CN107009345A - 一种三自由度并联微操作机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度并联微操作机器人，包括底面基座、工作台和三条PUU型支链，所述支链包括上部柔性虎克铰链、连接杆、下部柔性虎克铰链和压电陶瓷驱动器；所述压电陶瓷驱动器均匀安装在底面基座上，所述下部柔性虎克铰链一端与压电陶瓷驱动器相连，另一端与连接杆相连，连接杆的另一端与上部柔性虎克铰链相连，所述上部柔性虎克铰链均匀安装在工作台的下表面上。本发明由压电陶瓷驱动器直接驱动，实现了机构、驱动一体化设计，可使工作台获得三个平动自由度，具有结构简单、累计误差小、承载能力强、刚度大等优点，广泛应用于微机电行业、生物工程及医疗、航空航天和光学加工等诸多现代高端技术领域。

Description

一种三自由度并联微操作机器人

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种三自由度并联微操作机器人。

背景技术

随着微/纳米技术的发展，微操作机器人在微机电行业、生物工程及医疗、航空航天和光学加工等领域具有广阔的应用前景，而并联微操作机器人与串联机器人相比具有无摩擦、无间隙、无累计误差、响应快、承载能力强、刚度大等优点，因而被广泛应用。

从目前对并联微操作机器人的研究来看，燕山大学研制了一种各向同性的六自由度微动并联机器人，该机器人通过放在平行板柔性移动副框架结构中部的压电陶瓷驱动，由推杆放大位移，将位移传递给平行板柔性移动副，从而实现工作台的移动，该微动机器人虽有较好的位移解耦性，但其结构复杂。哈尔滨工业大学研制出一种三支链六自由度并联柔性铰链微动机构，从空间结构上看，该机器人属于6-PSS型微动并联机器人，压电陶瓷布置在底座上，压电陶瓷的输出经过弹性平行板传递到与之相连的连接座上，然后两端带柔性铰链的支撑杆件再将连接座和上平台连接起来，这种机构形式传动链长，误差因素多，而且底座较大，加工困难。

六自由度并联微操作机器人虽然能够满足精密定位的需求，但其结构繁琐、成本高，并且操作困难、工业应用受限，目前在很多应用领域中，并不需要六自由度运动。近年来，少自由度并联微操作机器人以其自身的特点和应用潜力引起了国内外学者的广泛关注。Kallio等研制了压电陶瓷驱动的三自由度微操作机器人；Hara等研究了一种平面三自由度微动机器人；Lee等对可以实现一平动两转动的三自由度并联微动机构进行了研究；北京航空航天大学研制了三自由度并联Delta机构的微操作机器人；北京交通大学对平面3-RRR柔性并联机器人进行了研究；北京工业大学研制了含有分布柔性铰链的3-RRS柔性并联机构；天津大学研制了一种大行程两平动一转动精密定位平台。

尽管学者们对三自由度并联微操作机器人进行了大量研究，然而对于具有较高实际应用价值的三自由度纯平动并联机构的研究相对较少，专利所述的并联微操作机器人具有三个平动自由度，其结构简单、成本低、控制相对容易。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种具有三个平动自由度、结构简单、成本低廉、容易控制的三自由度并联微操作机器人。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种三自由度并联微操作机器人，包括底面基座(3)、工作台(1)以及三条PUU型支链(2)，所述底面基座(3)上固定有第一支链安装座，而所述工作台(1)上设置有第二支链安装座，且所述第一支链安装座、第二支链安装座与PUU型支链(2)一一对应；所述PUU型支链包括两个柔性虎克铰链、连接杆(22)以及压电陶瓷驱动器(24)；两个柔性虎克铰链分别为上部柔性虎克铰链(21)和下部柔性虎克铰链(23)，所述压电陶瓷驱动器(24)固定安装在底面基座(3)上，所述下部柔性虎克铰链(23)的一端固定在压电陶瓷驱动器(24)上，所述下部柔性虎克铰链(23)的另一端与连接杆(22)的一端相接；所述连接杆(22)的另一端与上部柔性虎克铰链(21)的一端相连，所述上部柔性虎克铰链(21)的另一端与工作台(1)的下表面固定相连；

柔性虎克铰链包括：第一柔性块(231)、第二柔性块(233)、第三柔性块(235)、第一柔性铰链结构(232)和第二柔性铰链结构(234)；所述第一柔性块与第二柔性块通过第一柔性铰链结构(232)连接，所述第二柔性块(233)与第三柔性块通过第二柔性铰链结构(234)连接，且所述第一柔性块(231)、第二柔性块(233)、第三柔性块(235)由上到下依次设置，同时所述第一柔性铰链结构(232)和第二柔性铰链结构(233)的运动方向相互垂直；

所述压电陶瓷驱动器(24)包括连接头(241)、预紧头(242)、填充物(243)、压电陶瓷(244)、套管(245)和底座(246)；所述套管(245)安装在底座(246)上，而所述压电陶瓷(244)设于套管(245)内，所述压电陶瓷(244)下表面与套管(245)底部相接，所述压电陶瓷(244)的上表面与连接头(241)的下端相连，所述预紧头(242)设置于套管(245)的上部，而所述连接头(241)的上端穿过预紧头(242)伸出套管(245)外侧；所述填充物(243)设置于连接头(241)与预紧头(242)之间；

优选的：所述工作台(1)由压电陶瓷驱动器(24)驱动。

优选的：所述第一支链安装座沿周向均匀分布在底面基座(3)上，所述第二支链安装座沿周向均匀分布在工作台(1)上。

优选的：所述第一柔性铰链结构(232)和第二柔性铰链结构(233)均为柔性片。

优选的：所述上部柔性虎克铰链(21)的两端与下部柔性虎克铰链(23)的两端均设置有内螺纹；所述上部柔性虎克铰链(21)通过内六角圆柱头螺钉固定于工作台(1)上。

优选的：所述压电陶瓷驱动器(24)通过内六角圆柱头螺钉固定于底面基座(3)上。

优选的：所述上部柔性虎克铰链(21)和下部柔性虎克铰链(23)的材质为65Mn弹簧钢。

优选的：所述压电陶瓷驱动器(24)选用低压机械封装式压电陶瓷。

优选的：所有内六角圆柱头螺钉均选用标准件GB/T 70.1-2008。

优选的：所述上部柔性虎克铰链与下部柔性虎克铰链的一端均设置成倾斜表面。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

1.本发明的三自由度并联微操作机器人由压电陶瓷驱动器直接驱动，并通过柔性铰链和连接杆进行传动，可实现沿X、Y、Z三个方向上的微位移，即具有三个平动自由度。

2.本发明的三自由度并联微操作机器人由压电陶瓷驱动器直接驱动，实现了机构、驱动一体化设计，并采用了柔性铰链，为了保证三自由度并联微操作机器人在初始位置具有较大的刚度，即柔性虎克铰链不发生弹性变形，所述上部柔性虎克铰链与下部柔性虎克铰链的一端均设置成倾斜表面。本机器人具有结构简单、累计误差小、承载能力强、刚度大、控制相对容易的优点。

附图说明

图1为本发明一种三自由度并联微操作机器人的立体结构示意图；

图2为本发明一种三自由度并联微操作机器人的主视结构示意图；

图3为本发明一种三自由度并联微操作机器人的俯视结构示意图；

图4为本发明一种三自由度并联微操作机器人的柔性虎克铰链结构示意图；

图5为本发明一种三自由度并联微操作机器人的柔性虎克铰链局部剖视结构示意图；

图6为本发明一种三自由度并联微操作机器人的压电陶瓷驱动器剖视结构示意图。

图中：1-工作台，2-PUU支链，3-底面基座，21-上部柔性虎克铰链，22-连接杆，23-下部柔性虎克铰链，24-压电陶瓷驱动器，231-第一柔性块，232-第一柔性铰链结构，233-第二柔性块，234-第二柔性铰链结构，235-第三柔性块，241-连接头，242-预紧头，243-填充物，244-压电陶瓷，245-套管，246-底座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1、图2、图3所示为一种三自由度并联微操作机器人，包括底面基座3、工作台1以及三条PUU型支链2，所述底面基座3上固定有支链安装座，而所述工作台上设置有内螺纹，且所述支链安装座、内螺纹与PUU型支链2一一对应；所述PUU型支链包括上部柔性虎克铰链21、连接杆22、下部柔性虎克铰链23以及压电陶瓷驱动器24；所述压电陶瓷驱动器24通过内六角圆柱头螺钉固定安装在底面基座3上，所述下部柔性虎克铰链23的一端固定在压电陶瓷驱动器24上，所述下部柔性虎克铰链23的另一端与连接杆22的一端相接；所述连接杆22的另一端与上部柔性虎克铰链21的一端相连，所述上部柔性虎克铰链21的另一端通过内六角圆柱头螺钉与工作台1的下表面固定相连；所有内六角圆柱头螺钉均选用标准件GB/T 70.1-2008。

如图4、图5所示，所述上部柔性虎克铰链21包括第一柔性块231、第二柔性块233、第三柔性块235，所述第一柔性块231和第二柔性块233之间设置有第一柔性铰链结构232，所述第二柔性块233和第三柔性块235之间设置有第二柔性铰链结构234，所述第一柔性铰链结构232与第二柔性铰链结构234的运动方向相互垂直，所述下部柔性虎克铰链23与上部柔性虎克铰链21在结构上完全相同。所述上部柔性虎克铰链21的两端与下部柔性虎克铰链23的两端均设置有内螺纹，便于安装以及与压电陶瓷驱动器24和连接杆22进行连接，且螺纹连接可以减小装配间隙，使结构上更加紧凑、运动灵敏度更高。为了保证三自由度并联微操作机器人在初始位置具有较大的刚度，即柔性虎克铰链不发生弹性变形，所述上部柔性虎克铰链21与下部柔性虎克铰链23的一端均设置成倾斜表面。由于在各种柔性材料中，弹簧钢的综合性能最好，故上部柔性虎克铰链21与下部柔性虎克铰链23的材质选用弹簧钢(65Mn)。

如图6所示，所述压电陶瓷驱动器24包括连接头241、预紧头242、填充物243、压电陶瓷244、套管245和底座246；所述套管245安装在底座246上，而所述压电陶瓷244设于套管245内，所述压电陶瓷244下表面与套管245底部相接，所述压电陶瓷244的上表面与连接头241的下端相连，所述预紧头242设置于套管245的上部，而所述连接头241的上端穿过预紧头242伸出套管245外侧；所述填充物243设置于连接头241与预紧头242之间，保证了内部安装空间的密封性；为了方便安装固定和保护压电陶瓷，所述压电陶瓷驱动器24选用低压机械封装式压电陶瓷。

并联机器人是相对于串联机器人来说的，并联机器人在原动件和执行部分之间有两个或者两个以上的支链组成。其可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。该微操作机器人有三条相同的PUU型支链布置在工作台1和底面基座3之间，且可以实现沿X、Y、Z三个方向上的平动自由度，是一种三自由度并联机构。

所述PUU型支链中P代表移动副，即压电陶瓷驱动器；U代表U副，即柔性虎克铰链。三自由度是指具有X、Y、Z三个方向的平动自由度，无转动自由度。

该微操作机器人控制系统为一种普遍采用的控制系统，包括工作台位移测量电路、计算机、单片机、D/A转换器和A/D转换器。此外，压电陶瓷驱动器及其驱动电源共同组成动力驱动部分。为了实现工作台既定的位移，信号发生电路产生压电陶瓷驱动器电源的输入信号，经驱动电路放大后输入到压电陶瓷驱动器的输入端，使压电陶瓷驱动器动作，柔性机构会产生相应的位移。此时，工作台位移测量电路测出产生的位移，经A/D转换后送到计算机，计算机根据反馈电路中的数值了解驱动器的运动情况，并根据这个数值自动调节发送的数据信号来实现既定的位移。

具体在工作时，三条PUU支链的压电陶瓷驱动器24同时向上/下移动相同位移量，带动三个下部柔性虎克铰链23向上/下移动相同位移量，此时上部柔性虎克铰链21和下部柔性虎克铰链23均不发生弹性变形，通过连接杆22将下部柔性虎克铰链23向上/下的作用力传至上部柔性虎克铰链21，所述上部柔性虎克铰链21固定安装在工作台1的下表面，因此工作台1向上/下移动，即可实现Z方向的平动；

当三条PUU支链的压电陶瓷驱动器24向上/下移动不同位移量时，三个下部柔性虎克铰链23因受到不同大小的作用力而发生不同程度的弹性变形。

当一条PUU支链的下部柔性虎克铰链23受到较大的向上/下的作用力，而另外两条PUU支链的下部柔性虎克铰链23受到相对较小的向上/下的作用力时，工作台1的位置则会向受力较小/大的支链侧移动，假设从底面基座边缘到其中心点的方向以及底面基座边缘的顺时针方向为正方向，此时，受向上/下的作用力较大的下部柔性虎克铰链23的第一柔性块231绕第一柔性铰链结构232的轴线逆/顺时针转动，下部柔性虎克铰链23的作用力经连接杆22传至上部柔性虎克铰链21，使上部柔性虎克铰链21的第二柔性块绕第一柔性铰链结构的轴线逆/顺时针转动；同时，受向上/下的作用力较小的两个下部柔性虎克铰链23的第二柔性块243分别绕相应的第二柔性铰链结构234的轴线顺/逆时针和逆/顺时针转动，两个下部柔性虎克铰链23的作用力分别经连接杆22传至相应的上部柔性虎克铰链21，使两个上部柔性虎克铰链21的第三柔性块分别绕相应的第二柔性铰链结构的轴线顺/逆时针和逆/顺时针转动；三个上部柔性虎克铰链21的第三柔性块的转动可统一转化为工作台1的移动，因此工作台1在XY平面移动，即可实现X、Y方向的平动。

该微操作机器人的主要工作原理是：根据工作台的所需位置，通过运动学反解求出三个压电陶瓷驱动器的所需位移量，然后根据控制模型为压电陶瓷驱动器输入相应的驱动电压值，从而使工作台完成所需运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三自由度并联微操作机器人，其特征在于：包括底面基座(3)、工作台(1)以及三条PUU型支链(2)，所述底面基座(3)上固定有第一支链安装座，而所述工作台(1)上设置有第二支链安装座，且所述第一支链安装座、第二支链安装座与PUU型支链(2)一一对应；所述PUU型支链包括两个柔性虎克铰链、连接杆(22)以及压电陶瓷驱动器(24)；两个柔性虎克铰链分别为上部柔性虎克铰链(21)和下部柔性虎克铰链(23)，所述压电陶瓷驱动器(24)固定安装在底面基座(3)上，所述下部柔性虎克铰链(23)的一端固定在压电陶瓷驱动器(24)上，所述下部柔性虎克铰链(23)的另一端与连接杆(22)的一端相接；所述连接杆(22)的另一端与上部柔性虎克铰链(21)的一端相连，所述上部柔性虎克铰链(21)的另一端与工作台(1)的下表面固定相连；

柔性虎克铰链包括：第一柔性块(231)、第二柔性块(233)、第三柔性块(235)、第一柔性铰链结构(232)和第二柔性铰链结构(234)；所述第一柔性块与第二柔性块通过第一柔性铰链结构(232)连接，所述第二柔性块(233)与第三柔性块通过第二柔性铰链结构(234)连接，且所述第一柔性块(231)、第二柔性块(233)、第三柔性块(235)由上到下依次设置，同时所述第一柔性铰链结构(232)和第二柔性铰链结构(233)的运动方向相互垂直；

所述压电陶瓷驱动器(24)包括连接头(241)、预紧头(242)、填充物(243)、压电陶瓷(244)、套管(245)和底座(246)；所述套管(245)安装在底座(246)上，而所述压电陶瓷(244)设于套管(245)内，所述压电陶瓷(244)下表面与套管(245)底部相接，所述压电陶瓷(244)的上表面与连接头(241)的下端相连，所述预紧头(242)设置于套管(245)的上部，而所述连接头(241)的上端穿过预紧头(242)伸出套管(245)外侧；所述填充物(243)设置于连接头(241)与预紧头(242)之间。

2.根据权利要求1所述三自由度并联微操作机器人，其特征在于：所述工作台(1)由压电陶瓷驱动器(24)驱动。

3.根据权利要求1所述三自由度并联微操作机器人，其特征在于：所述第一支链安装座沿周向均匀分布在底面基座(3)上，所述第二支链安装座沿周向均匀分布在工作台(1)上。

4.根据权利要求1所述三自由度并联微操作机器人，其特征在于：所述第一柔性铰链结构(232)和第二柔性铰链结构(233)均为柔性片。

5.根据权利要求1所述三自由度并联微操作机器人，其特征在于：所述上部柔性虎克铰链(21)的两端与下部柔性虎克铰链(23)的两端均设置有内螺纹；所述上部柔性虎克铰链(21)通过内六角圆柱头螺钉固定于工作台(1)上。

6.根据权利要求1所述三自由度并联微操作机器人，其特征在于：所述压电陶瓷驱动器(24)通过内六角圆柱头螺钉固定于底面基座(3)上。

7.根据权利要求1所述三自由度并联微操作机器人，其特征在于：所述上部柔性虎克铰链(21)和下部柔性虎克铰链(23)的材质为65Mn弹簧钢。

8.根据权利要求1所述三自由度并联微操作机器人，其特征在于：所述压电陶瓷驱动器(24)选用低压机械封装式压电陶瓷。

9.根据权利要求1所述三自由度并联微操作机器人，其特征在于：所有内六角圆柱头螺钉均选用标准件GB/T 70.1-2008。

10.根据权利要求1所述三自由度并联微操作机器人，其特征在于：所述上部柔性虎克铰链与下部柔性虎克铰链的一端均设置成倾斜表面。