CN118219240A - 一种姿态与位置运动解耦的七自由度串并混联微操作机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种姿态与位置运动解耦的七自由度串并混联微操作机构，串并混联微操作机构包括底座、第一串联部分、PRRRP并联部分、用于安装末端执行器的第二串联部分；第一串联部分具有x平移自由度和y平移自由度，第一串联部分固接于底座且转动连接于PRRRP并联部分的一端；第二串联部分转动连接于PRRRP并联部分的另一端，其具有一个转动自由度，以及一个沿其转动轴线进行平移运动的z平移冗余自由度。尺寸紧凑，增大了结构刚度，减少末端位姿调整的累积误差；微操作机构的末端位置三个平移自由度和末端位姿的三个姿态转角自由度是运动解耦的，可实现姿态控制和位置控制的解耦；微操作机构末端多一个平移冗余自由度，使其末端位姿调整更灵活。
Description
技术领域
本发明涉及微操作技术领域，具体为一种姿态与位置运动解耦的七自由度串并混联微操作机构。
背景技术
微操作机构已经广泛应用在各个领域，包括原子力扫描显微镜、微操作、微加工、光纤对接等各个科学技术领域。
微操作对机构的定位精度、工作空间范围以及结构刚度有很高要求。但在当前的研究中，大多微操作机构基于串联或并联结构进行设计，串联存在着累积误差和结构刚度低的缺点，并联机构存在工作空间小和具有较强耦合的缺点。而混联机构结合了并联机构精度高、承载能力强、响应速度快和串联机构工作空间大、动作灵活、控制简单等优点，其兼具两者的优势，同时又能避免二者的缺陷。
现有技术公开了两篇相关论文：[1]Glettig W,Vitins M,Schwarb A,etal.First results from PRIGO III,the parallel robotics inspired goniometer forprotein crystallography；proceedings of the Proceedings of the euspen 11thinternational conference,F,2011[C].以及，[2]Waltersperger S,Olieric V,Pradervand C,et al.PRIGo:a new multi-axis goniometer for macromolecularcrystallography[J].J Synchrotron Radiat,2015,22:895-900.
这两篇论文提出了一种采用粘滑驱动的，紧凑和高精度的混联测角仪(PRIGo)，替代传统的三圆测角仪和欧拉支架，用于大分子晶体学中的样品重定向。基于混联机构进行设计，以实现x,y,z方向上的平移和χ方向上的旋转(0°-90°)，φ和ω方向上的旋转(±∞)。
其存在以下技术问题：
文章[1]和文章[2]在杆l41、l42和l43分别与直线粘滑驱动单元Slider1、Slider2和Slider3连接处的转动副采用了柔顺铰链，减小了动平台B1B2B3的工作空间和姿态调整能力，特别是机构末端在x，y方向上的移动空间范围比较小。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是：提供一种姿态与位置运动解耦的七自由度串并混联微操作机构，总体尺寸紧凑，增大工作空间和姿态与调整能力，结构刚度高，累积误差小。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种姿态与位置运动解耦的七自由度串并混联微操作机构，包括底座、第一串联部分、PRRRP并联部分、用于安装末端执行器的第二串联部分；
第一串联部分具有x平移自由度和y平移自由度，第一串联部分固接于底座且转动连接于PRRRP并联部分的一端；
第二串联部分转动连接于PRRRP并联部分的另一端，其具有一个转动自由度，且具有一个冗余自由度，即沿其转动轴线进行平移运动的z平移自由度。
进一步，第一串联部分包括第一长直线粘滑驱动单元、第二长直线粘滑驱动单元、第一连接板、第二连接板、第三连接板、大旋转粘滑驱动单元；第一连接板固接于底座，第一长直线粘滑驱动单元两端分别固接于第一连接板和第二连接板，第二长直线粘滑驱动单元分别连接于第二连接板和第三连接板，大旋转粘滑驱动单元与第三连接板连接，第一长直线粘滑驱动单元和第二长直线粘滑驱动单元的延伸方向互相垂直，并联机构固接于大旋转粘滑驱动单元。
进一步，PRRRP并联部分包括分别固接于大旋转粘滑驱动单元的第一中直线粘滑驱动单元和第二中直线粘滑驱动单元、滑块、第一杆、第二杆、末端动平台；
第一中直线粘滑驱动单元和第二中直线粘滑驱动单元关于包含大旋转粘滑驱动单元旋转轴线且平行于xz平面的平面对称布置；滑块固定在第一中直线粘滑驱动单元的滑轨上，并与第一杆一端转动连接；第二杆一端固接于第二中直线粘滑驱动单元的滑轨上，第一杆和第二杆的另一端分别与末端动平台转动连接。
进一步，PRRRP并联部分包括并联机构底座，并联机构底座与大旋转粘滑驱动单元固接，第一中直线粘滑驱动单元和第二中直线粘滑驱动单元分别固接于并联机构底座。
进一步，PRRRP并联部分具有一个移动自由度和一个旋转自由度，其中旋转自由度的旋转轴线为第二杆与末端动平台连接处的转轴轴线，该轴线与大旋转粘滑驱动单元的旋转轴线相交。
进一步，第二串联部分包括小旋转粘滑驱动单元、串联转接板、短直线粘滑驱动单元；
小旋转粘滑驱动单元与末端动平台连接，串联转接板与小旋转粘滑驱动单元连接，短直线粘滑驱动单元固定在串联转接板上。
进一步，第二串联部分为一个两自由度的串联结构，由一个转动自由度和一个移动自由度组成，其中移动自由度为冗余自由度，可实现沿第二串联部分转动自由度轴线上的平移运动。
进一步，短直线粘滑驱动单元的滑轨上设有用于安装执行器的安装孔。
总的说来，本发明具有如下优点：
微操作机构采用了混联机构的形式布局，具有尺寸紧凑的优点，同时增大了结构刚度，减少末端位姿调整的累积误差；微操作机构的末端位置三个平移自由度和末端位姿的三个姿态转角自由度是运动解耦的，可实现姿态控制和位置控制的解耦；微操作机构末端多一个平移冗余自由度，使其末端位姿调整更灵活。
附图说明
图1(a)为微操作机构构型简图。
图1(b)为微操作机构构型的姿态转角示意图。
图2为粘滑驱动微操作机构立式整体结构图。
图3为第一串联部分立式结构图。
图4为PRRRP并联部分立式结构图。
图5为第二串联部分立式结构图。
图中：
11-基座、12-第一串联机构、121-第一移动驱动副、122-第一连杆、123-第二移动驱动副、124-第二连杆、125-第一转动驱动副、13-PRRRP并联机构、131-并联机构基架、132-第三移动驱动副、133-第四移动驱动副、134-第三连杆、135-第四连杆、136-第五连杆、14-第二串联机构、141-第二转动驱动副、142-第六连杆、143-第五移动驱动副、144-末端执行器；
21-底座、22-第一串联部分、2201-第一连接板、2202-长直线粘滑驱动单元、2203-第二连接板、2204-第三连接板、2205-大旋转粘滑驱动单元、23-PRRRP并联部分、2301-并联机构底座、2302-中直线粘滑驱动单元、2303-滑块、2304-第一杆、2305-第二杆、2306-末端动平台、24-第二串联部分、2401-小旋转粘滑驱动单元、2402-串联转接板、2403-短直线粘滑驱动单元。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
本发明实施例提出了一种姿态与位置运动解耦的七自由度串并混联微操作机构的原理简图，并基于该原理简图提出了一种基于粘滑驱动的七自由度混联微操作机构实例。
如图1(a)、图1(b)所示为微操作机构构型简图，微操作机构主要包括基座11、由两个移动驱动副(第一移动驱动副121、第二移动驱动副123)和一个转动驱动副(第一转动驱动副125)组成的第一串联机构12、中间PRRRP并联机构13、由末端一个移动驱动副(第五移动驱动副143)和一个转动驱动副(第二转动驱动副141)组成的第二串联机构14。
该微操作机构具体包括基座11、第一移动驱动副121、第一连杆122、第二移动驱动副123、第二连杆124、第一转动驱动副125、并联机构基架131、第三移动驱动副132、第四移动驱动副133、第三连杆134、第四连杆135、第五连杆136、第二转动驱动副141、第六连杆142、第五移动驱动副143、末端执行器144。
具体来说，第一移动驱动副121与基座11固定连接，第一移动驱动副121可提供x方向的移动自由度。第二移动驱动副123通过第一连杆122与第一移动驱动副121连接。第二移动驱动副123与第一移动驱动副121的运动方向轴线相互垂直，且提供y方向的移动自由度。第一转动驱动副125通过第二连杆124与第二移动驱动副123连接。第一转动驱动副125旋转轴线垂直于平面xy，提供绕z轴旋转的自由度。上述结构组成微操作机构的第一串联机构12。
具体来说，并联机构基架131与第一转动驱动副125连接。第三移动驱动副132和第四移动驱动副133关于第一转动驱动副125旋转轴线L1沿y方向对称布置，并与并联机构基架131连接。第三移动驱动副132和第四移动驱动副133均提供沿z轴的平移运动。第三连杆134关节点O1与第三移动驱动副132轴承连接。第四连杆135与第四移动驱动副133固定连接。第五连杆136两关节点O2和O3分别与第三连杆134和第四连杆135轴承连接。上述结构组成微操作机构的PRRRP并联机构13，其中第四连杆135的O3关节点位于第一转动驱动副125旋转轴线L1上。该PRRRP并联机构13可将第三移动驱动副132和第四移动驱动副133沿z方向的平移运动转化为第五连杆136的O3关节点在L1上平移运动和绕L2轴线旋转运动两个自由度(L2轴线垂直于第三移动驱动副132和第四移动驱动副133运动轴线所构成平面，且与L1垂直相交于O3)。
具体来说，第二转动驱动副141与第五连杆136固定连接，其旋转轴线L3需与L1和L2相交于O3，且位于第三移动驱动副132和第四移动驱动副133运动轴线所构成平面内。第五移动驱动副143通过第六连杆142与第二转动驱动副141连接，其平移运动轴线与L3共线。第五移动驱动副143提供沿L3平移运动的冗余自由度。最后末端执行器144固定连接于第五移动驱动副143。上述结构组成微操作机构的第二串联机构14。
该微操作机构一共七个自由度。对于末端执行器144的位置，有三个平移自由度x\y\z，其中x\y平移自由度分别由第一移动驱动副121和第二移动驱动副123提供，z由第三移动驱动副132和第四移动驱动副133共同作用提供。上述平移驱动副提供的三个平移自由度是运动解耦的。此外，第五移动驱动副143提供沿L3平移运动的冗余自由度。
对于末端执行器144的姿态，有三个姿态转角自由度，分别是绕L1的α姿态转角、绕L2的β姿态转角以及绕L3的γ姿态转角。α姿态转角自由度由第一转动驱动副125提供，β姿态转角自由度由第三移动驱动副132和第四移动驱动副133共同作用提供，γ姿态转角自由度由第二转动驱动副141提供。上述三个姿态转角自由度是运动解耦的，大大减少机构运动学模型复杂程度和计算量。
本发明提出的微操作机构构型中，其第一移动驱动副121、第二移动驱动副123、第三移动驱动副132、第四移动驱动副133、第一转动驱动副125和第二转动驱动副141的驱动单元可以选择为：超声电机、直线电机、粘滑驱动单元等任意可以作为直线驱动和旋转驱动的驱动器。
基于上述提出的微操作构型，本实施例提出了一种基于粘滑驱动的姿态与位置运动解耦的串并混联微操作机构，主要包括底座21(对应于上述简图中的基座11)、由底部两个直线粘滑驱动单元组和一个旋转粘滑驱动单元组成的第一串联部分22(对应于上述简图中的第一串联机构12)、中间PRRRP并联部分23(对应于上述简图中的PRRRP并联机构13)、末端一个直线粘滑驱动单元和一个旋转粘滑驱动单元组成的第二串联部分24(对应于上述简图中的第二串联机构14)，以下简称为粘滑驱动微操作机构。
如图2所示，该粘滑驱动微操作机构由四部分组成，分别是底座21、第一串联部分22、PRRRP并联部分23和第二串联部分24。
如图3所示，第一串联部分22包括第一连接板2201、长直线粘滑驱动单元2202、第二连接板2203、第三连接板2204、大旋转粘滑驱动单元2205。
本实施例中，长直线粘滑驱动单元2202共设有四个，包括两个第一长直线粘滑驱动单元和两个第二长直线粘滑驱动单元。第一长直线粘滑驱动单元和第二长直线粘滑驱动单元的运动方向互相垂直。
第一连接板2201通过螺栓与底座21固定连接。两个第一长直线粘滑驱动单元通过螺栓分别固定连接至第一连接板2201，这里两个第一长直线粘滑驱动单元并联形式排布起到增大负载的作用。第二连接板2203通过螺栓连接到两个第一长直线粘滑驱动单元。同时第二连接板2203的另一面也通过螺栓与两个第二长直线粘滑驱动单元连接，而第三连接板2204通过螺栓与这两个第二长直线粘滑驱动单元连接。最后大旋转粘滑驱动单元2205通过螺栓与第三连接板2204连接。第一串联部分22为一个3自由度的串联结构，每两个并联形式排布的长直线粘滑驱动单元2202组成一个移动自由度，共两个移动自由度。最后的大旋转粘滑驱动单元2205为一个旋转自由度。
如图4所示，PRRRP并联部分23包括并联机构底座2301、两个中直线粘滑驱动单元2302、滑块2303、第一杆2304、第二杆2305、末端动平台2306。并联机构底座2301通过螺栓与第一串联机构12的大旋转粘滑驱动单元2205连接。两个中直线粘滑驱动单元2302关于包含大旋转粘滑驱动单元2205旋转轴线且平行于xz平面的平面对称布置，通过螺栓固定在并联机构底座2301上，形成PRRRP并联部分23的两个主动副。同时滑块2303通过螺栓固定在一个中直线粘滑驱动单元2302的滑轨上，并通过轴承与第一杆2304连接。第二杆2305通过螺栓直接固定在另一个中直线粘滑驱动单元2302的滑轨上。第一杆2304和第二杆2305的另一端分别通过轴承与末端动平台2306连接。上述所构成的PRRRP并联部分23具有一个移动自由度和一个旋转自由度。其中旋转自由度的旋转轴线为第二杆2305与末端动平台2306连接处的转轴轴线，该轴线与第一串联机构12的旋转自由度的旋转轴线相交，这样设计有利用运动学分析和运动控制，其转动工作范围为[-100°，20°](图3中末端动平台2306平面与第一串联机构12的旋转自由度的旋转轴线垂直时为0°，转角以逆时针为正)。采用这种结构相比于串联机构有更大的结构刚度，使得末端负载更大，同时具有更小的累积误差以及更紧凑的布局。
如图5所示，第二串联部分24包括小旋转粘滑驱动单元2401、串联转接板2402、短直线粘滑驱动单元2403。小旋转粘滑驱动单元2401通过螺栓与末端动平台2306连接，然后串联转接板2402通过螺栓与小旋转粘滑驱动单元2401连接，最后短直线粘滑驱动单元2403通过螺栓固定在串联转接板2402上，形成第二串联部分24。第二串联部分24为一个两自由度的串联结构，由一个转动自由度和一个移动自由度组成。其中移动自由度为冗余自由度，可实现沿第二串联部分24转动自由度轴线上的平移运动，使机构末端姿态调节更灵活。末端的短直线粘滑驱动单元2403的滑轨上设有螺纹安装孔，可用于安装各种样式的负载的执行器。
该粘滑驱动微操作机构采用粘滑驱动单元，使其具有更高的定位精度。第一串联部分22和第二串联部分24使粘滑驱动微操作机构具有更大的工作空间。同时中间采用PRRRP并联部分23以及末端串联多一个短直线粘滑驱动单元2403实现运动冗余，提升了该粘滑驱动微操作机构末端姿态调整能力和负载能力。
工作过程(以上述粘滑驱动微操作机构实例为例)：
粘滑驱动微操作机构的第一串联部分22中固定于第一连接板2201的两个长直线粘滑驱动单元2202同时往一个方向运动可实现微操作机构在x轴方向上的运动，运动位移行程取决于长直线粘滑驱动单元2202的行程。第一串联部分22中固定于第二连接板2203的两个长直线粘滑驱动单元2202同时往一个方向运动可实现微操作机构在y轴方向上的运动，运动位移行程取决于长直线粘滑驱动单元2202的行程。第一串联部分22中的大旋转粘滑驱动单元2205可实现绕z轴无限角度旋转运动。粘滑驱动微操作机构的PRRRP并联部分23的两个中直线粘滑驱动单元2302同时往同一方向运动可实现末端动平台2306沿z轴直线运动。当下面的中直线粘滑驱动单元2302固定，上面的中直线粘滑驱动单元2302运动，PRRRP并联部分23转换成滑块四连杆机构，可实现绕第二杆2305与末端动平台2306连接处转轴，在[-100°，20°]的运动范围转动。第二串联部分24的小旋转粘滑驱动单元2401的旋转运动可实现绕末端平台中心轴线旋转。第二串联部分24的短直线粘滑驱动单元2403的不同方向运动，可实现沿第二串联部分24转动自由度轴线的平移运动。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.结构紧凑，结构刚度高，这是由于微操作机构采用了混联机构的形式布局，采用这种构型布局具有尺寸紧凑的优点，同时增大了结构刚度，减少末端位姿调整的累积误差；
2.微操作机构的末端位置三个平移自由度是运动解耦的。这是由于微操作机构中的第一移动驱动副121、第二移动驱动副123、第三移动驱动副132和第四移动驱动副133的合理空间布置，其中第三移动驱动副132和第四移动驱动副133关于第一转动驱动副125旋转轴线L1沿y方向对称布置；
3.微操作机构末端位姿的三个姿态转角自由度是运动解耦的。这是由于PRRRP并联机构13的第四连杆135的O3关节点位于第一转动驱动副125旋转轴线L1上，且L1、L2和L3相较于O3关节点；
4.微操作机构末端多一个平移冗余自由度，使其末端位姿调整更灵活。这是由于第五移动驱动副143平移运动轴线与L3共线，提供了沿L3平移运动的冗余自由度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种姿态与位置运动解耦的七自由度串并混联微操作机构，其特征在于：包括底座、第一串联部分、PRRRP并联部分、用于安装末端执行器的第二串联部分；
第一串联部分具有x平移自由度和y平移自由度，第一串联部分固接于底座且转动连接于PRRRP并联部分的一端；
第二串联部分转动连接于PRRRP并联部分的另一端，其具有一个转动自由度，且具有一个冗余自由度，即沿其转动轴线进行平移运动的z平移自由度。
2.根据权利要求1所述的一种姿态与位置运动解耦的七自由度串并混联微操作机构，其特征在于：第一串联部分包括第一长直线粘滑驱动单元、第二长直线粘滑驱动单元、第一连接板、第二连接板、第三连接板、大旋转粘滑驱动单元；第一连接板固接于底座，第一长直线粘滑驱动单元两端分别固接于第一连接板和第二连接板，第二长直线粘滑驱动单元分别连接于第二连接板和第三连接板，大旋转粘滑驱动单元与第三连接板连接，第一长直线粘滑驱动单元和第二长直线粘滑驱动单元的延伸方向互相垂直，并联机构固接于大旋转粘滑驱动单元。
3.根据权利要求2所述的一种姿态与位置运动解耦的七自由度串并混联微操作机构，其特征在于：PRRRP并联部分包括分别固接于大旋转粘滑驱动单元的第一中直线粘滑驱动单元和第二中直线粘滑驱动单元、滑块、第一杆、第二杆、末端动平台；
第一中直线粘滑驱动单元和第二中直线粘滑驱动单元关于包含大旋转粘滑驱动单元旋转轴线且平行于xz平面的平面对称布置；滑块固定在第一中直线粘滑驱动单元的滑轨上，并与第一杆一端转动连接；第二杆一端固接于第二中直线粘滑驱动单元的滑轨上，第一杆和第二杆的另一端分别与末端动平台转动连接。
4.根据权利要求3所述的一种姿态与位置运动解耦的七自由度串并混联微操作机构，其特征在于：PRRRP并联部分包括并联机构底座，并联机构底座与大旋转粘滑驱动单元固接，第一中直线粘滑驱动单元和第二中直线粘滑驱动单元分别固接于并联机构底座。
5.根据权利要求3所述的一种姿态与位置运动解耦的七自由度串并混联微操作机构，其特征在于：PRRRP并联部分具有一个移动自由度和一个旋转自由度，其中旋转自由度的旋转轴线为第二杆与末端动平台连接处的转轴轴线，该轴线与大旋转粘滑驱动单元的旋转轴线相交。
6.根据权利要求3所述的一种姿态与位置运动解耦的七自由度串并混联微操作机构，其特征在于：第二串联部分包括小旋转粘滑驱动单元、串联转接板、短直线粘滑驱动单元；
小旋转粘滑驱动单元与末端动平台连接，串联转接板与小旋转粘滑驱动单元连接，短直线粘滑驱动单元固定在串联转接板上。
7.根据权利要求6所述的一种姿态与位置运动解耦的七自由度串并混联微操作机构，其特征在于：第二串联部分为一个两自由度的串联结构，由一个转动自由度和一个移动自由度组成，其中移动自由度为冗余自由度，可实现沿第二串联部分转动自由度轴线上的平移运动。
8.根据权利要求6所述的一种姿态与位置运动解耦的七自由度串并混联微操作机构，其特征在于：短直线粘滑驱动单元的滑轨上设有用于安装执行器的安装孔。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |