四自由度四轴结构解耦并联微动机器人

摘要

一种四自由度四轴结构解耦并联微动机器人,其结构是运动工作台通过四支连杆与固定台连接,四支连杆与运动工作台的连接是分布在运动工作台三个互相垂直平面上的弹性铰链,四支连杆通过弹性铰链与固定台三个互相垂直平面上的弹性移动副连接,弹性移动副连接着微位移驱动器。本发明运动解耦,结构简单紧凑,能实现无摩擦、无间隙和高分辨率的解耦四维微动。本发明可广泛用于微动工作台、精细操作和加工领域。

说明书

本发明属于先进制造技术领域，特别涉及一种四自由度四轴结构解耦并联微动机器人。

实现精细操作的微动机器人正随着微米/纳米工程的深入而受到人们日益关注，利用柔性(或称弹性)铰链替代实际运动副使得并联结构微动机器人不仅消除了常规运动副所具有的间隙、摩擦、空回现象，而且充分发挥出并联机构高刚度、高精度等固有的品质特性。

六十年代初期，Ellis提出用并联机构作为微动操作机械手，并应用于生物技术和显微外科中。为了提高精度，Magnani和Pernette]研究了转动副、移动副、虎克铰和球铰的弹性结构形式(即柔性铰链)。Stoughton和Tanikawa用两个六自由度并联机构实现筷子操作运动；Hara和Hemini研究平面三自由度和六自由度微动机器人；Hudgens和Tesar研究的六自由度并联微操作器；Lee提出空间三自由度微动机器人结构；Parikian研究用Delta并联机构作为空间纯移动微动机器人的方案。

在国内，清华大学研制了微动工作台；《仪器仪表学报》NO.1，1996报道，哈尔滨工业大学研制了Stewart平台结构六自由度并联微动机器人；在申请号为99119320.2、99102421.4和99121020.4专利文件中公开了“并联解耦结构六维力与力矩传感器”和“具有弹性铰链六维力与力矩传感器”及“六自由度并联解耦结构微动机器人”。

尽管国内外有许多学者研究并联多自由度微动机器人，但是这些研究成果和专利技术存在的主要问题是有的结构复杂，有的标定困难，有的运动解耦难，尤其是目前国内外还没有提出或找到四自由度并联微动和结构解耦并联微动机器人机构。

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种四自由度四轴结构解耦并联微动机器人。

本发明的技术解决方案如下：

四自由度四轴结构解耦并联微动机器人的结构，包括固定台、运动工作台、连接固定台与运动工作台的四支连杆。运动工作台通过四支连杆与固定台连接，四支连杆与运动工作台的连接是分布在运动工作台三个互相垂直平面上的弹性铰链，四支连杆通过弹性铰链与固定台三个互相垂直平面上的弹性移动副连接，弹性移动副连接着微位移驱动器。

弹性铰链可以是弹性虎克铰，也可以是弹性球铰。

四支连杆分三组分别与运动工作台和固定台的三个互相垂直的平面连接，其中一组为双支连杆，两组为单支连杆。

四支连杆中，三支共面的连杆中的单支连杆的两端为弹性虎克铰，双支连杆中的一支连杆两端是弹性虎克铰，这三支共面连杆以外的单支连杆两端是弹性球铰，也可以一端是弹性球铰，一端是弹性虎克铰。

本发明与现有技术相比有如下优点：

本发明微动机器人具有运动解耦、结构简单紧凑、算法简单等优点，能实现无摩擦、无间隙和高分辨率的四维微动。该微动机器人的提出在先进制造技术领域中具有特别重要的意义，在精细操作和加工、纳米尺寸制造、微动工作台、集成电路制造、生物和遗传工程、显微外科等领域有广阔而明显的应用前景和实际应用价值。

附图的图面说明如下：

图1是FG4ADPMR-1型四自由度四轴结构解耦并联微动机器人结构示意图；

图2是FG4ADPMR-2型四自由度四轴结构解耦并联微动机器人结构示意图。

下面结合附图对本发明实施例作进一步详述：

实施例1：

FG4ADPMR-1型四自由度四轴结构解耦并联微动机器人的结构如图1所示，运动工作台(4)通过四支连杆(6)、(14)、(21)、(23)与由三个相互垂直的底面板(1)、侧面板(16)和背面板(10)组成的固定台相连接，四支连杆与运动工作台连接的四个运动副分布在运动工作台的三个互相垂直的平面上，四支连杆与固定台连接的四个运动副分布在固定台相互垂直的三个面板上。连杆(23)的一端与运动工作台(4)连接的是弹性球铰(22)，另一端与固定台上的弹性移动副(3)连接的是弹性球铰(24)，弹性移动副(3)连接着压电陶瓷微位移驱动器(2)。连杆(6)、(14)、(21)的一端与运动工作台(4)连接的是三个弹性虎克铰(5)、(15)、(17)，另一端与固定台上的三个弹性移动副(7)、(12)、(19)连接的是三个弹性虎克铰(9)、(13)、(20)，三个弹性移动副(7)、(12)、(19)分别连接着三个压电陶瓷微位移驱动器(8)、(11)、(18)。连杆(6)、(14)的一端并联在运动工作台背面上，另一端并联在固定台背面板(10)上的弹性移动副(7)和(12)上。

本发明微动机器人为一体化结构，运动工作台、有三个互相垂直平面的固定台、四支连杆及其弹性虎克铰、弹性球铰、弹性移动副均为一体。运动工作台(4)通过分布在固定台三个互相垂直平面(1)、(10)、(16)上的四个压电陶瓷微位移驱动器(2)、(8)、(11)、(18)驱动四个弹性移动副(3)、(7)、(12)、(19)实现沿X、Y、Z三轴移动和绕Z轴转动的四轴解耦微运动。

实施例2：

FG4ADPMR-2型四自由度四轴结构解耦并联微动机器人的结构如图2所示。运动工作台(43)通过四支连杆(45)、(29)、(35)、(41)与由三个相互垂直的底面板(25)、侧面板(34)和背面板(39)组成的固定台相连接，四支连杆与运动工作台连接的四个运动副分布在运动工作台的三个互相垂直的平面上，四支连杆与固定台连接的四个运动副分布在固定台相互垂直的三个面板上。连杆(29)、(35)与运动工作台(43)和固定台上的弹性移动副(27)、(32)的连接的是弹性球铰(30)、(36)和((28)、(33)，弹性移动副(27)、(32)连接着压电陶瓷微位移驱动器(26)、(31)。连杆(41)、(45)与运动工作台(43)和固定台上的弹性移动副(42)、(47)的连接是弹性虎克铰(37)、(44)和(38)、(46)，弹性移动副(42)、(47)分别连接着压电陶瓷微位移驱动器(40)、(48)。连杆(45)、(29)的一端并联在运动工作台的底面，另一端分别并联在固定台底面板(25)的弹性移动副(47)、(27)上。

本发明微动机器人为一体化结构，运动工作台、有三个互相垂直平面的固定台、四支连杆及其弹性虎克铰、弹性球铰、弹性移动副均为一体。运动工作台(43)通过分布在固定台三个互相垂直平面(25)、(34)、(39)上的四个压电陶瓷微位移驱动器(48)、(26)、(31)、(40)驱动四个弹性移动副(47)、(27)、(31)、(42)实现沿X、Y、Z三轴移动和绕X轴转动的四轴解耦微运动。