CN100339194C

CN100339194C - 面向微机电系统精密作业的微小型移动机器人系统

Info

Publication number: CN100339194C
Application number: CNB2005100105343A
Authority: CN
Inventors: 孙立宁; 李满天; 陈海初; 秦磊; 宋宇
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2025-11-14
Also published as: CN1759991A

Abstract

面向微机电系统精密作业的微小型移动机器人系统，它涉及一种机器人系统。本发明的目的是为解决现有机器人体积大，由多个零件组成，很难实现模块化设计，通用性差的问题。本发明的微移动定位单元(2)设置在宏移动定位单元(1)内，过渡连接板(4)固定在微移动定位单元(2)的上侧，连接立柱(5)的下端与过渡连接板(4)的上侧固定连接，连接立柱(5)的上端与微操作器单元(6)的下侧固定连接，力矩电机(3)与宏移动定位单元(1)固定连接。本发明具有体积小，重量轻、成本低的优点，环境适应能力强，实用范围广，能轻易地从一个系统移植到另一个系统中。本发明宏运动最大速度为50mm/s，定位精度为0.1mm，微运动最大运动速度可达0.5mm/s，分辨率可达50nm，定位精度可达0.1μm，有效负载可达300g。

Description

面向微机电系统精密作业的微小型移动机器人系统

技术领域

本发明涉及一种机器人系统。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)技术和精密工程的不断发展，推动了微装配、微操作等产业的发展，同时也催生了对能完成微操作等多种微作业任务的机器人的迫切需要。在精密微操作过程中，其关键技术主要是：(1)精密微定位技术；(2)精密微操作技术；(3)模块化设计技术。传统的微操作机器人往往具有体积庞大，大多依赖进口，成本高，通用性及可移植性差，环境适应能力差等缺点。在精密微定位技术方面，通常有三种定位方式：1、采用电机驱动的宏运动方式；2、采用功能材料驱动的微运动方式；3、采用电机与功能材料相结合的宏/微驱动方式。单一地采用宏驱动方式，速度快，但设备体积大，精度低，无法满足高精度定位的要求；单一地采用微驱动方式，定位精度高，但速度慢；采用电机与功能材料的宏/微双重驱动方式，且各个方向上的运动相互独立，不存在运动耦合，快速宏运动可达微米级的定位精度，微运动可达纳米级的定位精度，但是往往体积庞大，且通常是根据特定的功能设计的，通用性差，多具有固定的导轨，只能沿固定的导轨方向运动，机器人的柔性差，无法真正实现大范围内的快速精密移动定位。在精密微操作技术方面，传统的精密作业机器人大多采用了一维、二维、三维等有限的自由度来实现精密微作业，无法满足大范围，空间立体扫描运动，所以无法完成较为复杂的微操作任务。在模块化设计方面，传统的微操作机器人由于体积大，通常由多个零件组成，很难实现模块化设计，通用性差，如2002年6月出版的压电与声光期刊第24卷第3期，第186-190页刊登的《压电陶瓷管驱动三自由度微操作手的研究与应用》的文章所介绍的内容。

发明内容

本发明的目的是为解决现有机器人体积大，由多个零件组成，很难实现模块化设计，通用性差的问题，提供一种面向微机电系统精密作业的微小型移动机器人系统，本发明具有体积小、重量轻、成本低、环境适应能力强、通用性强、适用范围广的特点。本发明由宏移动定位单元1、微移动定位单元2、力矩电机3、过渡连接板4、连接立柱5、微操作器单元6组成：微移动定位单元2设置在宏移动定位单元1内，过渡连接板4固定在微移动定位单元2的上侧，连接立柱5的下端与过渡连接板4的上侧固定连接，连接立柱5的上端与微操作器单元6的下侧固定连接，力矩电机3与宏移动定位单元1固定连接。本发明的有益效果是：一、具有体积小，重量轻、成本低的优点，环境适应能力强，适用范围广，能轻易地从一个系统移植到另一个系统中。二、采用宏/微驱动方式，实现机器人在大范围内的快速高精密全方位移动定位，宏运动最大速度为50mm/s，定位精度为0.1mm，微运动最大运动速度可达0.5mm/s，分辨率可达50nm，定位精度可达0.1um，其有效负载可达300g。三、可在显微视觉的引导下，完成微型行星齿轮，微型轴孔以及MEMS元件的多种微装配微操作，对推动我国精密作业型微小移动机器人的研究以及对未来微型桌面装配工厂的研究具有重大的前沿性探索意义。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是宏移动定位单元1的底面结构示意图，图3是宏移动定位单元1的立体结构示意图，图4是微移动定位单元2的平面结构示意图，图5是微移动定位单元2的立体结构示意图，图6是微操作器单元6的结构示意图，图7是微夹持器的结构示意图，图8是力矩电机3与宏移动定位单元1的连接结构示意图，图9是机器人沿+Y方向运动时的控制顺序框图，图10是机器人绕Z轴转动时的控制顺序框图，图11是机器人沿A1B2方向运动时的控制顺序框图。

具体实施方式

具体实施方式一：(参见图1)本实施方式由宏移动定位单元1、微移动定位单元2、力矩电机3、过渡连接板4、连接立柱5、微操作器单元6组成：微移动定位单元2设置在宏移动定位单元1内，过渡连接板4固定在微移动定位单元2的上侧，连接立柱5的下端与过渡连接板4的上侧固定连接，连接立柱5的上端与微操作器单元6的下侧固定连接，力矩电机3与宏移动定位单元1固定连接。

具体实施方式二：(参见图1～图3)本实施方式的宏移动定位单元1由左驱动轮10、左微型电机11、两个可以调节高度的支撑球13、右微型电机14、右驱动轮15和机体16组成；左微型电机11和右微型电机14对称地固定在机体16内的两侧，左驱动轮10固定在左微型电机11的输出轴上，右驱动轮15固定在右微型电机14的输出轴上，两个可以调节高度的支撑球13设置在机体16的底部，两个可以调节高度的支撑球13与左驱动轮10和右驱动轮15垂直设置，机体16上开有通孔12。本实施方式采用对称式结构，两个微型SMOOVY电机中心对称安装在两侧，驱动机器人实现大范围内全方位的快速移动与毫米级的移动定位，此外，在机器人的另外两侧设计了高度可调的球形点接触支撑，既确保机器人的运动平稳性，又有效地减少了机器人运动过程中的摩擦阻力。本实施方式的外形尺寸为：62×70×10mm。

具体实施方式三：(参见图1、图4、图5)本实施方式的微移动定位单元2由移动平台20、预紧螺钉21、柔性梁22、第一电磁铁B1、第二电磁铁B2、第三电磁铁A1、第四电磁铁A2、第一压电陶瓷I、第二压电陶瓷II、第三压电陶瓷III和第四压电陶瓷IV组成；移动平台20由整体线切割而成，并在移动平台20的四角内分别切割成四个电磁铁孔23和呈“十”形分布的四对椭圆铰链24，柔性梁22设置在移动平台20的中部，柔性梁22的四角内侧开有导向孔25，柔性梁22的中心开有螺纹孔26，第一电磁铁B1、第二电磁铁B2、第三电磁铁A1和第四电磁铁A2自左至右、自上而下分别设置在移动平台20上的四个电磁铁孔23内，每个电磁铁孔23的开口处设有预紧螺钉21，第一压电陶瓷I、第二压电陶瓷II、第三压电陶瓷III和第四压电陶瓷IV自上而下、自左至右分别固定在四对椭圆铰链24内的移动平台20上。本实施方式采用四根压电陶瓷作为微驱动元件，基于尺蠖蠕动驱动原理，在四个电磁铁的配合作用下，根据一定的控制规律，可以实现机器人在平面内大范围内全方位的快速精密移动定位。机器人采用对称式模块化结构，由一个机器人运动平台机体整体线切割而成，具有结构紧凑等优点，其外形尺寸为：50×52×10mm。为了方便电磁铁高度的调整，利用柔性体的弹性变形，采用了螺钉紧固的结构。

具体实施方式四：(参见图1、图6、图7)本实施方式的微操作器单元6由底座31、三个连接接头32、三个压电陶瓷管33、质量配重34、金属球35、微夹持器36组成；底座31的中心开有圆孔37，三个连接接头32呈正三角形布置固定在底座31上面，三个压电陶瓷管33的一端分别与三个连接接头32相连接，三个压电陶瓷管33的另一端分别与金属球35活动连接，三个压电陶瓷管33的轴线与金属球35的球心相交于一点，质量配重34和微夹持器36与金属球35的中线同设置在一条轴线上并分别固定在金属球35的两端上面。本实施方式由两个功能子模块单元组成：球基微驱动器单元和模块化微夹持器单元。球基微驱动器单元采用压电陶瓷管驱动金属球的结构，为了简化理论模型的计算量，设计时三个压电陶瓷管的轴线与金属球的球心相交于一点。通过驱动压电陶瓷管不同的弯曲方向，可以实现金属球的空间三维扫描运动，从而可以带动微夹持器完成复杂的空间运动，确保微操作任务的顺利完成。

具体实施方式五：(参见图1、图6、图7)本实施方式的微夹持器36由夹持器架40、压电陶瓷41、两个夹持器椭圆铰链42、微夹持臂43、柔性铰链44、连接横梁45组成；连接横梁45的两端分别由柔性铰链44与夹持器架40的开口端两侧固定连接，两个夹持器椭圆铰链42设置在夹持器架40内，压电陶瓷41设置在两个夹持器椭圆铰链42内，两个夹持器椭圆铰链42的圆弧面分别与夹持器架40和连接横梁45固定连接，微夹持臂43的尾端与柔性铰链44相连接。本实施方式由一根压电陶瓷驱动，实现单自由度上的张合运动。采用模块化组合式结构，通过更换微夹持臂，以满足不同尺寸的微小零件的夹持任务。

具体实施方式六：(参见图1、图8)本实施方式的力矩电机3由电机定子50、电机动子51、螺纹杆(丝杠)52、导向柱53组成；电机动子5 1的下端与螺纹杆52的上端固定连接，导向柱53的上端与电机定子50固定连接，导向柱53的下端与宏移动定位单元1的机体16上的通孔12相连接，螺纹杆52与微移动定位单元2的柔性梁22上的螺纹孔26相配合。本实施方式采用了丝杠螺母的传动机构，其主要功能是实现机器人从宏运动状态到微运动状态或从微运动状态到宏运动状态的相互切换，以满足不同的定位精度和运动速度的需要。为了结构紧凑，螺母(螺纹孔)直接加工在微定位单元上，丝杠直接安装在电机轴上。为了限制宏/微运动切换过程中宏/微单元的相对转动，在宏/微运动单元上设计了四个导向柱，以确保切换运动的平稳过渡。

本发明的运动方式：

本发明的移动定位单元具有全方位移动定位能力，根据不同的控制方法，可以实现机器人不同的运动形式，其主要运动方式如下：

快速宏运动：

通过控制左右电机的转速与转动方向，可以实现机器人快速大范围内的全方位移动定位。

(1)直线前进与后退运动：控制左右电机保持相同的转速与相同的方向转动；

(2)任意半径圆周运动：控制左右电机以不同的速度转动，方向可以相同，也可相反；

(3)零半径圆周运动：控制左右电机以相同的转速，相反的方向转动。

精密微运动：

通过控制压电陶瓷与电磁铁的同断电组合，可以实现机器人小范围内全方位的精密移动定位。

(a)压电陶瓷I、II组成一组，电磁铁A1、B1组成一组，A2、B2组成一组。当电磁铁A1、B1通电吸附，压电陶瓷I、II通电伸长，输出微小位移，然后电磁铁A2、B2通电吸附，电磁铁A1、B1断电松开，接着压电陶瓷断电收缩，带动电磁铁A1、B1沿+X方向移动一段微位移，最后电磁铁A2、B2断电松开，机器人完成一个周期的精密移动定位，按不同的顺序控制压电陶瓷与电磁铁的通断电，可以实现机器人沿X方向运动的精密移动定位；

(b)压电陶瓷III、IV组成一组，电磁铁A1、A2组成一组，B1、B2组成一组，按类似于(a)的控制顺序控制压电陶瓷III、IV以及电磁铁A1、A2，B1、B2的通断电，可实现机器人沿Y方向运动的精密移动定位；

(c)压电陶瓷I、II(或III、IV)组成一组，电磁铁A1、B2组成一组，B1、A2组成一组。当电磁铁A1、B2通电吸附，压电陶瓷III、IV通电伸长，然后电磁铁B1、A2通电吸附、电磁铁A1、B2断电松开，压电陶瓷断电收缩，最后电磁铁B1、A2断电松开，机器人实现绕Z轴的顺时针θ角转动，按不同的通断电顺序控制压电陶瓷与电磁铁，可实现机器人绕Z轴的顺时针/逆时针θ角转动。

(d)压电陶瓷I、IV(或I、III；II、III；II、IV)组成一组，电磁铁A2、B1组成一组，B2单独成一组(或B1、A1B2；A1、B1A2；A2、A1B2)，当电磁铁B1、A2通电吸附，压电陶瓷I、IV通电伸长，机器人沿A1B2方向变形输出微小位移，然后电磁铁B2通电吸附，B1、A2断电松开，接着压电陶瓷断电收缩机器人B1A1A2部分沿A1B2方向移动微小位移，即沿对角线A1B2方向运动，按不同的控制顺序，可实现机器人沿四个对角线方向的精密移动定位。

由于机器人既能实现沿x、y方向的直线精密移动定位，又能实现绕z轴的精密转动定位，而且还能沿对角线方向运动，具有三个自由度，所以是一个XY-θ的三自由度结构，另外，如果单独驱动每根压电陶瓷，还可以实现机器人沿任意路径的运动，所以该机器人又是一种全方位的结构。

该机器人的微操作单元主要是驱动微夹持器完成对微小零件的各种操作，从而实现精密微装配作业任务，其主要运动有：

微驱动器的运动：

球基微驱动器最终驱动微夹持器实现空间复杂的扫描运动，以确保微装配过程中对微夹持器运动自由度的需要。微驱动器基于惯性-摩擦原理驱动，根据压电陶瓷管的弯曲扫描组合，可以驱动金属球绕空间X、Y、Z轴的转动以及扫描运动。

微夹持器的运动：

由于微夹持器是固定安装在微驱动器金属球上的，所以其空间位置是由微驱动器决定的，而微夹持器的主要运动是张合夹取动作。由压电陶瓷驱动，经过椭圆柔性铰链以及杠杆放大，将压电陶瓷的伸缩位移传递到微夹持器的夹持臂末端，从而实现对微小零件的夹取。

位移检测与目标跟踪：

对机器人的运动分辨率及单步定位精度采用非接触式高精密电容测微仪进行测量，对机器人的移动定位采用图像处理的视觉方法进行测量，通过测量机器人运动过程中的起点与终点间，机器人特征测量点的像素坐标来实现对机器人移动定位的位置及精度测量，利用视觉反馈，实现对机器人运动目标的自动跟踪。在微装配过程中，通过对微夹持器末端以及微小零件的识别并基于图像处理，提取相应的特征轮廓，再控制微操作器的运动，实现微装配作业任务。

Claims

1、一种面向微机电系统精密作业的微小型移动机器人系统，它由宏移动定位单元(1)、微移动定位单元(2)、力矩电机(3)、过渡连接板(4)、连接立柱(5)、微操作器单元(6)组成，力矩电机(3)与宏移动定位单元(1)固定连接；其特征在于微移动定位单元(2)设置在宏移动定位单元(1)内，过渡连接板(4)固定在微移动定位单元(2)的上侧，连接立柱(5)的下端与过渡连接板(4)的上侧固定连接，连接立柱(5)的上端与微操作器单元(6)的下侧固定连接。

2、根据权利要求1所述的面向微机电系统精密作业的微小型移动机器人系统，其特征在于宏移动定位单元(1)由左驱动轮(10)、左微型电机(11)、两个可以调节高度的支撑球(13)、右微型电机(14)、右驱动轮(15)和机体(16)组成；左微型电机(11)和右微型电机(14)对称地固定在机体(16)内的两侧，左驱动轮(10)固定在左微型电机(11)的输出轴上，右驱动轮(15)固定在右微型电机(14)的输出轴上，两个可以调节高度的支撑球(13)设置在机体(16)的底部，两个可以调节高度的支撑球(13)与左驱动轮(10)和右驱动轮(15)垂直设置，机体(16)上开有通孔(12)。

3、根据权利要求1所述的面向微机电系统精密作业的微小型移动机器人系统，其特征在于微移动定位单元(2)由移动平台(20)、预紧螺钉(21)、柔性梁(22)、第一电磁铁(B1)、第二电磁铁(B2)、第三电磁铁(A1)、第四电磁铁(A2)、第一压电陶瓷(I)、第二压电陶瓷(II)、第三压电陶瓷(III)和第四压电陶瓷(IV)组成；移动平台(20)由整体线切割而成，并在移动平台(20)的四角内分别切割成四个电磁铁孔(23)和呈“十”形分布的四对椭圆铰链(24)，柔性梁(22)设置在移动平台(20)的中部，柔性梁(22)的四角内侧开有导向孔(25)，柔性梁(22)的中心开有螺纹孔(26)，第一电磁铁(B1)、第二电磁铁(B2)、第三电磁铁(A1)和第四电磁铁(A2)自左至右、自上而下分别设置在移动平台(20)上的四个电磁铁孔(23)内，每个电磁铁孔(23)的开口处设有预紧螺钉(21)，第一压电陶瓷(I)、第二压电陶瓷(II)、第三压电陶瓷(III)和第四压电陶瓷(IV)自上而下、自左至右分别固定在四对椭圆铰链(24)内的移动平台(20)上。

4、根据权利要求1所述的面向微机电系统精密作业的微小型移动机器人系统，其特征在于微操作器单元(6)由底座(31)、三个连接接头(32)、三个压电陶瓷管(33)、质量配重(34)、金属球(35)、微夹持器(36)组成；底座(31)的中心开有圆孔(37)，三个连接接头(32)呈正三角形布置固定在底座(31)上面，三个压电陶瓷管(33)的一端分别与三个连接接头(32)相连接，三个压电陶瓷管(33)的另一端分别与金属球(35)活动连接，三个压电陶瓷管(33)的轴线与金属球(35)的球心相交于一点，质量配重(34)和微夹持器(36)与金属球(35)的中线同设置在一条轴线上并分别固定在金属球(35)的两端上面。

5、根据权利要求4所述的面向微机电系统精密作业的微小型移动机器人系统，其特征在于微夹持器(36)由夹持器架(40)、压电陶瓷(41)、两个夹持器椭圆铰链(42)、微夹持臂(43)、柔性铰链(44)、连接横梁(45)组成；连接横梁(45)的两端分别由柔性铰链(44)与夹持器架(40)的开口端两侧固定连接，两个夹持器椭圆铰链(42)设置在夹持器架(40)内，压电陶瓷(41)设置在两个夹持器椭圆铰链(42)内，两个夹持器椭圆铰链(42)的圆弧面分别与夹持器架(40)和连接横梁(45)固定连接，微夹持臂(43)的尾端与柔性铰链(44)相连接。

6、根据权利要求1所述的面向微机电系统精密作业的微小型移动机器人系统，其特征在于力矩电机(3)由电机定子(50)、电机动子(51)、螺纹杆(52)、导向柱(53)组成；电机动子(51)的下端与螺纹杆(52)的上端固定连接，导向柱(53)的上端与电机定子(50)固定连接，导向柱(53)的下端与宏移动定位单元(1)的机体(16)上的通孔(12)相连接，螺纹杆(52)与微移动定位单元(2)的柔性梁(22)上的螺纹孔(26)相配合。