专利名称：五维正交结构微纳操作台的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机器人技术领域的装置，具体地说，涉及的是一种五维 正交结构微纳操作台。
背景技术：
并联微操作机器人具有亚微米至纳米级的定位精度，在精密加工、电子封 装、光纤对接、生物与遗传工程、材料科学和航空航天等领域中均具有广阔的应 用前景，并且更是国内外学者关注的课题。自从在1962年，Ellis首先提出了采 用压电陶瓷驱动的微操作机器人后，微动机器人的研究引起了国内外学者的重 视。1989年Hara和Sugimoto提出并研究了一种用柔性铰链代替传统铰链的微动 机器人；斯陶顿(Stoughton)设计了一种由两个并联机构组成的微动机器人， 每个并联机构有六个压电式元件组成；荷兰的Kallio研制出了由液压驱动系统驱 动的3-D0F并联微动机器人；瑞士的Pernette等设计了一种并联6-D0F微动机器 人，用于在继承光纤底片上定位单模光纤。在国内高峰等研制出了一种采用压电 陶瓷驱动器的6-D0F全柔性并联微操作机器人，其特点是采用了 PSS支链构成的 2-2-2正交结构。刘平安等研究了一种两平移一转动结构的二自由度并联微动机 器人。这些微动机器人存在的主要问题是有的结构复杂，有的标定闲难，有的 位移解耦难。
经对现有技术的文献检索发现，杨启志等在《农业机械学报》2006年10月第 37巻第10期第112页上发表的"非对称二平移并联机构的运动条件设计"，该文 中提出依据螺旋理论设计一种新型非对称的三平移并联机构，其不足在于结构不 对称，不能实现各向同性，标定困难。并且目前微动机器人的研究还主要集中在 三自由度微动机器人和六自由度微动机器人，对具有四自由度和五自由度的微动 机器人的研究还很少。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种五维正交结构微纳操作 台。此操作台具有五自由度，且具有结构解耦，刚度高，承载能力强，无滞后现 象等优点，真正实现了机构的一体化设计和制作。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括基座、工作台、 一个P-4S (1个移动副和4个球副)支链、压电陶瓷驱动器和四个PSS (1个移动副和2个 球副)支链。基座与工作台之间通过一个由柔性铰链构成的P-4S支链和两对PSS 支链相连，每对PSS支链由两个平行且同向的PSS支链组成。在每个支链相对应 基座上各设有一个平行板弹性移动副并通过弹性球铰与工作台相连接。每个弹性 平行板移动副各配置一个压电陶瓷驱动器，且其轴线分别与x，y，z三个坐标轴相 平行，分别代表直线方向、水平线方向和垂直线方向。在单个压电陶瓷驱动器驱 动的Z方向上，基座与工作台之间由一个P-4S支链连接，在双压电陶瓷驱动器驱 动的X和Y方向上，基座与工作台之间分别由两个PSS柔性支链连接。每两个PSS 支链相互平行且分别沿与两个p-4s支链相垂直的方向布置。初始位置各组支链的 对称轴线相互垂直。通过一个p-4s支链和四个pss支链对工作台1进行驱动，实 现沿X、 Y、 Z三个方向的移动及绕Z轴和Y轴的转动。
所述每一个p-4s支链包括第一弹性平行板移动副、第一连杆、第一球 铰、第二球铰、第三球铰、第四球铰、第二连杆、第三连杆、第四连杆和第五连 杆。第一球铰、第二球铰、第二球铰及第四球铰和第一连杆、第二连杆、第三连 杆和工作台组成4s机构，每一个弹性4s机构通过第二球铰及第三球铰和工作台 相连，通过第一球铰及第四球铰与第一连杆相联。弹性4s机构和第一弹性平行板 移动副通过第一连杆相连，第一弹性平行板移动副通过第四连杆和第五连杆与基 座相连。
所述每一个pss支链包括第二弹性平行板移动副、第五球铰、第六球铰、 第六连杆、第七连杆和第八连杆。第五球铰和第六球铰之间通过第六连杆相连，
第六球铰直接与第二弹性平行板移动副相连。整个pss支链通过第五球铰和工作
台相连，通过第七连杆和第八连杆与基座相连。
4本发明整个机构本体由一块材料整体切割而成，在每个支链相对应基座上直 接加工出五个平行板弹性移动副，并配置五个压电陶瓷驱动器，通过一个P-4S支 链和四个PSS支链对工作台进行驱动，以实现沿X、 Y、 Z三个方向的移动及绕Z 轴和Y轴的转动。本发明可以实现无摩擦、无间隙、无润滑和无滞后现象的三维 移动和二维转动，可广泛应用于光纤对接、纳米压印、生命与遗传工程和微装配 等领域。
图1为五维正交结构微纳操作台示意图 图2为P-4S支链的结构简图 图3为PSS支链的结构简图
图中1为基座，2为工作台，3为P-4S支链，4为压电陶瓷驱动器，5为 PSS支链，6为第一连杆，7为第一球铰，8为第二连杆，9为第二球铰，11为第 三球铰，12为第三连杆，13为第四球铰，14为第四连杆，15为第五连杆，16为 第一弹性平行板移动副，18为第五球铰，19为第六连杆，20为第六球铰，21 为第二弹性平行板移动副，20为第七连杆，17为第八连杆。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
如图1所示，本实施例五维正交结构微纳操作台器人可以实现三维移动和二 维转动，其本体是一次加工成型的非组装件，包括基座1、工作台2、 一个P-4S 支链3、压电陶瓷驱动器4和四个PSS支链5。基座1与工作台2之间通过一个由 柔性铰链构成的P-4S支链3和两对PSS支链相连，每对PSS支链由两个平行且同 向的PSS支链5组成。在五个支链相对应的基座1上直接加工出五个弹性平行板 移动副并通过整体加工出的弹性球铰与工作台2相连接。每个弹性平行板移动副 配置一个压电陶瓷驱动器4，压电陶瓷驱动器4的伸縮方向与弹性平行板移动副的 移动方向相同。在单个压电陶瓷驱动器4驱动的Z方向上，基座1与工作台2之 间由一个P-4S支链3连接；在双压电陶瓷驱动器4驱动的X和Y方向上，基座1与工作台2之间分别由两个PSS支链5连接。通过一个P-4S支链3和四个PSS支 链5对工作台2进行驱动，以实现沿X、 Y、 Z三个方向的移动及绕Z轴和Y轴的 转动。
在初始位置，两对PSS支链的轴线方向分别与整个正交结构微纳操作台的X 轴和Y轴平行，P-4S支链3的轴线方向与整个正交结构微纳操作台的Z轴平行， 各组支链轴线方向相互垂直布置。压电陶瓷驱动器4的驱动方向始终与坐标系轴 线方向相平行。
如图2所示，为P-4S支链3的局部结构图。每一个P-4S支链3由以下几部 分组成第一弹性平行板移动副16、第一连杆6、第一球铰7、第二球铰9、第三 球铰11及第四球铰13、第二连杆8、第三连杆12、第四连杆14和第五连杆15。 第一球铰7、第二球铰9、第三球铰11及第四球铰13和第一连杆6、第二连杆 8、第三连杆12和工作台2组成4S机构，每一个弹性4S机构通过第二球铰9及 第三球铰11和工作台2相连，通过第一球铰7及第四球铰13与第一连杆6相 联。弹性4S机构和第一弹性平行板移动副16通过第一连杆6相连，第一弹性平 行板移动副16通过第四连杆14和第五连杆15与基座1相连。
如图3所示，为PSS支链5的局部结构图。每一个PSS支链5由以下几部分 组成第二弹性平行板移动副21、第五球铰18、第六球铰20、第六连杆19、第 七连杆10和第八连杆17。第五球铰18和第六球铰20之间通过第六连杆19相 连，第六球铰20直接与第二弹性平行板移动副21相连。整个PSS支链通过第五 球铰18和工作台2相连，通过第七连杆10和第八连杆17与基座1相连。
加电使每个压电陶瓷驱动器4都处于半行程状态以确定初始零点，需要进行 正负方向的移动时只需增加或降低相应方向上压电陶瓷驱动器4的电压即可。进 行标定时可先用几何方法算出各方向上的理论行程，然后通过ANSYS有限元分析 及实际测量进行补偿。当轴线与X轴平行的一对PSS支链在沿轴线X方向的位移 相同时，则此微纳操作台可以沿X方向的移动，而当相互平行的两个PSS支链沿 轴线X方向的位移不同时，则可能同时产生绕Y轴的转动和沿X轴的移动或者绕Y 轴的纯转动。当轴线与Y轴平行的一对PSS支链在沿轴线Y方向的位移相同时， 则此微纳操作台可以沿Y方向的移动，而当相互平行的两个PSS支链沿轴线Y方向的位移不同时，则可能同时产生绕Z轴的转动和沿Y轴的移动或者绕Z轴的纯 转动。由于P-4S支链缺少一个绕其4S机构所在平面法线的旋转自由度，所以此 微纳操作台只能实现沿X、 Y、 Z三个方向的移动及沿Y轴和Z轴的转动。这种微 纳操作台实现了机构的一体化设计和制造，并且具有结构简单、位移解耦、无间 隙、不需润滑和承载能力大等优点。
权利要求
1、一种五维正交结构微纳操作台，其特征在于包括基座、工作台、一个P-4S支链、压电陶瓷驱动器和四个PSS支链，基座与工作台之间通过一个P-4S支链和两对PSS支链相连，每对PSS支链由两个平行且同向的PSS支链组成，在每个支链相对应基座上各设有一个平行板弹性移动副，每个弹性平行板移动副各设置一个压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器的伸缩方向与弹性平行板移动副的移动方向相同，在单个压电陶瓷驱动器驱动的Z方向上，基座与工作台之间由一个P-4S支链连接；在双压电陶瓷驱动器驱动的X和Y方向上，基座与工作台之间分别由两个PSS支链连接，每两个PSS支链相互平行且分别沿与两个P-4S支链相垂直的方向布置，初始位置各组支链的对称轴线相互垂直。
2、 根据权利要求1所述的五维正交结构微纳操作台，其特征是，所述每一个 P-4S支链包括第一弹性平行板移动副、第一连杆、第一球铰、第二球铰、第三 球铰、第四球铰、第二连杆、第二连杆、第四连杆和第五连杆，其中第一球铰、 第二球铰、第三球铰及第四球铰和第一连杆、第二连杆、第三连杆和工作台组成 4S机构，每一个弹性4S机构通过第二球铰及第二球铰和工作台相连，通过第一球 铰及第四球铰与第一连杆相联，弹性4S机构和第一弹性平行板移动副通过第一连 杆相连，第一弹性平行板移动副通过第四连杆和第五连杆与基座相连。
3、 根据权利要求1所述的五维正交结构微纳操作台，其特征是，所述每一个 PSS支链包括第二弹性平行板移动副、第五球铰、第六球铰、第六连杆、第七连 杆和第八连杆，其中第五球铰和第六球铰之间通过第六连杆相连，第六球铰直接 与第二弹性平行板移动副相连，整个PSS支链通过第五球铰和工作台相连，并通 过第七连杆和第八连杆与基座相连。
全文摘要
本发明涉及一种机器人技术领域的五维正交结构微纳操作台，包括基座、工作台、一个P-4S支链、压电陶瓷驱动器和四个PSS支链，在每个支链相对应基座上各设一个平行板弹性移动副，每个弹性平行板移动副各设置一个压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器的伸缩方向与弹性平行板移动副的移动方向相同，在单个压电陶瓷驱动器驱动的Z方向上，基座与工作台由一个P-4S支链连接；在双压电陶瓷驱动器驱动的X和Y方向上，基座与工作台分别由两个PSS支链连接，每两个PSS支链相互平行且分别沿与两个P-4S支链相垂直的方向布置，初始位置各组支链的对称轴线相互垂直。本发明结构简单、位移解耦、承载能力大，可实现无摩擦、无间隙的5自由度微动。
文档编号B25J9/06GK101530999SQ200910049398
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者金 冯, 刘仁强, 义 岳, 赵现朝, 峰 高 申请人:上海交通大学