CN104999457B - 一种大行程三自由度微操作机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大行程三自由度微操作机器人，包括基座（1）、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（2）连接，下端与输出杆（5）连接；输出杆（5）通过平行四杆机构Ⅰ（6）与左输入杆（10）连接、通过平行四杆机构Ⅱ（7）与右输入杆（11）连接，左输入杆（10）通过平行四杆机构Ⅲ（8）与固定杆（12）连接，右输入杆（11）左侧通过平行四杆机构Ⅳ（9）与固定杆（12）连接；四个平行四杆机构水平和垂直对称布置成桥式机构；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，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种微操作机器人，具体是一种大行程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及行程小等问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种大行程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、运动解耦及大行程等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种大行程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，下端与中部输出杆连接；
所述输出杆左侧通过平行四杆机构Ⅰ与左输入杆连接、右侧通过平行四杆机构Ⅱ与右输入杆连接，左输入杆右侧通过平行四杆机构Ⅲ与中部固定杆连接，右输入杆左侧通过平行四杆机构Ⅳ与中部的固定杆连接，所述固定杆与基座相连；
其中，位于平面运动支链中心位置的微位移驱动器的左、右两端分别与左输入杆、右输入杆连接。
所述的平行四杆机构Ⅰ、平行四杆机构Ⅱ、平行四杆机构Ⅲ以及平行四杆机构Ⅳ结构完全相同；
均含有两条相同的杆链，杆链含有单轴柔性铰链Ⅰ、单轴柔性铰链Ⅱ和连于两者之间的曲柄；
所述单轴柔性铰链Ⅰ的旋转轴与单轴柔性铰链Ⅱ的旋转轴平行但不重合且垂直于曲线轴柔性铰链的曲线轴所在平面；
其中，所述平行四杆机构Ⅰ与平行四杆机构Ⅱ水平对称分布，平行四杆机构Ⅲ与平行四杆机构Ⅳ水平对称分布，平行四杆机构Ⅰ与平行四杆机构Ⅲ垂直对称分布，平行四杆机构Ⅱ与平行四杆机构Ⅳ垂直对称分布，从而构成平面桥式机构，获得高位移放大比、实现动平台的大行程动作。
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两两之间相互成120°夹角分布呈闭合三角形状态。
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；
多个平行四杆机构组合形成桥式机构可将微位移驱动器的输入位移放大约十倍，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是本发明结构右视图；
图3是任意平行四杆机构的结构示意图。
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、输出杆，6、平行四杆机构Ⅰ，7、平行四杆机构Ⅱ，8、平行四杆机构Ⅲ，9、平行四杆机构Ⅳ，10、左输入杆，11、右输入杆，12、固定杆，13、微位移驱动器，14、单轴柔性铰链Ⅰ，15、单轴柔性铰链Ⅱ，16、曲柄，17、杆链。
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。
本发明为一种大行程三自由度微操作机器人，它包括：
如图1所示，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；
其中，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3两两之间相互成120°夹角分布呈闭合三角形状态；
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，下端与中部输出杆5连接；
所述输出杆5左侧通过平行四杆机构Ⅰ6与左输入杆10连接、右侧通过平行四杆机构Ⅱ7与右输入杆11连接，左输入杆10右侧通过平行四杆机构Ⅲ8与中部固定杆12连接，右输入杆11左侧通过平行四杆机构Ⅳ9与中部的固定杆12连接，所述固定杆12与基座1相连；
其中，位于平面运动支链3中心位置的微位移驱动器13的左、右两端分别与左输入杆10、右输入杆11连接。
其中，平行四杆机构Ⅰ6、平行四杆机构Ⅱ7、平行四杆机构Ⅲ8以及平行四杆机构Ⅳ9结构完全相同；
均含有两条相同的杆链17，杆链17含有单轴柔性铰链Ⅰ14、单轴柔性铰链Ⅱ15和连于两者之间的曲柄16；
所述单轴柔性铰链Ⅰ14的旋转轴与单轴柔性铰链Ⅱ15的旋转轴平行但不重合且垂直于曲线轴柔性铰链4的曲线轴所在平面；因此单个平面运动支链3可置于一个平面内，各平面运动支链3均可通过一次切割制造获得，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。
其中，所述平行四杆机构Ⅰ6与平行四杆机构Ⅱ7水平对称分布，平行四杆机构Ⅲ8与平行四杆机构Ⅳ9水平对称分布，平行四杆机构Ⅰ6与平行四杆机构Ⅲ8垂直对称分布，平行四杆机构Ⅱ7与平行四杆机构Ⅳ9垂直对称分布，从而构成平面桥式机构，获得较高的位移放大比，实现平台2的大行程动作。
微位移驱动器13水平放置于桥式位移放大机构中心位置，两端分别与左输入杆10和右输入杆11连接，当微位移驱动器13驱动左输入杆10和右输入杆11运动时，由于三个平面运动支链3的空间对称性，且各平面桥式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桥式机构只产生平面变形运动，未被驱动的平面桥式机构而不产生变形运动，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；
多个平行四杆机构组合形成桥式机构可将微位移驱动器13的输入位移放大约十倍，且三条平面运动支链3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 (2)
1.一种大行程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)；
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，下端与中部输出杆(5)连接；
所述输出杆(5)左侧通过平行四杆机构Ⅰ(6)与左输入杆(10)连接、右侧通过平行四杆机构Ⅱ(7)与右输入杆(11)连接，左输入杆(10)右侧通过平行四杆机构Ⅲ(8)与中部固定杆(12)连接，右输入杆(11)左侧通过平行四杆机构Ⅳ(9)与中部的固定杆(12)连接，所述固定杆(12)与基座(1)相连；
其中，位于平面运动支链(3)中心位置的微位移驱动器(13)的左、右两端分别与左输入杆(10)、右输入杆(11)连接；
所述的平行四杆机构Ⅰ(6)、平行四杆机构Ⅱ(7)、平行四杆机构Ⅲ(8)以及平行四杆机构Ⅳ(9)结构完全相同；
均含有两条相同的杆链(17)，杆链(17)含有单轴柔性铰链Ⅰ(14)、单轴柔性铰链Ⅱ(15)和连于两者之间的曲柄(16)；
所述单轴柔性铰链Ⅰ(14)的旋转轴与单轴柔性铰链Ⅱ(15)的旋转轴平行但不重合且垂直于曲线轴柔性铰链(4)的曲线轴所在平面；
其中，所述平行四杆机构Ⅰ(6)与平行四杆机构Ⅱ(7)水平对称分布，平行四杆机构Ⅲ(8)与平行四杆机构Ⅳ(9)水平对称分布，平行四杆机构Ⅰ(6)与平行四杆机构Ⅲ(8)垂直对称分布，平行四杆机构Ⅱ(7)与平行四杆机构Ⅳ(9)垂直对称分布，从而构成平面桥式机构，获得高位移放大比、实现动平台(2)的大行程动作；所述大行程三自由度微操作机器人为整体加工成型的非组装件；所述平面运动支链(3)为一次切割的一体成型结构。
2.根据权利要求1所述的一种大行程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)两两之间相互成120°夹角分布呈闭合三角形状态。
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