CN1257770A - 五自由度五轴结构解耦并联微动机器人 - Google Patents

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Abstract

一种五自由度五轴结构解耦并联微动机器人,主要特征是运动工作台通过五支连杆与固定台相连接,五支连杆与运动工作台连接是弹性铰链,五支连杆通过弹性铰链与固定台的弹性移动副连接,每个弹性移动副连接着一个微位移驱动器。本发明微动机器人运动解耦、结构简单紧凑,能实现无摩擦、无间隙和高分辨率的解耦五维微动。可广泛用于微动工作台和精细操作或加工中。

Description

五自由度五轴结构解耦并联微动机器人
本发明属于先进制造技术领域，特别涉及一种五自由度五轴结构解耦并联微动机器人。
实现精细操作的微动机器人正随着微米/纳米工程的深入而受到人们日益关注，利用柔性(或称弹性)铰链替代实际运动副使得并联结构微动机器人不仅消除了常规运动副所具有的间隙、摩擦、空回现象，而且充分发挥出并联机构高刚度、高精度等固有的品质特性。
六十年代初期，Ellis提出用并联机构作为微动操作机械手，并应用于生物技术和显微外科中。为了提高精度，Magnani和Pernette研究了转动副、移动副、虎克铰和球铰的弹性结构形式(即柔性铰链)。Stoughton和Tanikawa用两个六自由度并联机构实现筷子操作运动；Hara和Hemini研究平面三自由度和六自由度微动机器人；Hudgens和Tesar研究的六自由度并联微操作器；Lee提出空间三自由度微动机器人结构；Parikian研究用Delta并联机构作为空间纯移动微动机器人的方案。
在国内，清华大学研制了微动工作台；《仪器仪表学报》NO.1，1996报道，哈尔滨工业大学研制了Stewart平台结构六自由度并联微动机器人；在申请号为99119320.2、99102421.4和99121020.4专利文件中公开了“并联解耦结构六维力与力矩传感器”和“具有弹性铰链六维力与力矩传感器”及“六自由度并联解耦结构微动机器人”。
尽管国内外有许多学者研究并联多自由度微动机器人，但是这些研究成果和专利技术存在的主要问题是有的结构复杂，有的标定困难，有的运动解耦难，尤其是目前国内外还没有提出或找到五自由度并联微动和结构解耦并联微动机器人机构。
本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种五自由度五轴结构解耦并联微动机器人。
本发明的技术解决方案如下：
五自由度五轴结构解耦并联微动机器人的结构包括固定台、运动工作台、连接固定台与运动工作台的五支连杆。五支连杆与运动工作台三个互相垂直平面的连接是弹性铰链，五支连杆通过弹性铰链与固定台的三个互相垂直平面上的弹性移动副连接，每个弹性移动副连接着一个微位移驱动器。
弹性铰链可以是弹性球铰，也可以是弹性虎克铰。
五支连杆分三组分别与运动工作台和固定台的三个互相垂直的平面连接，其中两组为双支连杆，一组为单支连杆。
五支连杆中的单支连杆与运动台的一个平面和固定台一个平面上的弹性移动副的连接两端必须都是弹性虎克铰，其余四支连杆中每支连杆与运动台平面和固定台平面上的弹性移动副的连接两端是弹性球铰或一端是弹性球铰，另一端是弹性虎克铰。
本发明与现有技术相比有如下优点：
本发明五自由度五轴结构解耦并联微动机器人具有运动解耦、结构简单紧凑、算法简单等优点，能实现无摩擦、无间隙和高分辨率的五维微动。该微动机器人的提出在先进制造技术领域中具有特别重要的意义，在精细操作和加工、纳米尺寸制造、微动工作台、集成电路制造、生物和遗传工程、显微外科等领域有广阔而明显的应用前景和实际应用价值。
附图的图面说明如下：
图1是FG5ADPMR-1型五自由度五轴结构解耦并联微动机器人结构示意图；
图2是FG5ADPMR-2型五自由度五轴结构解耦并联微动机器人结构示意图。
下面结合附图对本发明实施例作进一步详述：
实施例1：
FG5ADPMR-1型五自由度五轴结构解耦并联微动机器人的结构如图1所示。
运动工作台(10)通过五支连杆(28)、(8)、(14)、(16)、(25)与由三个相互垂直的底面板(1)、侧面板(17)和背面板(5)组成的固定台相连接。五支连杆与运动工作台连接的五个运动副分布在运动工作台的三个互相垂直的平面上。五支连杆与固定台的连接是分布在固定台三个面板上的五个弹性移动副(3)、(6)、(12)、(19)、(23)，这五个弹性移动副连接着五个压电陶瓷微位移驱动器(2)、(4)、(11)、(18)、(22)。连杆(14)通过弹性虎克铰(15)、(13)分别与运动工作台(10)和固定工作台上的弹性移动副(12)连接。另四支连杆(28)、(8)、(16)、(25)的一端分别通过四个弹性球铰(27)、(9)、(21)、(26)与运动工作台(10)连接，另一端分别通过四个弹性球铰(29)、(7)、(19)、(24)与固定台上的弹性移动副(3)、(6)、(19)、(23)连接。连杆(28)和(8)的一端并联连接在运动工作台(10)的底面上，另一端并联连接在底面板(1)的弹性移动副(3)和(6)上。连杆(16)和(25)的一端并联连接在运动工作台(10)的侧面上，另一端分别并联连接在侧面板(17)的弹性移动副(19)和(23)上。
本发明微动机器人为一体化结构，运动工作台、有三个互相垂直平面的固定台、五支连杆、弹性虎克铰、弹性球铰、弹性移动副均为一体。运动工作台(10)通过分布在固定台三个互相垂直平面(1)、(5)、(17)上的压电陶瓷微位移驱动器(2)、(4)、(11)、(18)、(22)驱动五个弹性移动副(3)、(6)、(12)、(19)、(23)实现沿X、Y、Z三轴移动和绕Y、Z两轴转动的五轴解耦微运动。
实施例2：
FG5ADPMR-2型五自由度五轴结构解耦并联微动机器人的结构如图2所示。运动工作台(34)通过五支连杆(57)、(36)、(43)、(45)、(54)与由三个相互垂直的底面板(30)、侧面板(46)和背面板(33)组成的固定台相连接，五支连杆与运动工作台连接的五个运动副分布在运动工作台的三个互相垂直的平面上，五支连杆与固定台的连接是分布在固定台三个面板上的五个弹性移动副(32)、(38)、(41)、(47)、(52)，这五个弹性移动副分别连接着五个压电陶瓷微位移驱动器(31)、(39)、(40)、(48)、(51)，连杆(57)通过弹性虎克铰(56)、(58)与运动工作台和固定台上的弹性移动副(32)连接。另四支连杆(36)、(43)、(45)、(54)的一端分别通过四个弹性球铰(35)、(44)、(50)、(55)与运动工作台(34)连接，连杆(36)和(43)的另一端通过弹性球铰(37)、(42)与固定台上的弹性移动副(38)和(41)连接，连杆(45)和(54)的另一端通过弹性虎克铰(49)、(53)与固定台上的弹性移动副(47)和(52)连接。连杆(36)和(43)的一端并联连接在运动工作台(34)的背面上，另一端分别并联连接在背面板(33)的弹性移动副(38)和(41)上。连杆(45)和(54)的一端并联连接在运动工作台(34)的侧面上，另一端分别并联连接在侧面板(46)的弹性移动副(47)和(52)上。
本发明微动机器人为一体化结构，运动工作台、有三个互相垂直平面的固定台、五支连杆、弹性虎克铰、弹性球铰、弹性移动副均为一体。运动工作台(34)通过分布在固定台三个互相垂直平面(30)、(33)、(46)上的压电陶瓷微位移驱动器(31)、(39)、(40)、(48)、(51)驱动五个弹性移动副(32)、(38)、(41)、(47)、(52)实现沿X、Y、Z三轴移动和绕X、Y两轴转动的五轴解耦微运动。

Claims (5)

1、一种五自由度五轴结构解耦并联微动机器人，包括固定台、运动工作台、连接固定台与运动工作台的连杆，其特征在于：运动工作台通过五支连杆与固定台连接，五支连杆与运动工作台三个互相垂直平面的连接是弹性铰链，五支连杆通过弹性铰链与固定台的三个互相垂直平面上的弹性移动副连接，每个弹性移动副连接着一个微位移驱动器。
2、按照权利要求1所说的五自由度五轴结构解耦并联微动机器人，其特征在于：弹性铰链可以是弹性球铰，也可以是弹性虎克铰。
3、按照权利要求1所说的五自由度五轴结构解耦并联微动机器人，其特征在于：五支连杆分三组分别与运动工作台和固定台的三个互相垂直的平面连接，其中两组为双支连杆，一组为单支连杆。
4、按照权利要求1至3所说的五自由度五轴结构解耦并联微动机器人，其特征在于：五支连杆中的单支连杆与运动台的一个平面和固定台一个平面的弹性移动副的连接两端必须都是弹性虎克铰，其余四支连杆中每支连杆与运动台平面和固定台平面上的弹性移动副的连接两端是弹性球铰。
5、按照权利要求1至3所说的五自由度五轴结构解耦并联微动机器人，其特征在于：五支连杆中的单支连杆与运动台的一个平面和固定台一个平面的弹性移动副的连接两端必须都是弹性虎克铰，其余四支连杆中每支连杆与运动台平面和固定台平面上的弹性移动副的连接两端一个是弹性球铰，另一个是弹性虎克铰。
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