专利名称：一种并－并联式微操作并联机器人机械结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微操作并联机器人结构，微操作并联机器人是一种用于生物工程中的细胞操作以及微型机械的装配等微操作的机电一体化装置。
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，促进了微操作操作器系统的发展。微操作操作器系统的研究受到各发达国家的广泛重视。由于并联机构运动精度高，动力学性能好，被用来作为微操作器机器人机械结构。
并联机器人是由工作盘、底盘和连接两盘的若干封闭的运动链组成的机械装置；它的每个运动链由两个以上的杆件组成并由一个驱动器驱动。由于每个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，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。
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1.并-并联结构。图5所示的并-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。进行生物微操作时，两根针状的操作指中的一根相当于探针，另一根相当于手术刀。这种结构方式的优点是两个操作指可以各自独立运动。缺点是由于两个并联机构在运动学上分别属于两个坐标系，两个操作指的协调控制难度较大。有文献认为，并-并联结构不适合作为微操作机器人机械结构。
2.串-并联结构。图6所示的串-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。其结构特点是下工作盘既作为上部并联机构的底盘又是下部并联机构的工作盘。与前者相比，它的两个操作指可以联动，动作容易协调，其动作原理很象人手操作两根筷子如图7所示。图6中的上工作盘2与下工作盘3及连接它们的若干运动链组成上部并联机构；下工作盘3与底盘5及连接它们的若干运动链共同组成下部并联机构。上工作盘作为上部并联机构的工作盘，其上安装一个上工作盘操作指6，该操作指的功能相当于图7中食指一侧的筷子；下工作盘作为下部并联机构的工作盘，其上安装一个下工作盘操作指1，该操作指的功能相当于图3中拇指一侧的筷子。但是6自由度结构复杂，控制困难。
发明内容
本发明的目的在于开发一种微操作机器人，要求每个操作指有3个自由度，工作空间应大于150×150×30μm，指尖运动的分辨率不低于0.1μm。
本发明提供了一种并-并联式微操作机器人机械结构，其技术方案如图1所示，它是由两个并联机构相互并联构成，整个机构设置在底盘5上；并联机构包括有工作盘、底盘5、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，相互并联的两个并联机构共用一个底盘5；上工作盘2通过3条运动链与底盘5连接，构成第1个并联机构；下工作盘3通过另外3条运动链与底盘5连接，构成第2个并联机构；每个并-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并联组成；每个3自由度并联机构具有3条运动链；每个工作盘上安装一个随着工作盘一起运动的操作指，其中操作指1穿过但并不与其接触的上工作盘2安装在下工作盘3上。
如图2所示，所述的每个并联机构中的运动链由被压电执行器9驱动的微位移放大器4、连接在微位移放大器4上的刚性杆8以及与工作盘连接的钢丝7构成。
如图3所示，所述的微位移放大器由一整块弹性金属加工而成的底座11、底座11上的用来安装压电执行器时对之加预紧力的螺孔12、围绕单轴柔性铰链14摆动的摆杆13以及确保与压电执行器的接触位置不变的刃口15组成。
本发明主要解决的问题和达到的发明效果如下1.由于并联机构刚性好、结构紧凑、运动分辨率高、响应快的特点，因此采用并联机构作为微操作机器人结构的基础单元。
2.由于压电执行器具有体积小、出力大、分辨率和频响高，并且不发热、无噪声，易于控制的特点，确定采用压电执行器驱动。压电执行器位移输出仅为10～20μm。为使微操作机器人具有较大的工作空间，需要对压电执行器位移进行放大。考虑到柔性铰链无机械摩擦、磨损，无间隙、运动灵敏度高，而且体积小，结构紧凑的特点，采用基于柔性铰链的微位移放大器以使微操作机器人获得较大的工作空间。由于压电执行器不能承受弯矩和拉力，局部应力集中也会造成损坏。微位移放大器既用来放大压电执行器的微位移，也起到保护压电执行器的作用。
3.本发明的结构保证了两个相互并联的并联机构在运动学上具有同一个参考坐标系，保证了两个操作指可以各自独立运动，解决了以往并-并联结构中两个操作指的协调控制难的问题。
4.本发明中运动链由被压电执行器9驱动的微位移放大器4、连接在微位移放大器4上的刚性杆8以及与工作盘连接的钢丝7构成，在此用钢丝代替球铰链。这种代替保证了运动精度的同时，而且解决了尺寸微小的球铰链制造困难的问题。
图1本发明并-并联式微操作机器人结构原理图；1下工作盘操作指、2上工作盘、3下工作盘、5底盘、6上工作盘操作指；图2本发明并-并联式微操作机器人的一条运动链结构原理图；4微位移放大器、7钢丝、8刚性杆、9压电执行器、10球头顶丝图3微位移放大器结构原理图；11底座、12螺孔、13摆杆、14单轴柔性铰链、15刃口；图4本发明并-并联式微操作机器人运动原理图图5现有技术并-并联式微操作机器人结构原理图；图6现有技术串-并联式微操作机器人结构原理图；图7人手使用筷子的动作原理图；具体实施方式
本发明设计了一种“并-并联”式微操作机器人结构，如图1所示，该结构方式由两个3自由度并联机构相互并联而成。上工作盘2通过3条运动链与底盘5连接，构成第1个并联机构；下工作盘3通过另外3条运动链与底盘5连接，构成第2个并联机构。底盘5为两个并联机构所共有。参考坐标系原点位于底盘上表面的中心，z坐标轴与下工作盘操作指重合，x坐标轴通过第1个并联机构中的某一条运动链与底盘的接点，y坐标轴位于底盘上表面内并与x坐标轴垂直。这样，两个并联机构就有同一个参考坐标系。对两个操作指的协调控制就变得容易。第1个并联机构的运动链与第2个并联机构的运动链在底盘上沿圆周相间排列，相互间隔60°。支撑上工作盘的3条运动链穿过下工作盘但不与之接触；安装在下工作盘上的操作指1穿过上工作盘也不与之接触。由此保证两根操作指可以独立运动。
所有运动链结构相同，由微位移放大器4、刚性杆8和一段钢丝7组成。只是连接上工作盘的运动链中的刚性杆比另一组运动链中的刚性杆略长。运动链通过钢丝与工作盘连接，通过微位移放大器4的底座11与底盘5连接。
微位移放大器由底座11、螺孔12、摆杆13和单轴柔性铰链14组成。微位移放大器的类似于天平的“刃口”15确保与压电执行器的接触位置不变，以保证稳定的放大倍数。微位移放大器内装有压电执行器9，当压电执行器在驱动电压作用下伸长，推动摆杆13围绕单轴柔性铰链14摆动，带动与之相连的刚性杆8和钢丝7运动。压电执行器的微位移得以放大输出。因为一般压电执行器的微位移只有10～20μm。可以认为刚性杆和钢丝的运动方向是垂直向上的。柔性铰链微位移放大器4与刚性杆合在一起等效于图1中杆长度的变化。
微位移放大器上的螺孔用来安装压电执行器时对之加预紧力。需要注意的是压电执行器两端必须加垫片，而且顶丝10与垫片接触的部位的形状为球面或平头顶丝前段加刚球，以保护压电执行器不受弯矩载荷。
上工作盘2和下工作盘3各由安装在三个柔性铰链微位移放大器中的压电执行器驱动，每个工作盘上安装一个针状的操指随工作盘一起运动。柔性铰链微位移放大器既用来放大压电执行器的微位移同时又作为工作盘与底盘之间的运动链的一部分。
组成微操作并联机器人的两个并联机构的运动原理完全相同。现以其中一个为例说明其运动原理如图4所示。并联机构由下工作盘3与底盘5及3条运动链组成。当压电执行器在驱动电压作用下产生微位移，压电执行器推动摆杆13绕单轴柔性铰链顺时针摆动。如前所述，压电执行器的微位移极小，摆杆13只在原始位置附近运动，可以认为刚性杆和钢丝的运动方向是垂直向上的。柔性铰链微位移放大器4与刚性杆合在一起被看作是一个长度可变化的杆。当3根杆中的一根杆伸长Δl，工作盘倾斜一个角度B。固定安装在工作盘上的操作指也摆动相同的角度。在其它参数不变的情况下，操作指1越长，指端的工作空间越大，但分辨率随之降低。
本发明中运动链由被压电执行器9驱动的微位移放大器4、连接在微位移放大器4上的刚性杆8以及与工作盘连接的钢丝7构成，在此用钢丝代替球铰链。本发明建立了一端与工作盘连接，一端与刚性杆连接的一段钢丝的变形状态模型，根据本样机结构参数，算出当压电执行器最大位移量为11.6μm时(样机采用日本TOKIN公司生产的AE0505D16型压电执行器，在额定直流工作电压100V且无负载的情况下，其位移输出为11.6μm，)，替代球铰的偏离曲线与理想轨迹之间的最大距离(偏离量Δr)为0.1μm。
该并-并联式微操作机器人操作指端的工作空间为450×450×80μm，分辨率为0.1μm。
权利要求1.一种并-并联式微操作机器人机械结构，它是由两个并联机构相互并联构成，整个机构设置在底盘(5)上；并联机构包括有工作盘、底盘(5)、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，相互并联的两个并联机构共用一个底盘(5)；上工作盘(2)通过3条运动链与底盘(5)连接，构成第1个并联机构；下工作盘(3)通过另外3条运动链与底盘(5)连接，构成第2个并联机构；每个并-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并联组成；每个3自由度并联机构具有3条运动链；每个工作盘上安装一个随着工作盘一起运动的操作指，其中操作指(1)穿过但并不与其接触的上工作盘(2)安装在下工作盘(3)上。
2.根据权利要求1所述的并-并联式微操作机器人机械结构，其特征在于，所述的每个并联机构中的运动链由被压电执行器(9)驱动的微位移放大器(4)、连接在微位移放大器(4)上的刚性杆(8)以及与工作盘连接的钢丝(7)构成。
3.根据权利要求1或2所述的并-并联式微操作机器人机械结构，其特征在于，所述的微位移放大器由一整块弹性金属加工而成的底座(11)、底座(11)上的用来安装压电执行器时对之加预紧力的螺孔(12)、围绕单轴柔性铰链(14)摆动的摆杆(13)以及确保与压电执行器的接触位置不变的刃口(15)组成。
专利摘要一种并－并联式微操作机器人机械结构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。本实用新型由两个并联机构并联构成，并联机构包括工作盘、底盘、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电源由计算机控制；其特征在于，相互并联的两个3自由度并联机构共用一个底盘；上工作盘通过3条运动链与底盘连接，构成第1个并联机构；下工作盘通过另外3条运动链与底盘连接，构成第2个并联机构；每个并联机构具有3条运动链；每个工作盘上安装一个操作指。两个操作指既可独立运动，又可协调动作，指端的工作空间为450×450×80μm，分辨率为0.1μm。本实用新型结构简单，控制容易。
文档编号B25J9/08GK2640708SQ0326608
公开日2004年9月15日 申请日期2003年6月27日 优先权日2003年6月27日
发明者刘德忠, 费仁元 申请人:北京工业大学