CN1305645C - 六自由度宏／微双重驱动纳米级定位大行程柔性并联机器人 - Google Patents

六自由度宏／微双重驱动纳米级定位大行程柔性并联机器人 Download PDF

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本发明公开一种宏/微双重驱动精密定位的并联式位置调整机器人——一种六自由度宏/微双重驱动纳米级定位大行程柔性并联机器人。它包括上平台(1)、六组相同的支链(3)、六组相同的宏动驱动装置(4)、铰链(5)和基座(6)，它还包括微动驱动装置(7)，支链(3)均匀布置在上平台(1)和基座(6)之间，支链(3)的上端通过铰链(5)铰接在上平台(1)上，支链(3)的下端通过铰链(5)与宏动驱动装置(4)相连接，支链(3)的杆体部分设置为微动驱动装置(7)，宏动驱动装置(4)设置在基座(6)上。由于本发明既能宏驱动又能微调整，所以既有大的运动范围，又有高的定位精度。因为微动驱动装置(7)本身被设置为支链(3)的杆体，所以整体结构非常紧凑。本发明设计合理、工作可靠，具有较大的推广价值。

Description

六自由度宏/微双重驱动纳米级定位大行程柔性并联机器人
技术领域：
本发明涉及一种并联式机器人，具体涉及一种宏/微双重驱动精密定位的并联式位置调整机器人。
背景技术：
目前，普通的刚性并联式位置调整装置通常采用转动副、移动副等常规运动副机构，不可避免的在驱动、被动关节等处引入间隙、爬行等误差，这是非常难以控制的误差来源。为解决上述问题，现有的设计中通常采用柔性铰链代替各种常规运动副。现通用的柔性球铰链多为采用线切割或其他加工方法加工而成的如图1所示的“小行程”柔性铰链，其特点为线位移常在微米级，角位移在1°以下。因此，虽然精度得到了显著提高，但随之带来的问题是：由于柔性铰链的变形有限，导致调整装置的运动范围极小，通常在立方微米级，不适用于既要求高精度，又要求大运动范围的应用场合。另外，采用单一宏动驱动方式(各种电机、液压、气动、压电马达等)的位置调整装置虽然能达到厘米级以上的运动范围，但只能达到微米或亚微米的精度。而采用单一微动驱动方式(压电陶瓷)的位置调整装置虽然能达到纳米级的定位精度，但一般只能达到微米级的运动范围。而采用串联宏机器人与串联微机器人结合的双重驱动结构或者宏、微两个并联机器人简单叠加的双重驱动结构都会导致系统的结构本体很大，不满足结构紧凑的要求。
发明内容：
本发明的目的就是提供一种结构紧凑的，既有大的运动范围又有高的定位精度的位置调整机器人。实现本发明目的的技术方案是：一种六自由度宏/微双重驱动纳米级定位大行程柔性并联机器人，它包括上平台1、六组相同的支链3、六组相同的宏动驱动装置4、铰链5和基座6，它还包括微动驱动装置7，支链3均匀布置在上平台1和基座6之间，支链3的上端通过铰链5铰接在上平台1上，支链3的下端通过铰链5与宏动驱动装置4相连接，支链3的杆体部分设置为微动驱动装置7，宏动驱动装置4设置在基座6上。铰链5是大行程柔性铰链，它由铰支杆5-1和位于铰支杆5-1两端部的紧固件5-2组成，铰支杆5-1为铍青铜材质的杆体。本发明在工作时，宏动驱动装置4通过在支链3的下端驱动支链3转动从而完成上平台1位置和姿态的的宏观调整，微动驱动装置7使支链3微量伸长或缩短，从而完成上平台1位置和姿态的微调。由于本发明既能宏驱动又能微调整，所以既有大的运动范围又有高的定位精度。因为微动驱动装置7本身被设置为支链3的杆体，不需要增加结构，所以整体结构非常紧凑。本发明设计合理、工作可靠，具有较大的推广价值。
附图说明：
图1是已有的“小行程”柔性铰链的结构示意图，图2是本发明实施方式三中大行程柔性铰链的结构示意图，图3是本发明的立体结构示意图，图4本发明支链3的结构示意图，图5是实施方式四的立体结构示意图，图6是实施方式四的结构示意图，图7是图6中I处的放大示意图，图8是实施方式六的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图3和图4具体说明本实施方式。它由上平台1、六组相同的支链3、六组相同的宏动驱动装置4、铰链5、基座6和微动驱动装置7组成，支链3均匀布置在上平台1和基座6之间，支链3的上端通过铰链5铰接在上平台1上，支链3的下端通过铰链5与宏动驱动装置4相连接，支链3的杆体部分设置为微动驱动装置7，宏动驱动装置4设置在基座6上。微动驱动装置7是杆形的压电陶瓷驱动器，微动驱动装置7的两端与铰链5相连接。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同点是，铰链5选用柔性铰链。使用柔性铰链能消除普通铰链中所存在间隙，提高定位精度和运动精度。
具体实施方式三：下面结合图2和图4具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一、二的不同点是，铰链5选用大行程柔性铰链，它由铰支杆5-1和位于铰支杆5-1两端部的紧固件5-2组成，铰支杆5-1为铍青铜材质的杆体。采用如图2所示的大行程柔性铰链(直径0.9mm、长度12mm、材料为铍青铜)，其线位移可达毫米级、角位移可达3°以上，能得到三个线调整位移和三个转角调整位移。当与柔性铰链相连的刚性杆比较长时，刚性杆的末端点线位移更可达到相对较大(厘米级)的运动范围。
具体实施方式四：下面结合图3、图5、图6和图7具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：宏动驱动装置4由压电马达4-1、导轨4-2、滑台4-3、滑块4-5、滚动体4-6和摩擦带4-4组成，导轨4-2水平方向设置在基座6的上表面上，导轨4-2、滑块4-5和滚动体4-6组成直线移动副，滑台4-3固连在滑块4-5上，滑台4-3与铰链5的下端固连，滑台4-3的侧面上水平方向粘接有摩擦带4-4，压电马达4-1的摩擦指4-1-1压紧在摩擦带4-4的表面上。宏动驱动端采用压电马达驱动，由于压电马达的工作特性(驱动指靠摩擦原理驱动滑台直线运动)，即工作中由于有预紧力，使得导轨滑块与滚动体、滚动体与导轨之间始终保持紧密接触，这样也从根本上消除了驱动端的间隙。微动驱动器(压电陶瓷)两端也采用固定连接方式，从而使调整机构整体系统达到了无间隙。由于系统中配合使用精度及分辨率极高的驱动元件——压电马达和压电陶瓷作为宏驱动器和微驱动器；并且其中宏动位移检测元件为精密光栅，最终使得系统可在厘米级的运动范围内得到纳米级的分辨率和运动精度。本平台工作范围沿x、y、z三轴移动的行程分别为±5mm，绕三轴的转动分别为±1.5°，x、y、z三轴平移重复定位精度为20nm，分辨率为5nm；绕三轴的转动重复定位精度为0.2μrad，分辨率为0.1μrad。
具体实施方式五：下面结合图6具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式四的不同点是：它还包括精密光栅，精密光栅的读数头8-1与滑台4-3固连，精密光栅的刻度尺8-2固接在基座6上。如此设置，能精确地控制位置调整。
具体实施方式六：下面结合图8具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：宏动驱动装置4由电机4-8、联轴器4-9、转动部件4-10、导轨4-11、滑块4-12、滑台4-13和架体4-14组成，架体4-14固连在基座6的上表面上，导轨4-11和电机4-8固连在架体4-14上，转动部件4-10与滑块4-12组成丝杠螺母传动机构，滑台4-13与滑块4-12固连，导轨4-11为滑块4-12提供垂直方向的导向，滑台4-13与铰链5的下端固连，导轨4-11垂直于基座6的上表面。如此设置，宏动驱动装置4完成垂直方向对支链3的驱动。

Claims (4)

1、一种六自由度宏/微双重驱动纳米级定位大行程柔性并联机器人，它包括上平台(1)、六组相同的支链(3)、六组相同的宏动驱动装置(4)、铰链(5)和基座(6)，其特征是它还包括微动驱动装置(7)，支链(3)均匀布置在上平台(1)和基座(6)之间，支链(3)的上端通过铰链(5)铰接在上平台(1)上，支链(3)的下端通过铰链(5)与宏动驱动装置(4)相连接，支链(3)的杆体部分设置为微动驱动装置(7)，宏动驱动装置(4)设置在基座(6)上；铰链(5)是大行程柔性铰链，它由铰支杆(5-1)和位于铰支杆(5-1)两端部的紧固件(5-2)组成，铰支杆(5-1)为铍青铜材质的杆体。
2、根据权利要求1所述的六自由度宏/微双重驱动纳米级定位大行程柔性并联机器人，其特征是宏动驱动装置(4)由压电马达(4-1)、导轨(4-2)、滑台(4-3)、滑块(4-5)、滚动体(4-6)和摩擦带(4-4)组成，导轨(4-2)水平方向设置在基座(6)的上表面上，导轨(4-2)、滑块(4-5)和滚动体(4-6)组成直线移动副，滑台(4-3)固连在滑块(4-5)上，滑台(4-3)与铰链(5)的下端固连，滑台(4-3)的侧面上水平方向粘接有摩擦带(4-4)，压电马达(4-1)的摩擦指(4-1-1)压紧在摩擦带(4-4)的表面上。
3、根据权利要求2所述的六自由度宏/微双重驱动纳米级定位大行程柔性并联机器人，其特征是它还包括精密光栅，精密光栅的读数头(8-1)与滑台(4-3)固连，精密光栅的刻度尺(8-2)固接在基座(6)上。
4、根据权利要求1所述的六自由度宏/微双重驱动纳米级定位大行程柔性并联机器人，其特征是宏动驱动装置(4)由电机(4-8)、联轴器(4-9)、转动部件(4-10)、导轨(4-11)、滑块(4-12)、滑台(4-13)和架体(4-14)组成，架体(4-14)固连在基座(6)的上表面上，导轨(4-11)和电机(4-8)固连在架体(4-14)上，转动部件(4-10)与滑块(4-12)组成丝杠螺母传动机构，滑台(4-13)与滑块(4-12)固连，导轨(4-11)为滑块(4-12)提供垂直方向的导向，滑台(4-13)与铰链(5)的下端固连，导轨(4-11)垂直于基座(6)的上表面。
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