CN100355536C - 一种3－ppttrs六自由度并联精密微动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明为一种3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人。主要由3-PPTTRS机构、柔性铰链副、静压丝杠螺母机构、液压供油装置和开放式数控装置五个主要部分构成。机器人具有六自由度，X、Y、Z直线运动范围能达到10mm×10mm×10mm，分辨率能达到0.01μm×0.01μm×0.01μm；ψ、θ、φ旋转运动范围能达到10°×16°×10°，分辨率能达到0.023°×0.055°×0.023°。本发明能够弥补目前精密微动并联机器人自由度数少、直线和旋转运动范围小、分辨率低的缺陷，能够承受较大的冲击载荷、且负重较大、在较大范围内进行精密的微小型器件装配，将宏微运系统紧密地结合起来，在微位移领域具有很大的实用价值。

Description

一种3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人

技术领域

本发明涉及一种3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人，属于机电一体化领域。

背景技术

精密微动机器人由于具有很高的位置精度和工作精度，在微/纳米技术领域具有广泛的应用前景。随着机器人装配技术的发展，机器人装配已经成为机器人工业应用的重要方面之一。在微装配领域，随着微小型制造技术和微机电系统技术的进一步发展，迫切需求微小型器件的精密自动化装配系统的建立，迫切需求高精度的精密微动机器人。

通用的机器人一般采用开链结构，且自由度较多，结构尺寸也较大，故构件弹性变形、传动误差以及关节间隙等在其末端所造成的积累误差较大。码盘的精度和坐标变换的计算误差等也会对机器人末端位置精度产生影响，因此通常他们的位置精度不高。另一方面，由于传动链长，且运动惯性较大，加上坐标变换比较复杂，需花费一定时间，故通用机器人的频率响应一般也不太高，因此机器人在精密作业方面受到限制。

为了克服传统通用机器人的弊端，近年来出现了利用并联机构代替传统串连开链机构的机器人新技术。由于并联机构以桁架杆系取代传统的悬臂梁和两支点梁来承载部件重力，加上运动部件的质量明显减小以及主要由电主轴、滚珠丝杠、直线电机等机电一体化部件组成，因而具有刚度高、动态性能好、机器人模块化程度高、易于重构以及机械结构简单等优点。而目前很多精密机器人，虽然用采用了并联机构，但是一般都采用Stewart机构及其变异形式，多采用压电陶瓷作为驱动器，因而受到尺寸和驱动系统的限制，机器人移动范围一般都在微米级，虽然精度能够达到要求，但是没有多大的实用价值。

为了满足精密微动机器人市场的要求，拓宽精密微动机器人的实用范围，必须要在保证精密机器人精度的基础上扩大机器人的运动范围和承载能力，解决机械刚度、振动、控制以及安全防护等诸多问题。必须在机构设计、精度分析、刚度分析、控制方式等诸多方面进行研究，寻求最优解决方案。

本发明提供的一种3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人目前还未见类似的研究成果，该机器人采用特殊的3-PPTTRS机构、柔性铰链副、和液压系统控制静压螺旋机构的驱动方式。机器人的技术指标如下：

自由度数		6
			直线运动范围	X	10mm
Y	10mm
		Z		10mm
直线运动分辨率	X				0.01μm
		Y	0.01μm
	Z			0.01μm
		旋转运动范围	ψ		10°
θ	16°
				10°
旋转运动分辨率	ψ				0.023°
		θ	0.055°
				0.023°
		负重			4Kg
承受最大冲击力				40N
		机械部分重量			0.7Kg

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于微装配的六自由度并联精密微动机器人。本发明由3-PPTTRS机构、柔性铰链副、静压丝杠螺母机构、液压供油装置和开放式数控装置五个主要部分构成；3-PPTTRS机构由3条运动链并联，每条运动链由两个移动副10，两个虎克铰9，一个球副8和一个转动副11组成，球副8与工作台1连接，其中两个移动副10的轴线始终处于同一条垂直于地面的直线上，两个虎克铰9分别与两个移动副10相连，转动副11连接由两个虎克铰9分别伸出的长杆和短杆，球副8位于长杆的末端与工作台1相连；三条运动链在空间以工作台1为中心按照120°对称分布以保持系统的平衡；3-PPTTRS机构中的移动副10用静压丝杠螺母机构驱动；开放式数控装置的控制系统产生驱动信号，该驱动信号控制液压供油装置驱动静压丝杠螺母机构实现微位移运动；柔性铰链副用于替代3-PPTTRS机构中的各种运动副；液压供油装置与开放式数控系统通过驱动控制信号进行连接。

·有益效果

本发明的3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人具有六自由度，直线和旋转运动范围大，分辨率高，负重大，承受冲击力大，控制方便，可靠性强的特点，适用于微小型器件的数字化装配。

附图说明

图1为3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人的结构形式

图2为3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人单臂的结构形式

图3为3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人的工作原理

图4为3-PPTTRS机构原理图

图5为运动链的基本结构原理图

图6a为单轴柔性铰链  图6b柔性铰链为双轴柔性铰链  图6c为三自由度柔性铰链

图7a为静压丝杠螺母轴向受力原理图  图7b为静压丝杠螺母径向受力原理图

图8为供油系统原理图

图9为供油系统控制原理图

图10为控制系统原理图

图中：1-并联精密微动机器人工作台2-柔性铰链球副3-柔性铰链转动副4-柔性铰链虎克铰5-待装配的微小型零件6-导轨7-移动副8-球副9-虎克铰10-移动副11-转动副12-螺杆13-螺母14-油腔15-油箱16-过滤器17-电动机18-泵19-溢流阀20-电磁伺服阀21-静压油垫22-静压丝杠螺母Ai-代表与工作台相连的球副的中心Bi、Ci-代表与驱动导轨相连的移动副中心Di-为上下两根杆相连接的转动副中心。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明主要包括3-PPTTRS机构，柔性铰链副，静压螺旋机构，液压供油系统，和开放式数控系统五个部分。本发明的3-PPTTRS机构使系统能够通过简单的直线移动副10输入位移，产生较大的行程范围，并且能够进行六自由度的运动；在同一系统中，同时采用单轴、双轴和三自由度柔性铰链副作为3-PPTTRS机构中的运动副，利用柔性铰链的特殊结构，避免了传统运动副因为摩擦、间隙和回退空程引起的误差；静压技术理论虽然已经相当成熟，但是将高精度的静压螺旋机构应用到并联精密微动机器人领域还是第一次，采用静压螺旋机构作为3-PPTTRS机构中的移动副，直线进给分辨率可以达到0.01μm，该机构由一套压力稳定、温度恒定、过滤要求高的供油系统驱动；采用计算机与PMAC卡相结合的开放式数控系统，结合相应的控制策略进行精密控制。

3-PPTTRS机构结构原理图如图3所示，该机构是按照并联机构的命名方法进行命名的，表示有3个运动链并联，每个运动链由两个移动副10，两个虎克铰9，一个球副8和一个转动副11组成，通过球副8与工作台1连接，其中两个移动副10的轴线始终处于同一条垂直于地面的直线上，两个虎克铰9分别与两个移动副10相连，转动副11连接由虎克铰9伸出的两根杆，球副8位于长杆的末端与工作台相连，运动链结构原理如图4所示。3-PPTTRS机构采用对称设计，三条子运动链在空间以工作台1为中心按照120°对称分布以保持系统的平衡，提高系统整体的动力学性能。

该机构通过移动副10进行驱动，处于同一条运动链的两个移动副10的轴线处于同一条直线上。每个移动副10处都会安装液压系统控制静压螺旋机构的驱动系统，提供移动精度为0.01μm的直线位移。本发明中3-PPTTRS机构中的运动副并不是传统意义上的运动副，而是使用柔性铰链代替传统的虎克铰9、转动副11和球副8，这样会大大提高系统的精度和分辨率。其中转动副11采用单轴柔性铰链，虎克铰9采用双轴柔性铰链，球副8采用三自由度柔性铰链。这三种柔性铰链的结构形式如图6。

每条运动链的代号用字母i(i＝1，2，3)表示，其中Bi、Ci代表了与驱动导轨相连的移动副中心，Di为上下两根杆相连接的转动副中心，Ai则代表了与工作台相连的球副的中心。由于运动链的特殊结构，使工作台的运动分析起来比较方便。由于|AiDi|＝BiDi|＝|CiDi|，那么AiBiCi三点在空间构成了一个直角三角形，Bi处为直角顶点，且Ai与Bi始终处于同样的高度，即Ai与Bi的Z坐标始终相等。那么工作台中心的Z坐标也可以由Bi决定。而Ci的位置则决定了工作台中心在XY平面内的位置。

柔性铰链副是用柔性铰链制作成特殊的结构，在本机器人机构中，用于替代3-PPTTRS机构中的各种运动副。柔性铰链的应用是保证机构能够实现精密定位的一项主要技术。柔性铰链是一种能够绕轴作有限角位移的弹性支撑，中部较薄弱，在力矩作用下可以产生较明显的弹性角变形，能在机械结构中起到铰链的作用。与一般铰链相比，柔性铰链没有机械结构上的间隙，并且有弹性回复力，因而消除了运动中的摩擦和回退空程。柔性铰链分为单轴和双轴两种，单轴柔性铰链是绕一个轴弹性弯曲的，双轴柔性铰链是沿两个互相垂直的轴弹性弯曲的，这种弹性弯曲是可逆的。使用柔性铰链代替传统的虎克铰、转动副和球副，会大大提高系统的精度。

传统的虎克铰具有绕两个互相垂直的轴转动的自由度，图6b中的双轴柔性铰链可以绕通过其中心的互相垂直的两个轴转动，完全可以在线弹性范围内取代传统意义上的虎克铰。传统的转动副具有绕一个轴转动的单自由度，图6a中的单轴柔性铰链则可以绕通过其中心的轴转动，完全可以在线弹性范围内取代传统意义上的转动副。传统的球副在空间可以绕通过其中心的笛卡儿坐标系下的X、Y、Z三个轴做任意转动，而图6c中的三自由度柔性铰链则可以绕通过其中心的与其轴线相垂直的平面内相互垂直的两根轴转动，也可以绕其轴线转动，完全可以在线弹性范围内取代传统意义上的球副。

被柔性铰链副完全取代的子运动链结构如图2所示，通过移动副7对系统进行驱动，柔性铰链副确定各个构件之间的关系，带动工作台移动和转动。

3-PPTTRS机构中的移动副10采用静压丝杠螺母机构，其工作原理如图7所示。静压丝杠螺母22是一种精密传动机构，具有摩擦系数小、寿命长、传动效率高、抗振性好、工作精度高等优点。静压丝杠螺母机构没有因摩擦引起的爬行现象或反向时空行程的存在，并且有很高的轴向刚度，定位精度高。空静压螺旋机构的分辨率可达到0.01μm，其进给精度比C0级滚珠丝杠高2个数量级。机构的性能特点非常适合于精密并联机器人移动副的使用，它的驱动装置为一套压力稳定、温度恒定、过滤要求高的供油系统。

静压丝杠螺母机构的轴向工作原理如图7a所示。在静压丝杠螺母的两侧开有相对的油腔14，压力油经节流器，进入油腔14。无载荷作用时，两侧面间隙相等，通过每一个油腔沿间隙流出的流量相等，因此油腔压力也相等，这是丝杠位于螺母的中间位置，保持平衡。当静压丝杠螺母受到一轴向力作用后，丝杠偏向一边，这是受压的一侧间隙减少，油腔压力也随之增高，另一侧则相反，间隙增大，压力下降，形成了压力差，以抵抗外载荷而保持平衡。

静压丝杠螺母机构的径向工作原理如图7b所示。空载时，压力油经过毛细管节流器进入油腔，丝杠在每扣相对应的油腔压力作用下处于中心位置，这时油液经间隙从牙顶和牙底处的回油槽流出。当丝杠受径向载荷作用后，在载荷方向上产生位移，使下油腔处回油间隙减小，回油阻力增大，油腔压力升高。而上油腔处回油间隙增大，回油阻力减小，油腔压力下降，由此形成了压力差与外载荷平衡。此时由于各油腔压力的变化，因此下油腔的压力油除了从牙顶、牙底流回邮箱外，还发生向上油腔的内流现象。

这说明静压丝杠螺母机构既能够承受轴向载荷，也能承受径向载荷。通过轴向驱动，可以实现轴线的微位移。

液压供油系统是本发明的驱动装置。静压丝杠螺母22采用多腔式的、无排油槽的结构，能够承受偏心载荷，有抗倾复能力。为了保证各个油腔中压力稳定，采用定量阀向各油腔供油，得到压力稳定、温度恒定、过滤要求高的供油系统如图8所示。供油系统的控制如图9所示。

图8为定量阀向各油腔供油的原理图。电机17带动泵18旋转，将油从油箱15抽出，经过过滤器16进行过滤。油液通过泵17后分为两支，一支是多余的油液通过溢流阀19回到油箱15中，另一支则通过电磁伺服阀20流入静压油垫21，进而驱动静压丝杠螺母机构作微位移运动。这种供油方式可以随油膜厚度的变化自动调节油腔压力，以适应载荷的变化。

液压供油驱动系统与开放式数控系统通过驱动控制信号进行连接，如图9所示。驱动型号通过电位计、电荷放大之后，传递给由液压伺服阀。液压伺服阀将驱动控制信号转换成液体流量来控制静压丝杠螺母机构进行微位移运动。当然，精度达到0.01μm的系统必须是一个闭环系统。在静压丝杠螺母机构上装载位移检测装置，并将位移信号反馈回电荷放大器。

控制系统采用“PC+运动控制器”的开放模式，形成以PC机为上位机、运动控制器为下位机的分布控制，如图10所示。主要硬件模块包括工控机、运动控制器、I/O模板、驱动与检测等。开放式的数控系统在充分保证数控系统的可移植性、可扩展性、可协同性和规模可变性的同时，保证了3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人系统的运动轨迹精度。

控制系统包含六套驱动系统，分别用于六自由度精密并联微动机器人的六组静压丝杠螺母驱动。运动控制卡通过逆运动学关系计算出机器人六个驱动端的直线位移，分别通过六个驱动器产生对各电磁阀的驱动信号，电磁阀接到信号后调节流量阀的开口大小，从而调节流量的大小，通过流量的微量变动来达到精密驱动静压丝杠螺母机构而产生微位移的目的。通过I/O面板控制机器人的辅助功能设备、驱动指示装置和报警装置，检测控制面板输入信号等。工控机包含驱动器、面板键盘、存储器和显示器等内容。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人，其特征在于由3-PPTTRS机构、柔性铰链副、静压丝杠螺母机构、液压供油装置和开放式数控装置五个主要部分构成；3-PPTTRS机构由3条运动链并联，每条运动链由两个移动副(10)，两个虎克铰(9)，一个球副(8)和一个转动副(11)组成，球副(8)与工作台(1)连接，其中两个移动副(10)的轴线始终处于同一条垂直于地面的直线上，两个虎克铰(9)分别与两个移动副(10)相连，转动副(11)连接由两个虎克铰(9)分别伸出的长杆和短杆，球副(8)位于长杆的末端与工作台(1)相连；三条运动链在空间以工作台(1)为中心按照120°对称分布以保持系统的平衡；3-PPTTRS机构中的移动副(10)用静压丝杠螺母机构驱动；开放式数控装置的控制系统产生驱动信号，该驱动信号控制液压供油装置驱动静压丝杠螺母机构实现微位移运动；柔性铰链副用于替代3-PPTTRS机构中的各种运动副；液压供油装置与开放式数控系统通过驱动控制信号进行连接。

2、根据权利要求1所述的一种3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人，其特征在于所有运动副均采用无间隙、无爬行、无摩擦的柔性铰链副；柔性铰链副是绕其自身中部较薄弱的转轴作有限角位移的弹性支撑。

3、根据权利要求1所述的一种3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人，其特征在于在静压丝杠螺母的两侧开有相对的油腔。

4、根据权利要求3所述的一种3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人，其特征在于柔性铰链分为单轴、双轴和三自由度三种，单轴柔性铰链是绕一个轴弹性弯曲的，双轴柔性铰链是沿两个互相垂直的轴弹性弯曲的，三自由度柔性铰链能够实现任意方向的转动和小范围的扭动。

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