CN101531001A

CN101531001A - 三维移动正交结构微纳操作台

Info

Publication number: CN101531001A
Application number: CN200910049396A
Authority: CN
Inventors: 高峰; 岳义; 赵现朝; 冯金; 刘仁强
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2009-09-16

Abstract

本发明涉及一种机器人技术领域的三维移动正交结构微纳操作台，包括基座、工作台、三个P－4S支链和压电陶瓷驱动器。基座与工作台之间由三个由柔性铰链构成的P－4S支链相联；三个支链分别沿三个相互垂直的方向布置，且各组支柱轴线构成的平面相互垂直。在每个支链相对应基座上直接加工出一平行板弹性移动副并分别配置一个压电陶瓷驱动器，通过三个P－4S支链对工作台进行驱动，以实现沿X、Y、Z三个方向的移动。本发明可以实现无摩擦、无间隙、无润滑和无滞后现象的三维移动，可广泛应用于光纤对接、纳米压印、生命与遗传工程和微装配等领域。

Description

三维移动正交结构微纳操作台

技术领域

本发明涉及的是一种机器人技术领域的装置，具体地说，涉及的是一种三维移动正交结构微纳操作台。

背景技术

并联微操作机器人具有亚微米至纳米级的定位精度，在精密加工、电子封装、光纤对接、生物与遗传工程、材料科学和航空航天等领域中均具有广阔的应用前景，并且更是国内外学者关注的课题。自从在1962年，Ellis首先提出了采用压电陶瓷驱动的微操作机器人后，微动机器人的研究引起了国内外学者的重视。1989年Hara和Sugimoto提出并研究了一种用柔性铰链代替传统铰链的微动机器人；斯陶顿(Stoughton)设计了一种由两个并联机构组成的微动机器人，每个并联机构有六个压电式元件组成；荷兰的Kallio研制出了由液压驱动系统驱动的3-DOF并联微动机器人；瑞士的Pernette等设计了一种并联6-DOF微动机器人，用于在继承光纤底片上定位单模光纤。在国内高峰等研制出了一种采用压电陶瓷驱动器的6-DOF全柔性并联微操作机器人，其特点是采用了PSS支链构成的2-2-2正交结构。刘平安等研究了一种两平移一转动结构的三自由度并联微动机器人。这些微动机器人：有的结构复杂，有的标定困难，有的位移解耦难。

经对现有技术的文献检索发现，杨启志等在《农业机械学报》2006年10月第37卷第10期第112页上发表的“非对称三平移并联机构的运动条件设计”，该文中提出依据螺旋理论设计一种新型非对称的三平移并联机构，其不足在于结构不对称，不能实现各向同性，标定困难。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种三维移动正交结构微纳操作台，此操作台具有结构解耦，刚度高，承载能力强，无滞后现象等优点，真正实现了Delta机构的一体化设计和制作。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括基座、工作台、三个P-4S(1个移动副和4个球副)支链和压电陶瓷驱动器。基座与工作台之间通过三个由柔性铰链构成的P-4S支链相联，这三个P-4S支链分别沿三个相互垂直的方向布置，且各组支柱轴线构成的平面相互垂直。在每个P-4S支链相对应的基座上各设置一个弹性平行板移动副并通过整体加工出的弹性球铰与工作台相连接。每个弹性平行板移动副配置一个压电陶瓷驱动器，通过三个P-4S支链对工作台进行驱动，以实现沿X、Y、Z三个方向的移动。

所述每一个P-4S支链包括：弹性平行板移动副，第一连杆，第一球铰，第四球铰，第二连杆，第三连杆，第四连杆，第五连杆，第二球铰和第三球铰。其中，第一、二、三连杆，第一、二、三、四球铰和工作台组成4S机构。弹性4S机构通过第一连杆与弹性平行板移动副相连，弹性平行板移动副通过第四连杆和第五连杆与基座相连。

所述压电陶瓷驱动器的中心轴线通过P-4S支链中的第一球铰与第四球铰连线的中点及第二球铰与第三球铰连线的中点。

使用时，加电使每个压电陶瓷驱动器都处于半行程状态以确定初始零点，需要进行正负方向的移动时只需增加或降低相应方向上压电陶瓷驱动器的电压即可。进行标定时可先用几何方法算出各方向上的理论行程，然后通过ANSYS有限元分析及实际测量进行补偿。

本发明整个机构本体由一块材料整体切割而成。本发明可以实现无摩擦、无间隙、无润滑和无滞后现象的三维移动，结构简单、位移解耦、制造成本低、承载能力大，可广泛应用于光纤对接、纳米压印、生命与遗传工程和微装配等领域。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为P-4S支链的结构简图；

图中：1为基座，2为工作台，3为P-4S支链，4为压电陶瓷驱动器，5为弹性平行板移动副，6为第一连杆，7为第一球铰，8为第二连杆，9为第二球铰，10为第五连杆，11为第三球铰，12为第三连杆，13为第四球铰，14为第四连杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，是本发明的一个实施例，这种三维移动正交结构微纳操作台，本体是一次加工成型的非组装件，由基座1、工作台2、三个P-4S支链3(见图2)和三个压电陶瓷驱动器4组成。基座1与工作台2之间通过三个由柔性铰链构成的P-4S支链3相联，这三个P-4S支链3分别沿三个相互垂直的方向布置，且各组支柱轴线构成的平面相互垂直，即各组支柱轴线按笛卡儿坐标系配置，这三个P-4S支链的驱动轴线两两垂直。每个P-4S支链3相对应的基座1上设置一个弹性平行板移动副并通过整体加工出的弹性球铰与工作台2相连接。每个弹性平行板移动副配置一个压电陶瓷驱动器4，通过三个P-4S支链3对工作台1进行驱动，以实现沿X、Y、Z三个方向的移动。

如图2所示，为P-4S支链3的局部结构图。每一个P-4S支链3由以下几部分组成：弹性平行板移动副5、第一连杆6、第一球铰7、第二球铰9、第三球铰11及第四球铰13、第二连杆8、第三连杆12、第四连杆14和第五连杆10。第一球铰7、第二球铰9、第三球铰11及第四球铰13和第一连杆6、第二连杆8、第三连杆12和工作台2组成4S机构，每一个弹性4S机构通过第二球铰9及第三球铰11和工作台2相连，通过第一球铰7及第四球铰13与第一连杆6相联。弹性4S机构和第一弹性平行板移动副5通过第一连杆6相连，第一弹性平行板移动副5通过第四连杆14和第五连杆10与基座1相连。

本实施例中，压电陶瓷驱动器4的中心轴线通过第一球铰7与第四球铰13连线的中点及第二球铰9与第三球铰11连线的中点。

每个P-4S支链3由一个弹性P副和一个弹性4S机构组成。整个机构本体由一块材料整体切割而成，在三个支链相对应基座上直接加工出三个平行板弹性移动副并配置三个压电陶瓷驱动器4。在每个支链中P副是主驱动副，S副是被动副，通过调整压电陶瓷驱动器4的电压值而使各个P副到达相应的位置来实现动平台X、Y、Z三个方向的移动。

本实施例中，由于每一个P-4S支链3都缺少一个绕其平面法线方向旋转的自由度，所以3-P-4S微纳操作台只能实现三维移动。加电使每个压电陶瓷驱动器4都处于半行程状态以确定初始零点，需要进行正负方向的移动时只需增加或降低相应方向上压电陶瓷驱动器4的电压即可。进行标定时可先用几何方法算出各方向上的理论行程，然后通过ANSYS有限元分析及实际测量进行补偿。这种操作台具有结构简单、位移解耦、制造成本低、承载能力大等优点，实现了Delta机构的一体化设计。这种操作台可实现无摩擦、无间隙和高分辨率的3自由度移动，在精密加工、集成电路制造、光纤对接、生物和遗传工程、纳米刻印以及微装配等领域有着广泛的应用。

Claims

1、一种三维移动正交结构微纳操作台，其特征在于包括基座、工作台、三个P-4S支链和压电陶瓷驱动器，基座与工作台之间通过三个由柔性铰链构成的P-4S支链相联，这三个P-4S支链分别沿三个相互垂直的方向布置，且各组支柱轴线构成的平面相互垂直，在每个P-4S支链相对应的基座上设置一个弹性平行板移动副，每个弹性平行板移动副设置一个压电陶瓷驱动器。

2、根据权利要求1所述的三维移动正交结构微纳操作台，其特征是，所述的P-4S支链，每一个P-4S支链包括：弹性平行板移动副、第一连杆、第一球铰、第四球铰、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第二球铰和第三球铰，其中：第一、二、三连杆，第一、二、三、四球铰和工作台组成弹性4S机构，弹性4S机构通过第一连杆与弹性平行板移动副相连，弹性平行板移动副通过第四连杆和第五连杆与基座相连。

3、根据权利要求1所述的三维移动正交结构微纳操作台，其特征是，所述压电陶瓷驱动器的中心轴线通过P-4S支链中的第一球铰与第四球铰连线的中点及第二球铰与第三球铰连线的中点。

4、根据权利要求1或者2所述的三维移动正交结构微纳操作台，其特征是，所述弹性平行板移动副通过弹性球铰与工作台相连接。