CN203712690U - 基于压电陶瓷驱动的6-sps型微动并联机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于压电陶瓷驱动的6-SPS型微动并联机器人，包括平行设置的工作台和底座、设置于工作台下方的工作台底盖、设置于底座上方的底座盖、以及设置于工作台底盖和底座盖上的六个并联设置的支链，工作台底盖和底座盖内分别固定设有六个斜块，支链包括压电陶瓷联动杆和分别设于压电陶瓷联动杆上下两端的上部柔性铰链和下部柔性铰链，六个压电陶瓷联动杆上分别电性连接有压电陶瓷位移驱动器。本实用新型集精密机械、驱动和测量反馈技术于一体，实现了机构、驱动、检测一体化的设计，具有体积小、结构紧凑、刚度大、频响高等优点，并可实现纳米级的定位精度。

Description

基于压电陶瓷驱动的6-SPS型微动并联机器人

技术领域

本实用新型涉及微驱动技术与并联机器人技术领域，特别是涉及一种基于压电陶瓷驱动的6-SPS型微动并联机器人。 

背景技术

微定位系统和并联运动机构是当今科学研究和工程应用领域新的热点。微驱动技术与并联机器人技术交叉结合所产生的微动并联机器人已经成为一个热门课题，目前关于微动并联机器人的研究开发和应用日益广泛，应用的领域也在不断拓展，微动并联机器人的应用主要集中在空间、隔振、医疗、光学、工业等领域。 

现有技术中，如燕山大学研制了一种各向同性的六自由度微动并联机器人（专利号：CN 202428438 U），该机器人通过放在平行板柔性移动副框架结构中部的压电陶瓷驱动，由推杆放大位移，将位移传递给平行板柔性移动副，实现工作平台的移动，该微动机器人虽有较好的位移解耦性，但结构复杂。北京理工大学研制出一种3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人（专利号：CN 1788942A）,该实用新型虽然具有较大范围的工作空间，但由于该机器人系统中含有静压丝杠螺母机构，在运动过程中不可避免的存在传动间隙，影响传动精度，此外，该机器人还具有液压供油装置，使得整个微动机器人体积较大，限制了其在一些尺寸有要求场合的使用。哈尔滨工业大学研制出一种三支链六自由度并联柔性铰链微动机构（专利号：CN 1962209A），从空间结构上看，该机器人属于6-PSS型微动并联机器人，压电陶瓷布置在底座上，压电陶瓷的输出经过弹性平行板传递到与之相连的连接座上，然后两端带柔性铰链的支撑杆件再将连接座和上平台连接起来，这种机构形式传动链长， 误差因素多，而且底座较大，加工困难。 

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于压电陶瓷驱动的6-SPS型微动并联机器人。 

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于压电陶瓷驱动的6-SPS型微动并联机器人，其具有体积小、结构紧凑、刚度大、频响高等优点，并可实现纳米级的定位精度。 

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供的技术方案如下： 

一种基于压电陶瓷驱动的6-SPS型微动并联机器人，包括平行设置的工作台和底座、设置于工作台下方的工作台底盖、设置于底座上方的底座盖、以及设置于工作台底盖和底座盖上的六个并联设置的支链，所述工作台底盖和底座盖内分别固定设有六个斜块，工作台底盖上斜块的下表面和底座盖上斜块的上表面为一一对应倾斜设置，所述支链包括压电陶瓷联动杆和分别设于压电陶瓷联动杆上下两端的上部柔性铰链和下部柔性铰链，所述上部柔性铰链与工作台底盖上的斜块固定安装，下部柔性铰链与底座盖上的斜块固定安装，所述六个压电陶瓷联动杆上分别电性连接有压电陶瓷位移驱动器。 

作为本实用新型的进一步改进，所述上部柔性铰链和下部柔性铰链分别包括对应设置的第一主体部和第二主体部、固定连接在第一主体部和第二主体部中央的连接部、设置于第一主体部外侧中央位置的第一安装部、以及设置于第二主体部外侧中央位置的第二安装部，所述第一安装部与斜块固定安装，第二安装部与压电陶瓷联动杆固定安装。 

作为本实用新型的进一步改进，所述上部柔性铰链和下部柔性铰链为球面副柔性铰链，所述连接部的横截面为圆形，且横截面从两端至中间半径逐渐减小，连接部的纵剖面为两边呈圆形向内凹陷设置。 

作为本实用新型的进一步改进，所述横截面的最小半径为0.5mm，纵剖面向内凹陷的圆形半径为1mm。 

作为本实用新型的进一步改进，所述下部柔性铰链上第一安装部的长度长于上部柔性铰链上第一安装部的长度。 

作为本实用新型的进一步改进，所述下部柔性铰链与斜块之间设有套设于第一安装部上的调整垫片。 

作为本实用新型的进一步改进，所述压电陶瓷联动杆包括基座、设于基座上的套管、设于套管上的预紧头和连接头、设于套管内的压电陶瓷、以及设于套管内位于压电陶瓷和预紧头之间的填充物。 

作为本实用新型的进一步改进，所述底座盖上设有若干用于和外部压电陶瓷位移驱动器电性连接的插座，所述插座通过电线与所述压电陶瓷电性连接。 

作为本实用新型的进一步改进，所述工作台上安装有位移测量模块。 

本实用新型基于压电陶瓷驱动的6-SPS型微动并联机器人集精密机械、驱动和测量反馈技术于一体，实现了机构、驱动、检测一体化的设计，具有体积小、结构紧凑、刚度大、频响高等优点，并可实现纳米级的定位精度。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为本实用新型一实施方式中6-SPS型微动并联机器人的立体结构示意图； 

图2a、2b分别为本实用新型一实施方式中上部柔性铰链的侧视图和主视图； 

图3a、3b分别为本实用新型一实施方式中下部柔性铰链的侧视图和主视图； 

图4为柔性铰链建模参数图； 

图5为本实用新型一实施方式中压电陶瓷联动杆的结构示意图； 

图6为本实用新型一实施方式中支链装配体结构示意图； 

图7为本实用新型一实施方式中斜块结构示意图； 

图8为本实用新型一实施方式中6-SPS型微动并联机器人的装配结构示意图。 

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。 

为了实现精密机械、驱动和测量反馈技术于一体，实现机构、驱动、检测一体化的设计，使机器人具有误差因素少，集成度高，微位移检测可靠性和精度好，结构紧凑，加工安装方便等优点。本实用新型提出一种采用闭环压电陶瓷驱动，压电陶瓷既作为驱动元件又作为支撑杆件，同时完成检测功能的基于压电陶瓷驱动的6-SPS型微动并联机器人。 

参图1所示，该6-SPS型微动并联机器人由工作台1、工作台底盖2、斜块3、上部柔性铰链4、压电陶瓷联动杆5、下部柔性铰链6、调整垫片7、底座盖8、插座9、底座10共10个部分组成。 

本实用新型中6-SPS型微动并联机器人包括平行设置的工作台1和底座10、设置于工作台1下方的工作台底盖2、设置于底座10上方的底座盖8、以及设置于工作台底盖2和底座盖8上的六个并联设置的支链，工作台底盖2和底座盖8内分别固定设有六个斜块3，工作台底盖2上斜块的下表面和底座盖8上斜块的上表面为一一对应倾斜设置。其中支链包括压电陶瓷联动杆5和分别设于压电陶瓷联动杆上下两端的上部柔性铰链4和下部柔性铰链6，上部柔性铰链4与工作台底盖2上的斜块3固定安装，下部柔性铰链6与底座盖8上的斜块3固定安装，下部柔性铰链6与斜块3之间设有调整垫片7。六个压电陶瓷联动杆5上分别电性连接有压电陶瓷位移驱动器(未图示)，底座盖8上设有若干用于和外部压电陶瓷位移驱动器电性连接的插座9，插座9通过电线与压电陶瓷联动杆电性连接。 

在本实用新型一优选实施方式中，具体装配关系如下： 

工作台1与工作台底盖2通过内六角圆柱头螺钉连接，斜块3通过圆柱销定位，用内六角圆柱头螺钉固定在工作台1上，斜块3的具体结构参图7所示； 

上部柔性铰链4（铰链采用尼龙材料）一端与斜块3的斜面间隙配合，并通过锥端紧定螺钉预紧，防止工作过程中铰链松动，另一端与压电陶瓷5通过螺纹连接（压电陶瓷选用苏州博实机器人技术有限公司的SZBS 150/7/40 VS12型号）。下铰链6的一端与压电陶瓷螺纹连接，另一端与斜块的斜面间隙配合，由锥端紧定螺钉固定斜块3与下部柔性铰链6的相对位置。下部柔性铰链6与斜块3之间有调整垫片7，在装配过程中修配调整，保证各构件的空间位置； 

斜块3与底座10用圆柱销轴定位并用内六角螺钉连接，底座10和底座盖8之间用内六角螺钉连接。 

结合图2a、图2b，上部柔性铰链4包括对应设置的第一主体部41和第 二主体部42、固定连接在第一主体部41和第二主体部42中央的连接部43、设置于第一主体部41外侧中央位置的第一安装部44、以及设置于第二主体部42外侧中央位置的第二安装部45，第一安装部44与工作台底盖2上的斜块3固定安装，第二安装部45与压电陶瓷联动杆5固定安装。 

在本实施方式中第二安装部45为M3螺纹，第一安装部44为Φ6光轴。对柔性铰链进行建模分析，如图4选取最优解R=1mm、r=0.5mm。考虑到尼龙材料具有比较好的法向受力能力，很小的扭转和弯曲刚度，是作为柔性铰链理想的材料。 

结合图3a、图3b，下部柔性铰链6包括对应设置的第一主体部61和第二主体部62、固定连接在第一主体部61和第二主体部62中央的连接部63、设置于第一主体部61外侧中央位置的第一安装部64、以及设置于第二主体部62外侧中央位置的第二安装部65，第一安装部64与底座盖8上的斜块3固定安装，第二安装部65与压电陶瓷联动杆5固定安装。 

同样地，第二安装部65为M3螺纹，第一安装部64为Φ6光轴。对柔性铰链进行建模分析，如图4选取最优解R=1mm、r=0.5mm。材料同样选取尼龙材料。 

由于下部柔性铰链6与斜块3之间垫调整垫片7，所以第一安装部64光轴比上部柔性铰链第一安装部44光轴长2mm。 

结合图5所示，压电陶瓷联动杆5包括基座56、设于基座56上的套管54、设于套管54上的预紧头52和连接头51、设于套管54内的压电陶瓷55、以及设于套管54内位于压电陶瓷55和预紧头52之间的填充物53。将压电陶瓷封装在机械结构内，可以提高压电陶瓷的可靠性、稳定性和可安装性。 

结合图6所示，支链由斜块3、上部柔性铰链4、压电陶瓷联动杆5、下部柔性铰链6、调整垫片7共五部分组成。六条支链既作为支撑杆件，又可提供动力，还传递运动，集成度高。 

该6-SPS型压电陶瓷驱动微动并联机器人的装配可按照以下步骤实现： 

斜块和工作台之间用圆柱销定位，并用内六角圆柱头螺钉将两者固定，此时螺钉无需拧紧，且只需拧上任意斜对角的两个螺钉即可，按照此方法完成六个斜块与工作台的装配，斜块与工作台的位置关系参照图8； 

按照上述方法完成六个斜块与底座之间的装配，位置关系参照图8； 

在压电陶瓷联动杆的两端分别旋上上部柔性铰链和下部柔性铰链，组成六个传动链，旋紧时不破坏柔性铰链； 

在下部柔性铰链光轴一端套上调整垫片，分别将上下部柔性铰链光轴一端嵌入工作台上的斜块及底座上的斜块中，位置关系如图8； 

调整六个传动链的位置，如不能实现上平台与底座之间平行对称的位置关系，卸下调整垫片修磨，重复上述操作直到满足要求的空间位置关系； 

最后将锥端紧定螺钉拧入斜块侧边的螺纹孔中，顶紧铰链，固定铰链的位置，防止微动机器人工作时铰链转动； 

卸下工作台与斜块之间的螺钉，移去工作台，套上工作台底盖，再将工作台与底盖合上，用螺钉将两者固定； 

工作台与斜块之间用螺钉拧上，此时所有螺钉全部拧紧； 

同样取下底座，套上底座盖，将底座与底座盖合上，拧紧连接斜块与底座的所有螺钉及连接底座和底座盖的所有螺钉，完整视图见图1。 

在工作台上安装测量模块，根据并联机器人的运动学反解建模公式和压电陶瓷的实际能输出的最大位移范围，各个轴独立运动时输入使压电陶瓷中任意一条支路伸长量达到做大位移时驱动电压值，这时测得数值便是某个轴单独运动时的最大运动范围。机器人的分辨率和重复定位精度采用两台德国SIOS公司生产的小型激光干涉仪，型号为AE SP 500E，测量范围为500mm，测量分辨率为1.24nm，测试时在恒温隔振环境中进行。直线测量采用一台干涉仪进行直接测量，角度测量采用两台干涉仪进行间接测量。测试前需要在 机器人工作台面上的适当位置粘贴反射镜片。由于受测量设备数量限制，每次只测量一个参数。测量方案与测量机器人运动范围类似，只是将测量支架改为反射镜片，本实用新型中机器人性能测试结果见表1。 

表1机器人性能测试 

测试目标轴	运动范围	运动分辨率	重复定位精度
				X轴	±48μm	15nm	54nm
Y轴	±53μm	15nm	56nm
				Z轴	±16μm	6nm	26nm
θx轴	±0.5mrad	0.1μrad	0.27μrad
				θy轴	±0.5mrad	0.1μrad	0.29μrad
θz轴	±1.48mrad	0.3μrad	0.88μrad

与串联机器人相比并联机器人有刚度高，惯性低，精度高，误差无积累，运动学反解方便等显著特点；综合国内外的研究现状及应用现状，主要有以下几种微位移制动器应用于纳米级精密定位领域中：电磁引力驱动方式，静电力驱动方式，压电效应驱动方式，形状记忆效应驱动方式，磁致伸缩效应驱动方式，音圈电机，热膨胀效应驱动方式。 

压电陶瓷致动器仅依靠控制外加电场的大小就能够达到非常小的位移分辨率（亚纳米级），压电陶瓷制动器在超精密定位和微位移控制中具有其他致动器无法比拟的优点，如体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效率高、静态不发热等，是微位移技术中比较理想的制动元件；虽然压电陶瓷存在许多优异的性能，但在微纳运动中存在着只能在给定电压下产生推力，在受到拉力、扭力和剪切力等外力作用时其内部结构易损坏的问题，将压电陶瓷封装在机械结构内，从而提高压电陶瓷的可靠性、稳定性和可安装性；球面副柔性铰链用于绕轴做复杂运动的有限角位移，它的特点是：体积小，无机械摩擦，无间隙，运动灵敏度高，有较好的刚度和抗疲劳强度，适于位置控制、存储释放能量以及实现高频周期性振动等。 

综上所述，本实用新型基于压电陶瓷驱动的6-SPS型微动并联机器人集精密机械、驱动和测量反馈技术于一体，实现了机构、驱动、检测一体化的设计，具有体积小、结构紧凑、刚度大、频响高等优点，并可实现纳米级的定位精度。 

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。 

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。 

Claims (7)

1.一种基于压电陶瓷驱动的6-SPS型微动并联机器人，包括平行设置的工作台和底座、设置于工作台下方的工作台底盖、设置于底座上方的底座盖、以及设置于工作台底盖和底座盖上的六个并联设置的支链，所述工作台底盖和底座盖内分别固定设有六个斜块，工作台底盖上斜块的下表面和底座盖上斜块的上表面为一一对应倾斜设置，所述支链包括压电陶瓷联动杆和分别设于压电陶瓷联动杆上下两端的上部柔性铰链和下部柔性铰链，所述上部柔性铰链与工作台底盖上的斜块固定安装，下部柔性铰链与底座盖上的斜块固定安装，所述六个压电陶瓷联动杆上分别电性连接有压电陶瓷位移驱动器，其特征在于，所述上部柔性铰链和下部柔性铰链分别包括对应设置的第一主体部和第二主体部、固定连接在第一主体部和第二主体部中央的连接部、设置于第一主体部外侧中央位置的第一安装部、以及设置于第二主体部外侧中央位置的第二安装部，所述第一安装部与斜块固定安装，第二安装部与压电陶瓷联动杆固定安装，所述上部柔性铰链和下部柔性铰链为球面副柔性铰链，所述连接部的横截面为圆形，且横截面从两端至中间半径逐渐减小，连接部的纵剖面为两边呈圆形向内凹陷设置。 

2.根据权利要求1所述的6-SPS型微动并联机器人，其特征在于，所述横截面的最小半径为0.5mm，纵剖面向内凹陷的圆形半径为1mm。 

3.根据权利要求1所述的6-SPS型微动并联机器人，其特征在于，所述下部柔性铰链上第一安装部的长度长于上部柔性铰链上第一安装部的长度。 

4.根据权利要求3所述的6-SPS型微动并联机器人，其特征在于，所述下部柔性铰链与斜块之间设有套设于第一安装部上的调整垫片。 

5.根据权利要求1所述的6-SPS型微动并联机器人，其特征在于，所述压电陶瓷联动杆包括基座、设于基座上的套管、设于套管上的预紧头和连接头、设于套管内的压电陶瓷、以及设于套管内位于压电陶瓷和预紧头之间的填充物。 

6.根据权利要求5所述的6-SPS型微动并联机器人，其特征在于，所述底座盖上设有若干用于和外部压电陶瓷位移驱动器电性连接的插座，所述插座通过电线与所述压电陶瓷电性连接。 

7.根据权利要求1所述的6-SPS型微动并联机器人，其特征在于，所述工作台上安装有位移测量模块。