CN1454753A - 一种串－并联式微操作并联机器人机械装置 - Google Patents
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Abstract
一种串－并联式微操作并联机器人装置用于微型机械的装配等微操作中。本发明机器人结构由两个相同的3自由度并联机构相互串联组成；每个并联机构具有3条运动链，每条运动链由两个虎克铰链和一个微位移放大器组成；由计算机控制驱动压电执行器驱动的位移输出量；各盘及运动链之间的连接为：一组并联机构中的3条运动链的底面端与中盘连接，另一端与工作盘连接；另一组并联机构中的3条运动链的底面端与底盘连接，另一端与中盘连接，中盘悬挂在底盘的下部；两根机器人操作指分别设置在工作盘和中盘上。两操作指可以实现如同人手操作筷子的微操作运动。本发明的微操作并联机器人结构紧凑，机器人操作指端的工作空间为500×500×80μm，运动的分辨率达0.1μm。
Description
技术领域：
本发明涉及一种串-并联式微操作并联机器人装置，微操作并联机器人用于生物工程中的细胞操作、基因转移、染色体切割以及微型机械的装配等微操作。
背景技术：
生物工程中的细胞操作、基因转移、染色体切割以及微型机械的装配等微操作对操作器的精度、速度等项指标提出很高的要求，目前通常采用微操作机器人来完成这类工作。
由于并联机构运动精度高，动力学性能好，被用来作为微操作机器人机械结构。并联机构参见图1，它是由工作盘1、底盘3和连接两盘的若干条封闭的运动链2组成的机械装置；它的每条运动链由两个以上的杆件及运动副组成并由一个驱动器驱动。由于每条运动链承受的载荷较小而且杆件均为2力杆，整体结构刚度提高，允许的载荷与输出力随之提高。由于各运动链相互并联，一条运动链中某一构件的制造尺寸误差可以得到补偿。因此，并联机构比串联机构运动精度高。由于并联机器人的驱动部分可以安置在底座上，运动部分的质量得以减少，被操作对象的质量与机器人质量之比提高，动力学性能得到改善，允许更高的运动速度。同样由于驱动部分安置在底座上，实现了能量供应部分及信号传递部分与工作空间的隔离，减少了干扰，提高了安全性。
微操作一般需要两个操作指协调动作，因此往往把两个并联机构组合在一起。这两个并联机构多数情况下分别具有3个或6个自由度。由两个并联机构组合成微操作机器人的结构方式主要有以下两种：一种为如图2所示的并-并联结构。图2并-并联式微操作机器人结构由两个6自由度并联机构相互并联而成。两个并联机构的工作盘的中心各垂直安装一根针状的操作指。两个操作指各自独立运动，在共同的工作空间里操作。一般认为这种结构布局方式两个操作指的协调控制难度大，不适合作为微操作机器人结构。另一种为如图3所示的串-并联结构。图3串-并联式微操作机器人结构由两个6自由度并联机构相互串联而成。与前者相比，它的两个操作指可以联动，动作容易协调，其动作原理参见图4，它的动作很象人手操作两根筷子。图3中工作盘1与中盘4共同组成上部并联机构；中盘4与底盘3共同组成下部并联机构。工作盘1作为上部并联机构的工作盘，其上安装一根操作指，该操作指的功能相当于图4中食指一侧的筷子。中盘4既作为上部并联机构的底盘，又作为下部并联机构的工作盘，其上安装一根操作指，该操作指的功能相当于图4中拇指一侧的筷子。两根筷子协调动作，可以夹持目标并使之回转和移动。日本人首先提出图3所示的串-并联式微操作机器人结构，开发的微操作机器人的工作空间为130×130×18μm，指尖运动的分辨率达0.1μm。
以上给出的微操作器机器人虽然有其特色，但存在问题是6自由度并联机构结构复杂，控制困难。尤其是当需要把两个6自由度并联机构结构组合在一起的时候，由于结构的限制，往往不能达到最佳的组合效果。另外图3所示的串-并联式微操作机器人结构存在两个问题：
1.微操作机器人高度增加，有累积误差且运动稳定性变差。
2.当根据微操作动作的需要把微操作机器人水平或倾斜安装在支架上使用时，由于柔性铰链灵敏度很高，其本身重量就会使柔性铰链变形。
分析人手使用筷子的动作，每根筷子具有3个自由度即可胜任各种操作。组成串-并联式微操作机器人的两个并联机构的操作指各只须有3个自由度，就可以胜任生物工程及微机械装配中常见的微操作。相对于6自由度并联机构，3个自由度并联机构不仅结构简单，控制也容易。
发明内容：
本发明的目的在于克服以上不足，开发一种每个操作指具有3个自由度的微操作机器人，它的工作空间应大于150×150×30μm，指尖运动的分辨率不低于0.1μm。
为了使控制简单，设计并联机构时采用同结构运动链，即连接工作盘和底盘的一组封闭的运动链具有完全相同的机械结构。基于这一原则，本发明设计了一种串-并联式微操作并联机器人机械装置，其技术方案如图5所示。它是由两个并联机构相互串联构成，整个机构设置在底座5上；并联机构包括有工作盘1、底盘3、中盘4和连接盘间的运动链；并联机构的工作盘的微位移由压电执行器驱动，而驱动压电执行器的精密电源是由计算机精确控制；本发明的特征在于，串-并联式微操作机器人结构由两个相同的3自由度并联机构相互串联组成；每个3自由度并联机构具有3条运动链，运动链由柔性铰链及基于柔性铰链的微位移放大器组成，每个运动链包含3个运动副；各盘及运动链之间的连接为：一个并联机构中的3条运动链(A种运动链2a)的底面端与中盘4连接，运动链另一端与工作盘1连接，把工作盘支撑在底盘的上方，三条运动链分别穿过底盘3的3个缺口，但不与底盘接触；另一个并联机构中的3条运动链(B种运动链2b)的底面端与底盘3连接，运动链另一端与中盘4连接，中盘4悬挂在底盘3的下部；即共有6条运动链与中盘连接，其中另一端与工作盘连接的3条运动链和另一端与底盘连接的3条运动链在中盘上沿圆周相间排列，相互间隔60度。
如图6所示，本发明所述的每条运动链均是由两个虎克铰链11和一个滑动副构成，该滑动副为本运动链中的主动运动副；所述的滑动副是基于柔性铰链的微位移放大器，图6(b)是一条运动链中所包含的微位移放大器的动作原理。微位移放大器由一个杠杆机构和一个平行四边形四杆机构组成，该机构全部由单轴柔性铰链和刚性杆组成；其驱动方式为采用压电执行器驱动并通过基于柔性铰链的微位移放大器放大压电执行器的位移输出量。具体动作过程为：当压电执行器产生微位移16，推动第一级摆杆13绕固定轴单轴铰链14转动，通过活动轴单轴柔性铰链12带动第二级摆杆15绕固定轴单轴铰链转动，使压电执行器的微位移得以放大输出。在微位移的情况下，可以认为输出位移的方向与输入位移的方向相同。所以微位移放大器在运动学意义上等效于滑动副。两个虎克铰链11属双轴柔性铰链，其功能与滑动副相配合，允许工作盘作空间运动。本样机中柔性虎克铰链见图6(a)。
本发明中机器人操作指的连接结构为，两根机器人操作指6a、6b通过通用的钢性杆分别设置在工作盘1和中盘4上，安装在中盘上的操作指6b穿过工作盘1和底盘3的中心孔但不与两盘接触，安装在工作盘上的另一根操作指6a随工作盘一起运动，中盘运动时带动工作盘一起运动；工作盘可以相对中盘运动。即中盘操作指6b相当于拇指，工作盘操作指6a相当于食指。拇指运动时带动食指一起运动，同时食指又可以相对拇指运动。
本发明所述的串-并联式微操作并联机器人机械装置，底盘与底座的连接特征在于，底盘3是由3根立柱支撑在底座5上方，三根立柱分别穿过中盘4上的3个孔，但不与中盘4接触。
本发明技术方案的实现达到了以下效果：
1、由于压电执行器具有体积小、出力大、分辨率和频响高的优点，并且不发热、无噪声，易于控制。但压电执行器的位移量微小(一般只有10～20μm)。传统的传动机构都存在传动间隙，会使压电执行器产生的微小位移量在传动过程中消失在这些间隙中。因此本发明的技术方案采用了柔性虎克铰链并采用基于柔性铰链的微位移放大器放大压电执行器输出的微位移，以使微操作机器人获得较大的工作空间。柔性铰链无机械摩擦，无运动副间隙，靠弹性变形传递微小运动，传动精度和灵敏度很高。通过微位移放大器放大满足了微操作机器人工作空间的要求。
2、本发明考虑到并联机构刚性好、结构紧凑、运动分辨率高、响应快的特点，采用并联机构作为微操作机器人结构的基础单元。基于对人手使用筷子的动作的分析确定每个操作指具有3个自由度(2个摆动，一个平动)而不是6个自由度的特点，本发明技术方案中工作盘1和中盘4上各安装一根操作指，实现了如同人手使用筷子的动作。
3、本发明改变了操作指在工作盘上的安装方式。因此，不再需要把微操作机器人水平或倾斜安装在支架上使用。因自重引起的柔性铰链附加变形也不存在，有效提高了精度。
4、本发明的微操作机器人操作指端的工作空间为500×500×80μm，运动的分辨率达到0.1μm。
附图说明：
图1：现有技术并联机构示意图
1、工作盘2、运动链3、底盘；
图2：现有技术并-并联式微操作机器人结构原理；
图3：现有技术串-并联式微操作机器人结构原理
1、工作盘2、运动链3、底盘4、中盘6、操作指；
图4：人手使用筷子的动作原理；
图5：本发明的串-并联式微操作并联机器人机械结构原理图
(a)结构原理图(b)A种运动链与中盘的连接位置(c)B种运动链与中盘的连接位置
1、工作盘2a、A种运动链(连接工作盘1和中盘4)2b、B种运动链(连接中盘4和底盘3)3、底盘(固定盘)4、中盘5、底座7、立柱；
图6 A种运动链的结构及其微位移放大器的动作原理(a)虎克铰链(b)微位移放大器的动作原理11虎克铰链 12活动轴单轴铰链 13第一级摆杆 14固定轴单轴铰链15第二级摆杆 16压电执行器输出的微位移；图7本发明的微操作机器人结构示意图1工作盘 2a A种运动链 2b B种运动链 3底盘(固定盘) 4中盘 5底座 6a工作盘操作指 6b中盘操作指 7立柱。
具体实施方式：
根据附图3-7按常规机加工技术完成本发明的技术方案。本发明中每个并联机构中的每条运动链所包含的所有运动副和其它构件均是由一块弹性金属材料加工而成。本发明采用压电执行器驱动并通过微位移放大机构放大压电执行器的位移输出量。
在所述的串-并联式微操作并联机器人机械装置，各盘之间的连接结构中，运动链分A种2a运动链和B种2b运动链阐述如下：
B种运动链与图6所示A种运动链结构相似，同样包含两个虎克铰链和一个微位移放大器(后者在运动学意义上等效于滑动副)。如图7所示三个B种运动链2b的底面与底盘3连接，运动链另一端与中盘4连接(注意B种运动链与工作盘1不接触，把中盘悬挂在底盘下部。而底盘3则是由3根立柱支撑在底座5上方。三根立柱分别穿过中盘上的3个孔，但不与中盘接触。三个A种运动链的底面与中盘4连接，运动链另一端与工作盘1连接，把工作盘支撑在底盘的上方。三个A种运动链分别穿过底盘3的3个缺口，但不与底盘接触。采取这种特殊的组合方式将两个3-PTT(P-滑动副、T-虎克铰链)并联机构集成在一起构成了并联微操作机器人结构。这一方案使整体结构更紧凑，微操作并联机器人的高度降低，解决了微操作机器人高度增加，有累积误差且运动稳定性变差的问题。
本实施例中安装在中盘上的操作指6b穿过工作盘1和底盘3的中心孔但不与两盘接触。安装在工作盘上的另一根操作指6a随工作盘一起运动。操作指6a和6b在工作盘上方弯成一定角度。这样，执行微操作时，不再需要把微操作机器人水平(指将其中心线置于水平面中)或倾斜安装在支架上使用。由于柔性铰链灵敏度很高，这样就避免了将微操作机器人水平或倾斜安装时其本身重量就会使柔性铰链变形的问题。
因中盘运动时带动工作盘运动，可以实现两个操作指共同运动。工作盘又可以单独运动，所以安装在工作盘上的操作指又可以相对中盘上的操作指运动。与人手使用筷子的动作相似。
Claims (5)
1、一种串-并联式微操作并联机器人机械装置，它是由两个并联机构相互串联构成，整个机构设置在底座(5)上；并联机构包括有工作盘(1)、底盘(3)、中盘(4)和连接盘间的运动链；并联机构的工作盘的微位移由压电执行器驱动，而驱动压电执行器的精密电源是由计算机精确控制；本发明的特征在于，串-并联式微操作机器人结构由两个相同的3自由度并联机构相互串联组成；每个3自由度并联机构具有3条运动链，运动链由柔性铰链、杆及基于柔性铰链的微位移放大器组成，每个运动链包含3个运动副；各盘及运动链之间的连接为：一组并联机构中的3条运动链的底面端与中盘(4)连接，运动链另一端与工作盘(1)连接，把工作盘支撑在底盘的上方，三条运动链分别穿过底盘(3)的3个缺口，但不与底盘接触；另一组并联机构中的3条运动链的底面端与底盘(3)连接，运动链另一端与中盘(4)连接，中盘(4)悬挂在底盘(3)的下部；两根机器人操作指分别设置在工作盘(1)和中盘(4)上。
2、根据权利要求1所述的串-并联式微操作并联机器人机械装置，其特征在于，每个并联机构中的每条运动链所包含的所有运动副和其它构件均是由一块弹性金属材料加工而成；与中盘连接6条运动链中，其中另一端与工作盘连接的3条运动链和另一端与底盘连接的3条运动链在中盘上沿圆周相间排列，相互间隔60度。
3、根据权利要求1或2所述的串-并联式微操作并联机器人机械装置，其特征在于，所述的每条运动链均是由两个虎克铰链(11)和一个滑动副构成，该滑动副为本运动链中的主动运动副；所述的两个虎克铰链(11)属双轴柔性铰链；所述的滑动副是基于柔性铰链的微位移放大器，微位移放大器由一个杠杆机构和一个平行四边形四杆机构组成，该机构全部由单轴柔性铰链和刚性杆组成；其驱动方式为采用压电执行器驱动并通过基于柔性铰链的微位移放大器放大压电执行器的位移输出量，具体动作过程为：当压电执行器产生微位移(16)，推动第一级摆杆(13)绕固定轴单轴铰链(14)转动，通过活动轴单轴柔性铰链(12)带动第二级摆杆(15)绕固定轴单轴铰链转动，使压电执行器的微位移得以放大输出。
4、根据权利要求1所述的串-并联式微操作并联机器人机械装置，其特征在于，机器人操作指的连接结构为，操作指(6a、6b)是通过通用的钢性杆分别设置在工作盘(1)和中盘(4)上，安装在中盘上的操作指(6b)穿过工作盘(1)和底盘(3)的中心孔但不与工作盘和底盘接触。
5、根据权利要求1所述的串-并联式微操作并联机器人机械装置，底盘与底座的连接特征在于，底盘(3)是由3根立柱支撑在底座(5)上方，三根立柱分别穿过中盘(4)上的3个孔，但不与中盘(4)接触。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |