CN1438098A - 磁力驱动的无关节微动高精度机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无关节微动高精度机器人，其操作臂上分别固定连接有水平支撑板、垂直支撑板和侧向支撑板，每块板的两端分别设置永磁铁，与永磁铁相对设置有电磁铁，在每块支撑板两端靠近电磁铁处分别安装位移传感器；一种无关节微动高精度机器人的驱动方法，主要是通过磁力来驱动机器人运动。本发明与其它机器人驱动方式相比具有无摩擦、无润滑、高速和高加速度的优点；本微动高精度机器人不再需要任何关节连接就能够实现6个自由度的运动，避免了机器人定位精度和重复精度有限的问题，克服了因传动链的误差而使机器人的定位精度和重复精度降低的缺点，结构大为简化，整体尺寸明显减少，机器人的定位精度和重复精度能够达到纳米级。

Description

磁力驱动的无关节微动高精度机器人

                         技术领域

本发明涉及一种机器人技术，特别涉及一种利用磁力驱动的无关节微动高精度机器人。

                         背景技术

现在的许多技术领域，如生物工程、微外科手术、扫描探针显微镜、光纤对接、微细加工等精细操作对操作者的操作要求较高；比如生物工程领域中的克隆操作，要求操作者能够取出细胞内的细胞核，在进行操作的过程中由于操作者不能完成精确的操作，因此造成现在的克隆技术的可靠性不高；采用微操作机器人能够大大提高操作的精度，保证操作的可靠性，其他形式的微细操作与生物工程领域中的克隆操作技术要求相接近，因此这些领域迫切要求提供定位精度和重复精度高的微动高精度机器人。

传统的微动机器人驱动方式是采用伺服电机作为驱动器，通过传动机构将伺服电机的运动传递到机器人的末端；由于机械结构在运动传递过程中存在摩擦滞后、机构间隙等因素，采用这种驱动方式要实现高精度、高速度的定位作业及微力控制极其困难，且难以实现机器人的小型化。近年来有不少报道是不需要运动传递的直接驱动的机器人，例如采用直接驱动电机、形状记忆合金和压电陶瓷作为驱动器等。利用形状记忆合金作为机器人驱动器的研究是20世纪80年代初由日本开始的，目前国内外在这方面均取得了不少研究成果，日本学者IKada曾成功地将形状记忆合金应用于小型抓取机构(Cripper)，本发明人也曾对形状记忆合金驱动器和形状记忆合金驱动的机器人进行了研究，发现形状记忆合金存在容易受环境影响(特别是温度的变化和工作介质的不同)和冷却速度慢的缺点，同时也难以达到较高的精度，因此在很大程度上限制了其在微动机器人上的应用；特别是如果用形状记忆合金作为机器人驱动器，机器人仍然需要由多关节构成，机器人的定位精度和重复精度将在很大程度上受到限制。压电陶瓷驱动器是利用压电陶瓷的逆压电效应制成的驱动器，它具有位移控制精度高、响应速度快、无传动啮合间隙、出力大等优点。目前有不少利用压电陶瓷作为驱动器的报道，例如日本学者Y.Suzuki，K.Tani和T.Sakuhara研究了一种压电陶瓷驱动的微型驱动器，该驱动器直径为2mm，高0.49mm；将压电陶瓷用于机器人运动驱动的有哈尔滨工业大学的孙立宁等学者研制出了压电陶瓷驱动的6自由度并联微动机器人，这种机器人能够达到亚微米级的精度；但压电陶瓷作为驱动器仍有其技术困难，主要是所要求的电场电压较高，回零特性差，电场下的应变量很小，驱动器的位移量较小；若采用多层压电陶瓷驱动器，虽可解决位移量小的问题，但由于内电极与陶瓷片、陶瓷片与陶瓷片之间的粘结以及电极的稳定性问题尚未解决，使得它们之间可能因连结不好而发生脱层，从而限制了陶瓷片的叠加层数(一般为100层或20mm厚)，而且位移量一般小于15～50μm，尤其是使用这种驱动器的机器人仍然采用了空间连杆机构，仍无法避免机械零件的制造精度和机构装配精度对机器人本身精度的影响。

                         发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种利用磁力作为驱动力，避免由于机械零件加工和装配过程中各种原因而造成误差，从而能够实现机器人操作达到较高的定位精度和重复精度的磁力驱动的无关节微动高精度机器人。

本发明的另一目的在于提供一种上述无关节微动高精度机器人的驱动方法。

本发明的技术目的通过下述技术方案实现：本磁力驱动的无关节微动高精度机器人的操作臂上分别固定连接有三块支撑板，即水平支撑板、垂直支撑板和侧向支撑板，每块板的两端分别设置永磁铁，与永磁铁相对设置有电磁铁，在每块支撑板两端靠近电磁铁处分别安装位移传感器。

所述水平支撑板、垂直支撑板和侧向支撑板的两端的两侧分别固定有1个永磁铁，与每个永磁铁相对设置有固定不动的电磁铁，亦即每块支撑板相对设置有4个电磁铁，整个机器人设置有12个电磁铁。

所述电磁铁与控制微机通过脉冲宽度调制(PWM)输出及放大模块以及16通道16位的数模转换卡(D/A转换卡)相连接；控制微机同时通过16通道16位的模数转换卡(A/D转换卡)与位移传感器相连接。

所述电磁铁与永磁铁的距离最大为5mm，最小为3mm，因此支撑板在电磁铁处的行程为±1mm。

所述永磁铁形状为园柱形，用铷铁硼材料制成。

在每块支撑板两端靠近电磁铁处分别安装2个电容式位移传感器，整个机器人安装有6个位移传感器。

所述位移传感器为纳米级精密电容位移传感器；如果本发明所采用的位移传感器的精度达到纳米级精度，那么微动机器人的精度也能够控制在纳米级。

上述微动高精度机器人的驱动方法是通过磁力来驱动机器人运动。

所述磁力驱动机器人运动具体方式是通过控制电磁铁产生的磁力使机器人实现上、下、前、后、左、右的平移运动和绕x、y和z轴的转动。

本发明的作用原理是：本磁力驱动的无关节微动高精度机器人位移是利用电磁铁所产生的磁力合力来实现的，例如当需要机器人操作臂向右移动时，就需要增加垂直支撑板左侧的两个电磁铁线圈的电流，从而使电磁铁磁力加大，同时减小右侧电磁铁线圈的电流，从而使电磁铁磁力合力不为零，驱动机器人操作臂向右运动，当机器人到达新的位置，电磁铁的磁力产生变化，直到左右两侧的电磁铁合力变为零，机器人操作臂在新的位置产生平衡，通过这种方式，机器人操作臂就能够实现平移运动；当需要机器人操作臂道绕x轴转动时，就需要增加垂直支撑板上端左侧和下端右侧的两个电磁铁线圈的电流，从而使电磁铁磁力加大，同时减小上端右侧和下端左侧电磁铁线圈的电流，从而使电磁铁磁力合力不为零，驱动垂直支撑板上端向右运动，同时下端向左运动，即相当于机器人操作臂绕x轴转动一个微小的角度；当机器人到达新的位置，电磁铁的磁力产生变化，直到左右两侧的电磁铁合力变为零，机器人操作臂在新的位置产生平衡，通过这种方式，机器人操作臂就能够实现旋转运动。

本发明相对于现在技术具有如下的优点及效果：

(1)与其它驱动方式相比较，磁力驱动具有无摩擦、无润滑、高速和高加速度的优点。

(2)机器人的操作臂只有一个连杆，而不是传统机器人所采用的多连杆多关节结构，因此操作臂不再需要任何关节连接就能够实现6个自由度的运动，这种无关节结构能够避免各关节之间因制造和装配等误差而造成的机器人定位精度和重复精度有限的问题。

(3)机器人不再需要传统的电机和减速器等传动机构，避免了因传动链的误差而使机器人的定位精度和重复精度降低。

(4)本发明的控制系统的结构简单、尺寸小；由于系统不再需要电机和减速器，因此能够极大地简化结构，使得机器人尺寸明显减少。

                           附图说明

图1是本发明微动高精度机器人的结构示意图。

图2是图1所示微动高精度机器人的左视图。

图3是图1所示微动高精度机器人的控制系统结构示意图。

图4是图3所示的触摸屏的显示窗口。

图5是图3所示的PWM输出及放大模块的电路图。

                         具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

图1及图2示出了本发明的一种实施方式，由图1及图2可见，本磁力驱动的无关节微动高精度机器人的操作臂10上分别固定连接有三块支撑板，即水平支撑板1、垂直支撑板7和侧向支撑板4，每块板的两端的两侧分别固定有1个园柱形的、用铷铁硼材料制成的永磁铁3，与每个永磁铁3相对设置有固定不动的电磁铁2，亦即每块支撑板相对设置有4个电磁铁2，整个机器人设置有12个电磁铁2，电磁铁与永磁铁的距离最大为5mm，最小为3mm，因此支撑板在电磁铁处的行程为±1mm；每个电磁铁包括电磁铁芯5及电磁铁线圈6，电磁铁线圈6环绕在电磁铁芯5外；在每块支撑板两端靠近电磁铁处分别安装2个位移传感器，整个机器人安装有6个位移传感器，所述位移传感器包括固定在支撑板上的前置器8及精密电容式位移传感器9，前置器8与位移传感器9相对设置。位移传感器9采用德国米铱测试技术公司生产的纳米级精密电容位移传感器S600-1，分辨率为40纳米，机器人的位移精度可以达到60纳米。

微动高精度机器人的控制系统如图3所示，所述电磁铁与控制计算机通过PWM输出及放大模块以及16通道16位D/A转换卡相连接；控制计算机同时通过16通道16位的A/D转换卡与位移传感器相连接，输入触摸屏同时与控制计算机相连接。其控制原理是：位移传感器检测到各支撑板的位移量，通过A/D转换卡将位移传感器对位移量检测的电压模拟信号转换成数字信号，利用控制计算机进行运算处理，就可以知道机器人在不同的方向上的位移量；控制计算机将机器人操作臂的目标位置和实际位置进行比较，将这一差值乘以加权值，通过D/A转换卡将这一输出值转换成模拟量，利用PWM电路将模拟量转换成脉冲信号，再将脉冲信号进行放大后驱动电磁铁，以实现电磁铁的位移。机器人的运动操作通过触摸屏进行，机器人的操作程序是在触摸屏上配置各个自由度运动的窗口，以控制操作臂的运动，触摸屏的显示窗口如图4所示，用手指按压触摸屏上相对应的键，机器人能够实现上、下、前、后、左、右的平移运动和绕x、y和z轴的转动。

图5示出了微动高精度机器人控制系统其中1路PWM输出及放大电路，其他12路PWM输出及放大电路与图5所示相同，由图5可见，本PWM输出及放大电路使用SG3524进行PWM调制和输出，D/A转换卡将数字信号转换成模拟信号后的模拟信号连接到SG3524的管脚2，通过调整电阻RP165的阻值可以调整PWM的振荡频率，管脚12和13为经过脉宽调制的输出信号，即输出的信号为脉冲信号，信号的占空比与输入的模拟信号的电压成正比。通过MOS管IRF540进行放大后，输出到电磁铁，电磁铁两端连线连接到插口J2上。

本发明所述的各构件可选型如下：

计算机：IBM/PC兼容机，PCI总线；操作系统：Windows98以上版本；主机速度为200MHz以上；

电磁铁：直流24V，铁芯是圆柱的牵引电磁铁；

支撑板和操作臂材料：1.5～2.5mm厚不锈钢板(或铝板)，宽25mm；

螺钉材料：不锈钢；

永磁铁：铷铁硼粉末烧结的永磁铁材料，直径为φ30，厚5mm；

A/D转换卡(模数转换卡)：台湾研华公司生产的PCI-1731；

D/A转换卡(数模转换卡)：台湾凌华公司生产的PCI-6216V；

触摸屏：常用普通触摸屏。

Claims (9)

1、一种磁力驱动的无关节微动高精度机器人，其特征在于：其操作臂上分别固定连接有水平支撑板、垂直支撑板和侧向支撑板，每块板的两端分别设置永磁铁，与永磁铁相对设置有电磁铁，在每块支撑板两端靠近电磁铁处分别安装位移传感器。

2、根据权利要求1所述的磁力驱动的无关节微动高精度机器人，其特征在于：所述水平支撑板、垂直支撑板和侧向支撑板的两端的两侧分别固定有1个永磁铁，与每个永磁铁相对设置有固定不动的电磁铁。

3、根据权利要求1或2所述的磁力驱动的无关节微动高精度机器人，其特征在于：所述电磁铁与控制微机通过脉冲宽度调制输出及放大模块以及16通道16位的模数转换卡相连接；控制微机同时通过16通道16位的模数转换卡与位移传感器相连接。

4、根据权利要求1或2所述的磁力驱动的无关节微动高精度机器人，其特征在于：微动机器人操作臂的位移量为±1mm。

5、根据权利要求1或2所述的磁力驱动的无关节微动高精度机器人，其特征在于：所述永磁铁形状为园柱形，用铷铁硼材料制成。

6、根据权利要求1所述的磁力驱动的无关节微动高精度机器人，其特征在于：在每块支撑板两端靠近电磁铁处分别安装2个位移传感器，整个机器人安装有6个位移传感器。

7、根据权利要求6所述的磁力驱动的无关节微动高精度机器人，其特征在于：所述位移传感器为纳米级精密电容位移传感器。

8、一种微动高精度机器人的驱动方法，其特征在于：通过磁力来驱动机器人运动。

9、根据权利要求8所述的微动高精度机器人的驱动方法，其特征在于：通过控制电磁铁产生的磁力使机器人实现上、下、前、后、左、右的平移运动和绕x、y和z轴的转动。

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