CN104999452B - 一种三自由度微操作机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度微操作机器人，它包括底部基座（1）、上部动平台（2）以及连接两者三条结构相同的平面运动支链（3）；每条平面运动支链中的曲线轴柔性铰链（4）上端与动平台连接，下端与杠杆臂（5）连接；杠杆臂左侧通过单轴柔性铰链Ⅰ（6）与基座（1）连接、下方通过单轴柔性铰链Ⅱ（7）与微位移驱动器（9）的驱动端（8）连接；单轴柔性铰链Ⅰ与单轴柔性铰链Ⅱ的转轴轴线相互平行且不重合，从而使单轴柔性铰链Ⅰ、单轴柔性铰链Ⅱ及杠杆臂共同构成平面杠杆机构；本发明能精密平稳的实现两个空间微转动及一个微平动；具有结构简单、易于整块加工制造、运动解耦等优点，可应用在生命科学、航空航天、精密制造等高科技领域。

Description

一种三自由度微操作机器人

技术领域

本发明涉及一种微操作机器人，具体是一种三自由度微操作机器人，属于微电子机械系统（MEMS）技术领域。

背景技术

精密微操作机器人在光电子工程、生命科学、半导体制造与检测、航空航天、精密加工等高科技领域中具有广阔的应用前景，为了获得微米甚至亚纳米级的定位分辨率，传统铰链已被无间隙、无摩擦、无需润滑、无冲击的柔性铰链所取代，并联机构具有结构紧凑、运动链短、刚度高和承载能力大等优点，因此是微操作机器人的优选构型。

目前，国内的哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、燕山大学、华南农业大学等高校，国外的韩国先进科技学院、国立首尔大学等高校，研制出了一系列三自由度柔性并联微操作机器人，但这些微操作机器人存在空间结构复杂，整块加工制造难度大，各运动自由度不解耦等问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种三自由度微操作机器人，其能够精密平稳的实现两个空间微转动及一个微平动，具有结构简单、易于整块加工制造、运动解耦等优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种三自由度微操作机器人，它包括：

底部基座、上部动平台以及连接两者三条结构相同的平面运动支链；

所述每条平面运动支链中的曲线轴柔性铰链上端与动平台连接，下端与杠杆臂连接；

所述杠杆臂左侧通过单轴柔性铰链Ⅰ与基座连接、下方通过单轴柔性铰链Ⅱ与微位移驱动器的驱动端连接；

其中，所述单轴柔性铰链Ⅰ与单轴柔性铰链Ⅱ 的转轴轴线相互平行且不重合，从而使单轴柔性铰链Ⅰ、单轴柔性铰链Ⅱ及杠杆臂共同构成平面杠杆机构。

所述的单轴柔性铰链Ⅰ与单轴柔性铰链Ⅱ结构尺寸完全相同；

所述单轴柔性铰链Ⅰ的转轴轴线与曲线轴柔性铰链的曲线轴所在平面垂直，从而使单个平面运动支链可置于一个平面内。

所述三条结构相同的平面运动支链以并联形式连于动平台与基座之间，三条结构相同的平面运动支链相对动平台的中心轴成轴对称布置。

本发明为整体加工成型的非组装件。

所述平面运动支链为一次切割的一体成型结构。

与现有的三自由度微操作机器人相比：本发明能够精密平稳的实现两个空间微转动及一个微平动；

并且采用了曲线轴柔性铰链：既能保证机构的空间三维微运动，又能实现各平面运动支链的一次加工制造；

单轴柔性铰链Ⅰ、单轴柔性铰链Ⅱ及杠杆臂共同构成平面杠杆机构；，且三条支链可紧凑布置，使得微操作机器人具有结构简单、易于整块加工制造、运动解耦及大行程等优点，可广泛应用在光电子工程、生命科学、半导体制造与检测、航空航天、精密加工等高科技领域中。

附图说明

图1是本发明结构整体结构示意图；

图2是本发明结构前视图。

图中：1、基座，2、动平台，3、平面运动支链，4、曲线轴柔性铰链，5、杠杆臂，6、单轴柔性铰链Ⅰ，7、单轴柔性铰链Ⅱ，8、驱动端，9、微位移驱动器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

其中，本发明以附图2为基准，附图2的左、右、上、下、中心为本发明的左、右、上、下、中心。应注意到的是：除非另外具体说明，否则本实施例中阐述的部件的相对布置、数值等不限于本发明的范围。

本发明为一种三自由度微操作机器人，它包括：

底部基座1、上部动平台2以及连接两者三条结构相同的平面运动支链3；三条结构相同的平面运动支链3以并联形式连于动平台2与基座1之间、相对动平台2的中心轴成轴对称布置；

所述每条平面运动支链3中的曲线轴柔性铰链4上端与动平台2连接，下端与杠杆臂5连接；

所述杠杆臂5左侧通过单轴柔性铰链Ⅰ6与基座1连接、下方通过单轴柔性铰链Ⅱ7与微位移驱动器9的驱动端8连接；

其中，所述单轴柔性铰链Ⅰ6与单轴柔性铰链Ⅱ7的转轴轴线相互平行且不重合，从而使单轴柔性铰链Ⅰ6、单轴柔性铰链Ⅱ7及杠杆臂5共同构成平面杠杆机构。

进一步，单轴柔性铰链Ⅰ6与单轴柔性铰链Ⅱ7结构尺寸完全相同；

所述单轴柔性铰链Ⅰ6的转轴轴线与曲线轴柔性铰链4的曲线轴所在平面垂直，从而使单个平面运动支链可置于一个平面内，各平面运动支链3均可通过一次加工制造获得的一体成型结构，这样非常便于实现机器人本体的整块加工制造获得，不需各零部件分别加工后组装。

所述微位移驱动器9位于相应的支链平面内，当微位移驱动器9使驱动端8运动时，由于三个平面运动支链3的空间对称性，且各平面杠杆机构的平面结构使得其非平面刚度远大于平面刚度，可认为被驱动的平面杠杆机构只产生平面变形运动，未被驱动的平面杠杆机构不产生变形运动，而各曲线轴柔性铰链4产生多轴变形运动。

由于微操作机器人动平台2的两个空间微转动及一个微平动是三个平面运动支链3的平面变形运动叠加实现的，因此可获得较佳的运动解耦性能。

综上所述：本发明能够精密平稳的实现两个空间微转动及一个微平动；

并且采用了曲线轴柔性铰链4：既能保证机构的空间三维微运动，又能实现各平面运动支链3的一次加工制造；

单轴柔性铰链Ⅰ、单轴柔性铰链Ⅱ及杠杆臂共同构成平面杠杆机构；且三条支链可紧凑布置，使得微操作机器人具有结构简单、易于整块加工制造、运动解耦及大行程等优点，可广泛应用在光电子工程、生命科学、半导体制造与检测、航空航天、精密加工等高科技领域中。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三自由度微操作机器人，其特征在于，它包括:

底部基座 (1) 、上部动平台(2) 以及连接两者三条结构相同的平面运动支链(3)；

每条所述平面运动支链 (3) 中的曲线轴柔性铰链 (4) 上端与动平台 (2) 连接，下端与杠杆臂 (5) 连接；

所述杠杆臂 (5) 左侧通过单轴柔性铰链 1 (6) 与基座 (1) 连接、下方通过单轴柔性铰链II (7) 与微位移驱动器 (9) 的驱动端 (8) 连接；

其中，所述单轴柔性铰链 1 (6) 与单轴柔性铰链II (7)的转轴轴线相互平行且不重合，从而使单轴柔性铰链1 (6) 、单轴柔性铰链II (7) 及杠杆臂 (5) 共同构成平面杠杆机构。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度微操作机器人，其特征在于，所述的单轴柔性铰链1 (6) 与单轴柔性铰链 II (7) 结构尺寸完全相同；

所述单轴柔性铰链 1 (6) 的转轴轴线与曲线轴柔性铰链 (4) 的曲线轴所在平面垂直， 从而使单个平面运动支链可置于一个平面内。

3.根据权利要求1或2所述的一种三自由度微操作机器人，其特征在于，所述三条结构相同的平面运动支链 (3) 以并联形式连于动平台 (2) 与基座 (1) 之间，三条结构相同的平面运动支链 (3) 相对动平台 (2) 的中心轴成轴对称布置。

4.根据权利要求1或2所述的一种三自由度微操作机器人，其特征在于，本发明为整体加工成型的非组装件。

5.根据权利要求1或2所述的一种三自由度微操作机器人，其特征在于，所述平面运动支链 (3) 为一次切割的一体成型结构。