CN103950027A - 基于直线型超声电机的二指并联微操作手及操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于直线型超声电机的三自由度二指并联微操作手方法，属生物医学工程领域。该操作手包括手臂，直线超声电机，柔性关节，圆盘，长手指，短手指，底座。其中手臂固定在底座上。三部直线超声电机均由固定于手臂上的定子和滑块，位于定子的驱动足与滑块之间的直线导轨组成，该三部直线超声电机均匀分布于手臂的中轴线周围，两两相差120°。圆盘通过柔性关节安装于直线超声电机的导轨末端。长手指固定在手臂上，指尖穿过圆盘上的中心孔；短手指的指跟固定在圆盘上。该操作手结构紧凑，控制方法简单，具有较大的操作范围和较高的定位精度。
Description
技术领域
本发明公布了一种基于直线型超声电机的三自由度二指并联微操作手及操作方法，属于生物医学工程领域，以及如微封装等需要进行精确定位抓取的工业领域。
背景技术
在生物医学工程领域，基因工程、动植物克隆、染色体分析和人工受精均是以细胞为研究对象。为了实现对几微米的细胞进行抓取、翻转、穿刺、注射、切割和细胞核去除等操作，需要能够对细胞进行上述操作的机器手（又称为微操作手）。微操作手是宏观结构上机电系统，但是，它以微、纳米结构为操作对象，属于微、纳制造科学和技术的研究范围。
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型动力输出装置。与电磁电机相比，具有结构紧凑、低速大转矩、响应快（毫秒级）、断电自锁、位置和速度控制性好、不受电磁干扰以及低噪声运行等优点。直线型超声电机属于超声电机的一个分类，其一般包括动子和定子，其结构特征在于：动子为一直线导轨，定子由若干个兰杰文振子构成，通过调节频率一致，使振子两相振动模态复合振动（运动），在驱动足形成空间椭圆运动，与动子接触摩擦推动动子运动。该驱动方式不仅具有纳米级的运动分辨率和大的行程，而且移动速度达几百毫米。目前，我国在直线超声电机的研究方面取得了大的进展。电机的结构稳定性和运行稳定都有所改善，尤其在电机运行的位移分辨率达到了纳米级。这方面的成果将为直线超声电机在微操作手方面的应用奠定基础。
传统机械系统或机构都是由刚性构件以及运动副连接而成的，这在高速、精密、微型等高性能的要求下就暴露出一些不可避免的问题，如惯性引起的振动，由运动副带来的间隙、摩擦、磨损及润滑，由机械机构决定的加工、安装、误差等，这些问题使得机器精度降低、寿命减短、成本增加，因而其工作性能不能满足现代科技发展对机械装备的要求。而柔性机构不像传统刚性机构那样靠运动副来实现全部运动和功能，而主要靠机构中的柔性构件（杆件）的变形来实现机构的主要运动和功能。正是由于在结构上减少甚至没有了运动副，因此柔性机构在构建数目上就比传统机构少得多，于是就减少了机构重量以及加工、安装的时间和费用。同时它没有机构中的间隙、摩擦、磨损及润滑等复杂问题，从而可以提高机构精度、增加可靠性、减少维护等。于是本操作手采用柔性关节实现直线型超声电机对圆盘的运动控制，减小驱动负载，并进一步提高机构运动精度。
在日常生活中中国人灵活地使用筷子。通常两只筷子组成一副筷子，在两只筷子（以下称为两指）之间具有多个自由度，它能够抓取物体，并同时实现被抓物体的移动。而基于筷子原理的微操作手是微操作手设计的发展方向。由于在两指之间具有多个自由度，这就对驱动元件提出了更高的要求。直接利用压电陶瓷静变形和位移放大机构的方法，其小的变形量限制了微操作手的能力。日本东京大学的Tamio Tanikawa利用压电陶瓷元件作为驱动元件驱动微操作手【IEEE International Conference on Robotics and Automation Seoul, Korea · May 21-26, 2001: 610-615】，该微操作手能够实现生物细胞的抓取，
利用超声电机作为驱动元件，研制具有两个手指、能够进行多自由度的微操作手，它将具有更加快捷的响应能力，更宽的操作空间，能够实现对更宽尺度范围的细胞进行抓取、移动、穿刺、去除细胞核和注射操作。
发明内容
本发明的目的在于研制一种结构紧凑，控制方法简单，具有更大操作空间的基于直线型超声电机的三自由度二指并联微操作手及操作方法。该操作手利用直线型超声电机作为驱动元件，具有两根手指，能够进行三自由度的微操作。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种基于直线型超声电机的三自由度二指并联微操作手，该操作手包括手臂和手，其特征在于包括：手臂、三部直线超声电机、三个柔性关节、圆盘、长手指、短手指、底座。其中手臂固定在底座上。三部直线超声电机均由固定于手臂上的电机定子和滑块，以及位于电机定子的驱动足与滑块之间的直线导轨组成，该三部直线超声电机均匀分布于手臂的中轴线周围，两两相差120°。圆盘通过柔性关节安装于直线超声电机的导轨末端。长手指固定在手臂上，指尖穿过圆盘上的中心孔；短手指的指跟固定在圆盘上。
所述操作手的三部直线超声电机驱动相应导轨，每条导轨分别与一个柔性关节相连，三个柔性关节连接圆盘并控制其移动形成三自由度并联运动。长手指相对于手臂呈固定状态，而短手指会随着圆盘的运动而运动，进而对物体做出抓取动作。
上述结构的操作方法与人类使用筷子的原理一样。人们握住两只筷子，一只筷子在食指边，另一只在拇指边。每只筷子有不同的作用。在食指边的筷子通常做复杂和灵巧的运动，而在拇指边的筷子仅仅只是用来固定被抓物体。筷子的运动是与手的动作联系在一起的筷子的。当抓取物体时，主要是食指一侧的筷子工作，它表现为手驱动下的多自由度运动。也就是说每只筷子有不同的控制策略。这种基于直线超声电机的三自由度二指并联微操作手，结构简单，而且具有更快的响应速度和更大的操作空间，能够实现对多种尺度细胞进行抓取、移动、穿刺、去除细胞核和注射操作，也能够用于微型零件的装配，微机电系统组装，微外科手术和光学工程的光纤对接。
所述操作手的三部直线超声电机的直线导轨均与手臂的中轴线平行。该结构保证了导轨运动方向的一致，便于操作和分析；直线型超声电机的响应时间在微妙级，步进分辨率达到50nm，这样使该操作手响应迅速，抓取灵活，并且具有很高的机构精度。
所述操作手的长手指固定于手臂的中轴线上。该结构简单且紧凑，方便装配。
所述操作手的三个柔性关节均匀安装在圆盘上，两两相差120°。柔性关节实现机构间的无缝连接，避免了摩擦、磨损、润滑等问题，提高机构精度。
所述操作手的短手指与手臂中轴线呈20°~25°角度。装配在手臂上的长手指和装配在圆盘上的短手指形成筷子状，通过控制两指间的相对位置完成对所操作物体的抓取。
附图说明
图1为基于直线型超声电机的三自由度二指并联微操作手底座示意图；
图2为基于直线型超声电机的三自由度二指并联微操作手手臂剖面图；
图3为基于直线型超声电机的三自由度二指并联微操作手整机示意图；
图中标号名称：1.直线型超声电机；2.直线导轨；3.滑块；4.手臂；5.柔性关节；6.圆盘；7.短手指；8.长手指；9.底座；10.电机定子。
具体实施方式
一种基于直线型超声电机的三自由度二指并联微操作手，该操作手包括手臂及手，如图3所示。
所述操作手的手臂及手包括三部直线型超声电机1，导轨2，滑块3，手臂4，柔性关节5，圆盘6，短手指7，长手指8，底座9，电机定子10，如图3所示。三部直线型超声电机1均匀分布于手臂4的中轴线周围，两两相差120°，如图2所示。每条直线导轨2分别与一个柔性关节5相连，三个柔性关节5连接圆盘6并控制其移动形成三自由度并联运动。长手指8固定在手臂4上，并穿过圆盘6的中心孔，短手指7呈20°~25°的角度固定在圆盘6上，与长手指8形成夹筷子状。长手指8相对于手臂4呈固定状态，而短手指7会随着圆盘6的运动而运动，进而可以对物体做出抓取动作。
所述的操作手，通过控制手臂上的直线型超声电机1的步进分辨率来控制操作手的操作精度；柔性关节5可以避免通常刚性连接中的间隙、摩擦、磨损及润滑等复杂问题，从而可以提高机构精度、增加可靠性、减少维护。
所述的操作手，通过手臂上三部直线型超声电机1分别控制的单自由度运动形成整个操作手的三自由度运动。
Claims (6)
1.一种基于直线型超声电机的三自由度二指并联微操作手，该操作手包括手臂和手，其特征在于：包括手臂（4）、三部直线超声电机（1）、三个柔性关节（5）、圆盘（6）、长手指（8）、短手指（7）、底座（9）；其中手臂（4）固定在底座（9）上，三部直线超声电机（1）均由固定于手臂（4）上的电机定子（10）和滑块（3），以及位于电机定子（10）的驱动足与滑块（3）之间的直线导轨（2）组成；该三部直线超声电机（1）均匀分布于手臂（4）的中轴线周围，两两相差120°；所述圆盘（6）通过柔性关节（5）安装于直线超声电机的导轨（2）末端；所述长手指（8）固定在手臂（4）上且指尖穿过圆盘（6）上的中心孔；所述短手指（7）的指跟固定在圆盘（6）上。
2.根据权利要求1所述的基于直线型超声电机的三自由度二指并联微操作手，其特征在于：上述三部直线超声电机（1）的直线导轨（2）均与手臂（4）的中轴线平行。
3.根据权利要求1所述的基于直线型超声电机的三自由度二指并联微操作手，其特征在于：上述长手指（8）固定于手臂（4）的中轴线上。
4.根据权利要求1所述的基于直线型超声电机的三自由度二指并联微操作手，其特征在于：上述三个柔性关节（5）均匀安装在圆盘（6）上，两两相差120°。
5.根据权利要求1所述的基于直线型超声电机的三自由度二指并联微操作手，其特征在于：所述短手指（7）与手臂（4）的中轴线呈20°~25°角度。
6.根据权利要求1所述的基于直线型超声电机的三自由度二指并联微操作手的操作方法，其特征在于包括以下过程：三部直线超声电机（1）驱动相应导轨（2），每条导轨（2）分别与一个柔性关节（5）相连，三个柔性关节（5）连接圆盘（6）并控制其移动形成三自由度并联运动；长手指（8）相对于手臂（4）呈固定状态，而短手指（7）会随着圆盘（6）的运动而运动，进而对物体做出抓取动作。
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