí)現(xiàn)反射鏡繞兩個(gè)軸任意轉(zhuǎn)動(dòng)，用于激光成像、激光雷達(dá)、失調(diào)光束校正、空間光通信光束對準(zhǔn)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡需要實(shí)現(xiàn)精確、快速、低交叉耦合的兩軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)有的部分設(shè)計(jì)基于剛性機(jī)構(gòu)，剛性機(jī)構(gòu)中鉸鏈所固有的摩擦和間隙會(huì)嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)動(dòng)的精度，同時(shí)由于需要潤滑，無法在一些極端的環(huán)境(如太空)中使用；另外也有一些設(shè)計(jì)基于柔順機(jī)構(gòu)，但兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)存在較大的交叉耦合，增加了控制難度，同時(shí)降低了轉(zhuǎn)動(dòng)的精確性。
因此，設(shè)計(jì)一種具有低交叉耦合的全柔順兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡有著重要的意義。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、加工工藝性好且低交叉耦合的具有低交叉耦合的全柔順兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種低交叉耦合的全柔順兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡裝置，其特征是包括框架、十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈和口字形柔性梁連接動(dòng)平臺(tái)，反射鏡安裝在動(dòng)平臺(tái)上；動(dòng)平臺(tái)四周對稱連接有四個(gè)口字形柔性梁，四個(gè)口字形柔性梁的外側(cè)分別連接一個(gè)十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈的內(nèi)端，十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈外端連接框架，框架起支撐和固定作用，動(dòng)平臺(tái)在外界驅(qū)動(dòng)作用下可以實(shí)現(xiàn)繞兩個(gè)軸的任意轉(zhuǎn)動(dòng)。
所述十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈分別用右十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈、下十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈、左十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈、上十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈四個(gè)十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈給出，右十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈和左十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈為一組，下十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈和上十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈為一組，每組十字形柔性鉸鏈在框架內(nèi)呈軸線延伸線重合，兩組軸線延伸線正交， 形成反射鏡的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈可提供繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
所述的右十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈與右口字形柔性梁的中端開口端連接，下十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈與下口字形柔性梁的中端開口端連接，左十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈與左口字形柔性梁的中端開口端連接，上十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈與上口字形柔性梁的中端開口端連接，四個(gè)十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈分別以類似轉(zhuǎn)軸的方式與框架和口字形柔性梁連接；當(dāng)動(dòng)平臺(tái)在外界驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，口字形柔性梁發(fā)生變形，以提供動(dòng)平臺(tái)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
所述的動(dòng)平臺(tái)可以是任意形狀。
所述的反射鏡安裝在動(dòng)平臺(tái)上的任意位置。
本發(fā)明的有益效果是成功實(shí)現(xiàn)了一種低交叉耦合的全柔順兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡裝置。其特征是裝有反射鏡的動(dòng)平臺(tái)外側(cè)對稱地連接四個(gè)口字形柔性梁，四個(gè)口字形柔性梁的另一端分別連接四個(gè)十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈的內(nèi)端，四個(gè)十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈的外端連接框架，四個(gè)十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈分為兩組，每一組呈軸線延伸線重合，兩組軸線延伸線正交，形成反射鏡的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸；當(dāng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)平臺(tái)使反射鏡繞一個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與此轉(zhuǎn)動(dòng)軸正交方向的兩個(gè)口字形柔性梁發(fā)生變形，而與該轉(zhuǎn)動(dòng)軸同軸的口字形柔性梁將隨著動(dòng)平臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，口字形柔性梁帶動(dòng)與之連接的十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈發(fā)生繞其軸線的扭轉(zhuǎn)變形。十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)柔度為動(dòng)平臺(tái)提供了軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，使得與之相連的口字形柔性梁的扭轉(zhuǎn)變形很大程度地減小，這樣對動(dòng)平臺(tái)沿另一個(gè)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的影響就大為降低，也即兩軸的交叉耦合降低，使得動(dòng)平臺(tái)沿兩個(gè)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)線性度更好(相互獨(dú)立、互不干擾)，控制起來更為容易。


下面結(jié)合實(shí)施例附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
圖I是全柔順兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡的示意圖；圖2是十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈的示意圖；圖3是口字形柔性梁的示意圖；圖4是口字形柔性梁的變形示意圖；圖5是驅(qū)動(dòng)一組口字形柔性梁變形時(shí)的反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖，反射鏡繞一個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；圖6是同時(shí)驅(qū)動(dòng)四個(gè)口字形柔性梁的示意圖，反射鏡繞兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸均有轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖中1、框架；2、十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈；3、口字形柔性梁；21、右十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈；22、下十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈；23、左十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈；24、上十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈；31、右口字形柔性梁；32、下口字形柔性梁；33、左口字形柔性梁；34、上口字形柔性梁；4、動(dòng)平臺(tái)；5、反射鏡。
具體實(shí)施方式
實(shí)現(xiàn)繞兩個(gè)軸任意轉(zhuǎn)動(dòng)的全柔順兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡裝置，包括框架I、十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈2和口字形柔性梁3連接動(dòng)平臺(tái)4，反射鏡5安裝在動(dòng)平臺(tái)4上。動(dòng)平臺(tái)4四周對稱連接有四個(gè)口字形柔性梁3，四個(gè)口字形柔性梁3的外側(cè)分別連接一個(gè)十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈2的內(nèi)端，十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈2外端連接框架I。
全柔順兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡裝置如圖I所示，十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈2如圖2所示，口字形柔性梁3如圖3所示。為方便說明，四個(gè)十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈2分別用右十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈21、下十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈22、左十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈23、上十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈 24給出，分為兩組，右十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈21和左十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈23為一組，下十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈22和上十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈24為一組，每組十字形柔性鉸鏈在框架I內(nèi)呈軸線延伸線重合，兩組軸線延伸線正交，形成反射鏡的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸。
同樣為方便說明，四個(gè)口字形柔性梁3分別用右口字形柔性梁31、下口字形柔性梁32、左口字形柔性梁33、上口字形柔性梁34給出，右十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈21與右口字形柔性梁31的中端開口端連接，下十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈22與下口字形柔性梁32的中端開口端連接，左十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈23與左口字形柔性梁33的中端開口端連接，上十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈24與上口字形柔性梁34的中端開口端連接，四個(gè)十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈2分別以類似轉(zhuǎn)軸的方式與框架I和口字形柔性梁3連接。當(dāng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)平臺(tái)4沿某一軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 與該軸正交方向的口字形柔性梁發(fā)生如圖4所示的變形。
實(shí)施例I實(shí)施例I中動(dòng)平臺(tái)4是正方形，它的四個(gè)角分別與右口字形柔性梁31、下口字形柔性梁 32、左口字形柔性梁33、上口字形柔性梁34連接，右口字形柔性梁31連接右十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈21的內(nèi)端，下口字形柔性梁32連接下十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈22的內(nèi)端，左口字形柔性梁33連接左十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈23的內(nèi)端，上口字形柔性梁34連接上十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈24的內(nèi)端，四個(gè)十字形柔性鉸鏈的外端連接框架I。其工作狀態(tài)可結(jié)合圖I、圖4、圖5 和圖6 —起說明。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)圖I中的沿X軸方向的一對口字形柔性梁31和33靠近動(dòng)平臺(tái)4的一端分別沿Z軸正、負(fù)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，口字形柔性梁31和33發(fā)生如圖4所示的變形，帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)4 及反射鏡5繞Y軸旋轉(zhuǎn)，如圖5所示。同時(shí)，沿Y軸方向的一對口字形柔性梁32和34跟隨動(dòng)平臺(tái)4旋轉(zhuǎn)，沿Y軸方向的十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈22和24也隨之扭轉(zhuǎn)。十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈22和24的轉(zhuǎn)動(dòng)柔度為動(dòng)平臺(tái)提供了繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，使得與其相連的一對口字形柔性梁32和34變形很小，這樣實(shí)現(xiàn)了反射鏡5繞Y軸的純轉(zhuǎn)動(dòng)；X軸方向的一對十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈21和23并未變形，因而反射鏡5繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)對X軸方向的驅(qū)動(dòng)器影響微小。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)圖I中的沿X軸方向的一對口字形柔性梁31和33靠近動(dòng)平臺(tái)4的一端分別沿Z軸正、負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)沿Y軸方向的一對口字形柔性梁32和34靠近動(dòng)平臺(tái)4 的一端分別沿Z軸正、負(fù)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，四個(gè)口字形柔性梁31、32、33和34發(fā)生變形(如圖4 所示)，帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)4及反射鏡5繞X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)，如圖6所示。同時(shí)，口字形柔性梁也會(huì)跟隨動(dòng)平臺(tái)4旋轉(zhuǎn)，十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈21、22、23、24也隨之繞軸線扭轉(zhuǎn)變形，為動(dòng)平臺(tái)提供軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，使得動(dòng)平臺(tái)沿一個(gè)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)對另一個(gè)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的影響大為降低， 也即兩軸的交叉耦合降低。
從實(shí)施例I可以看出，動(dòng)平臺(tái)4及反射鏡5可以實(shí)現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明由于使用了十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈為動(dòng)平臺(tái)提供旋轉(zhuǎn)時(shí)的自由度，使得與之相連的口字形柔性梁的扭轉(zhuǎn)變形很大程度地減小，這樣對動(dòng)平臺(tái)沿另一個(gè)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的影響就大為降低，也即兩軸的交叉耦合降低，使得動(dòng)平臺(tái)沿兩個(gè)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)線性度更好(相互獨(dú)立、互不干擾)，控制起來更為容易。
由于這種全柔順兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡裝置的結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動(dòng)中心穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)反射鏡的無摩擦、無間隙轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)口字形柔性梁外側(cè)連接有十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈可以有效降低兩軸間的運(yùn)動(dòng)耦合，可以實(shí)現(xiàn)反射鏡精確、快速、低交叉耦合的兩軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以可以應(yīng)用于激光成像、激光雷達(dá)、失調(diào)光束校正、空間光通信光束對準(zhǔn)等領(lǐng)域中。
權(quán)利要求
1.一種低交叉耦合的全柔順兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡裝置，其特征是包括框架、十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈和口字形柔性梁連接動(dòng)平臺(tái)，反射鏡安裝在動(dòng)平臺(tái)上；動(dòng)平臺(tái)四周對稱連接有四個(gè)口字形柔性梁，四個(gè)口字形柔性梁的外側(cè)分別連接一個(gè)十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈的內(nèi)端，十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈外端連接框架，框架起支撐和固定作用，動(dòng)平臺(tái)在外界驅(qū)動(dòng)作用下可以實(shí)現(xiàn)繞兩個(gè)軸的任意轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種低交叉耦合的全柔順兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡裝置，其特征是 所述十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈分別用右十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈、下十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈、左十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈、上十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈四個(gè)十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈給出，右十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈和左十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈為一組，下十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈和上十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈為一組，每組十字形柔性鉸鏈在框架內(nèi)呈軸線延伸線重合，兩組軸線延伸線正交，形成反射鏡的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈可提供繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低交叉耦合的全柔性兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡裝置，其特征是 所述的右十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈與右口字形柔性梁的中端開口端連接，下十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈與下口字形柔性梁的中端開口端連接，左十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈與左口字形柔性梁的中端開口端連接，上十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈與上口字形柔性梁的中端開口端連接，四個(gè)十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈分別以類似轉(zhuǎn)軸的方式與框架和口字形柔性梁連接；當(dāng)動(dòng)平臺(tái)在外界驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，口字形柔性梁發(fā)生變形，以提供動(dòng)平臺(tái)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種低交叉耦合的全柔性兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡裝置，其特征是 所述的動(dòng)平臺(tái)可以是任意形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種低交叉耦合的全柔性兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡裝置，其特征是 所述的反射鏡安裝在動(dòng)平臺(tái)上的任意位置。
全文摘要
本發(fā)明屬于柔順機(jī)構(gòu)領(lǐng)域，涉及一種可用于激光成像、激光雷達(dá)、失調(diào)光束校正、空間光通信光束對準(zhǔn)等領(lǐng)域的柔順裝置，特別是一種具有低交叉耦合的全柔順兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡(一種實(shí)現(xiàn)繞兩個(gè)軸任意轉(zhuǎn)動(dòng)的柔性反射鏡裝置)，其特征是至少包括動(dòng)平臺(tái)和反射鏡，連接在動(dòng)平臺(tái)四周的四個(gè)口字形柔性梁3實(shí)現(xiàn)反射鏡的無摩擦、無間隙轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)口字形柔性梁外側(cè)連接有十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈以減小兩軸的運(yùn)動(dòng)耦合，每個(gè)十字形扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈外端均勻連接在框架四周，當(dāng)驅(qū)動(dòng)口字形柔性梁變形時(shí)，實(shí)現(xiàn)反射鏡精確、快速、低交叉耦合的兩軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該柔順裝置結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、無摩擦、免潤滑、能耗低、加工工藝性好。
文檔編號(hào)G02B7/182GK102540398SQ20121004225
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月23日
發(fā)明者勾燕潔, 陳美文, 陳貴敏 申請人:西安電子科技大學(xué)