CN1634684A - 一种新型精密微操作机器人结构 - Google Patents

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本发明的目的是提供一种新型精密微操作机器人结构，其特征是它包括：空间并联闭链机构A和平面并联闭链机构B，它们分别为空间四自由度并联机构和平面三自由度并联机构，由于空间四自由度并联机构和平面三自由度并联机构具有运动精度高、动态性能好等特点，因此本发明提供的新型精密微操作机器人结构具有结构简单紧凑、控制简单、运动分辨率高、运动解耦、动态性能好等优点，能实现无摩檫、无间隙和高分辨率的微动操作。

Description

一种新型精密微操作机器人结构
技术领域
本发明属于精密微操作机器人领域。
背景技术
微动机器人在精细加工、集成电路制造、光纤对接、CCD对接、生物和遗传工程、航空航天等领域有着广阔的应用前景。在微动机器人的研究中，并联机构尤其引起人们的关注，这主要是因为并联机构具有以下优点：(1)结构紧凑(2)设计加工简单，对温度的灵敏度不高(3)驱动器可置于基架上(4)误差积累及放大小(5)固有频率高，避免了由震动引入的不可控制重复误差。
斯陶顿(Stoughton)设计了一种由两个并联机构组成的微动机器人，每个并联机构由六个压电元件组成；胡根兹(Hudgens)和特塞(Tesar)提出了一种完全并联的斯蒂瓦特(Stewart)平台微动机器人；国内一些单位也研制了基于一般型Stewart机构的六自由度并联微动机器人、混联六自由度微动机器人、基于德尔它(Delta)机构的细胞操作微动机器人及并联微动解耦机构微动机器人。他们为微动机器人的发展与进步作出了贡献，其中一些研究成果已申请了专利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型精密微操作机器人结构，它具有结构简单紧凑、制造成本低、控制简单、运动分辨率高、动态特性好等优点，能实现无磨檫、无间隙和高分辨率的微动操作。
本发明提供的一种新型精密微操作机器人结构，其特征是它包括：空间并联闭链机构A和平面并联闭链机构B，所述的空间并联闭链机构A是由定位座(A1、A2、A3、A4)、动平台、4个定长杆和一个中间支链组成，所述的中间支链的中间是一个随动柔性移动副，它由四块金属板(49、50、51、54)、四个柔性转动副和一个柔性球铰组成(如图5所示)，金属板49通过两个柔性转动副分别与金属板50、54相联，金属板51通过两个柔性转动副分别与金属板50、54相联，柔性球铰52位于金属板51上方与动平台8相联，定位座(A1、A2、A3、A4)通过4个定长杆的四个球铰(B1、B2、B3、B4)和一个中间支链的球铰(B0)与动平台相联，形成了空间并联闭链机构A(如图1所示)；所述的平面并联闭链机构B包括工作台(C1C2C3)、3个定长杆、定位座(E1、E2、E3)，3个定长杆的一端分别通过3个转动副(C1、C2、C3)与工作台(C1C2C3)相联，定长杆的另一端分别通过3个转动副(D1、D2、D3)与定位座(E1、E2、E3)相联构成所述的平面并联闭链机构B(如图2所示)。
需要说明的是：
所说的工作台(16)可以与空间并联机构分离(如图3所示)，也可以与空间并联机构组成一体化结构(如图4所示)；
上述的球铰、虎克铰和转动副均为柔性铰结构，所说的微位移驱动器可以是压电陶瓷微位移驱动器也可以是其它类型的微位移驱动器；
定位座(2、5、22、24、9、14、18)由定位座座体55、微位移驱动器56、平行板柔性移动副57组成，如图6、7所示。
由于本发明提出的空间四自由度并联机构A(如图1所示)和平面三自由度并联机构B(如图2所示)具有运动精度高、动态性能好等特点，因此本发明提供的新型精密微操作机器人结构具有结构简单紧凑、控制简单、运动分辨率高、运动解耦、动态性能好等优点，能实现无磨檫、无间隙和高分辨率的微动操作。
附图说明
图1为本发明中采用的空间四自由度并联机构的机构图
图中A1、A2、A3、A4表示球铰或虎克铰，B0、B1、B2、B3、B4表示球铰。图2为本发明中采用的平面三自由度并联机构的机构图
图中C1、C2、C3、D1、D2、D3表示转动副，E1、E2、E3表示移动副。
图3为本发明的精密微操作机器人实施例一的总体结构示意图
图中1.基座，2.定位座，3.柔性虎克铰或球铰，4.定长杆，5.定位座，6.定长杆，7.柔性球铰，8.动平台，9.定位座，10.柔性转动副，11.定长杆，12.柔性转动副，13.机架，14.定位座，15.定长杆，16.工作台，17.定长杆，18.定位座，19.柔性球铰，20.随动移动副，21.定长杆，22.定位座，23.定长杆，24.定位座。
图4为本发明的精密微操作机器人实施例二的总体结构示意图
图中25.基座，26.定位座，27.柔性转动副，28.定长杆，29.柔性转动副，30.定位座，31.柔性虎克铰或球铰，32.工作台，33.定长杆，34.定位座，35.柔性球铰，36.动平台，37.机架，38.定位座，39.柔性球铰，40.定长杆，41.定长杆，42.随动移动副，43.定长杆，44.定位座，45.定长杆，46.定位座，47.定长杆，48.定位座。
图5为中间支链结构示意图
图中49、50、51、54为金属板，52为柔性球铰，53为柔性转动副，柔性球铰52位于金属板51上方与动平台8相联，金属板49与基座1刚性固联，中心支链为一次加工成型的非组装件。
图6为定位座结构示意图
图7为图6中定位座的A-A向剖视结构示意图
图6、7中，49为定位座座体，50为微位移驱动器，51为平行板柔性移动副。
具体实施方式
实施例一
图3是本发明的一个实施例，如图3所示，包括基座(1)、定位座(2、5、22、24)、定长杆(4、6、21、23)、动平台(8)、工作台(16)等组成，刚性固联在基座(1)上的定位座(2、5、22、24)与动平台(8)之间由4个定长杆(4、6、21、23)和一个中间支链相联，形成了空间并联闭链机构A，定长杆的一端与刚性固联在基座(1)上的定位座(2、5、22、24)上的平行板移动副通过虎克铰或球铰相联，另一端通过球铰与动平台(8)相联，中间支链一端与基座(1)刚性固联，另一端通过球铰与动平台(8)相联，中间为一随动柔性移动副；工作台(16)、定长杆(11、15、17)、定位座(9、14、18)形成了平面并联闭链机构B，定长杆的一端与刚性固联在“天花板”上的定位座(9、14、18)上的平行板移动副通过转动副相联，另一端通过转动副与工作台(16)相联。所述的“天花板”与机架(13)刚性固联，并与基座(1)平行，“天花板”中心开有一中心孔，工作台(16)位于“天花板”的上方，工作台的面积略大于“天花板”上的中心孔的面积，所说的虎克铰、球铰、转动副都指的是柔性铰链，定位座中均设置有微位移驱动器。
实施例二
图4是本发明的又一个实施例，工作台(32)、定长杆(28、41、47)、定位座(26、38、48)形成了平面并联闭链机构B，定长杆(28、41、47)的一端与刚性固联在机座(25)上的定位座(26、38、48)上的平行板移动副通过转动副相联，另一端通过转动副与工作台(32)相联。刚性固联在工作台(32)上的定位座(30、34、44、46)与动平台(36)之间由4个定长杆(33、40、43、45)和一个中间支链相联，形成了空间并联闭链机构A，定长杆(33、40、43、45)的一端与刚性固联在工作台(32)上的定位座(30、34、44、46)上的平行板移动副通过虎克铰或球铰相联，另一端通过球铰与动平台(36)相联，中间支链一端与工作台(32)刚性固联，另一端通过球铰与动平台(36)相联，中间为一随动柔性移动副；所说的虎克铰、球铰、转动副都指的是柔性铰链，定位座中均设置有微位移驱动器。
本发明提供的新型精密微操作机器人结构具有结构简单紧凑、制造成本低、控制简单、运动分辨率高、动态特性好、累积误差小等优点，能实现无磨檫、无间隙和高分辨率的微动操作。可应用于精细加工、集成电路制造、光纤对接、CCD对接、生物和遗传工程、微型外科手术、微电子装配等领域和其它处理微小物体、进行微细定位和微操作的场合。

Claims (4)

1、一种新型精密微操作机器人结构，其特征是它包括：空间并联闭链机构A和平面并联闭链机构B，所述的空间并联闭链机构A是由定位座(A1、A2、A3、A4)、动平台、4个定长杆和一个中间支链组成，所述的中间支链的中间是一个随动柔性移动副，它由四块金属板(49、50、51、54)、四个柔性转动副和一个柔性球铰组成，金属板49通过两个柔性转动副分别与金属板50、54相联，金属板51通过两个柔性转动副分别与金属板50、54相联，柔性球铰52位于金属板51上方与动平台8相联，定位座(A1、A2、A3、A4)通过4个定长杆的四个球铰(B1、B2、B3、B4)和一个中间支链的球铰(B0)与动平台相联，形成了空间并联闭链机构A；所述的平面并联闭链机构B包括工作台(C1C2C3)、3个定长杆、定位座(E1、E2、E3)，3个定长杆的一端分别通过3个转动副(C1、C2、C3)与工作台(C1C2C3)相联，定长杆的另一端分别通过3个转动副(D1、D2、D3)与定位座(E1、E2、E3)相联构成所述的平面并联闭链机构B。
2、根据权利要求1所述的一种新型精密微操作机器人结构，其特征是：刚性固联在基座(1)上的定位座(2、5、22、24)与动平台(8)之间由4个定长杆(4、6、21、23)和一个中间支链相联，形成了空间并联闭链机构A，定长杆的一端与刚性固联在基座(1)上的定位座(2、5、22、24)上的平行板移动副通过虎克铰或球铰相联，另一端通过球铰与动平台(8)相联，中间支链一端与基座(1)刚性固联，另一端通过球铰与动平台(8)相联，中间为一随动柔性移动副；工作台(16)、定长杆(11、15、17)、定位座(9、14、18)形成了平面并联闭链机构B，定长杆的一端与刚性固联在“天花板”上的定位座(9、14、18)上的平行板移动副通过转动副相联，另一端通过转动副与工作台(16)相联。所述的“天花板”与机架(13)刚性固联，并与基座(1)平行，“天花板”中心开有一中心孔，工作台(16)位于“天花板”的上方，工作台的面积略大于“天花板”上的中心孔的面积。
3、根据权利要求1所述的一种新型精密微操作机器人结构，其特征是：工作台(32)、定长杆(28、41、47)、定位座(26、38、48)形成了平面并联闭链机构B，定长杆(28、41、47)的一端与刚性固联在机座(25)上的定位座(26、38、48)上的平行板移动副通过转动副相联，另一端通过转动副与工作台(32)相联；刚性固联在工作台(32)上的定位座(30、34、44、46)与动平台(36)之间由4个定长杆(33、40、43、45)和一个中间支链相联，形成了空间并联闭链机构A，定长杆(33、40、43、45)的一端与刚性固联在工作台(32)上的定位座(30、34、44、46)上的平行板移动副通过虎克铰或球铰相联，另一端通过球铰与动平台(36)相联，中间支链一端与工作台(32)刚性固联，另一端通过球铰与动平台(36)相联，中间为一随动柔性移动副。
4、根据权利要求1所述的一种新型精密微操作机器人结构，其特征是所述的球铰、虎克铰和转动副均为柔性铰结构，定位座中均设置有微位移驱动器。
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