專利名稱：五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人。
實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作的微動機(jī)器人正隨著微米/納米工程的深入而受到人們?nèi)找骊P(guān)注，利用柔性(或稱彈性)鉸鏈替代實(shí)際運(yùn)動副使得并聯(lián)結(jié)構(gòu)微動機(jī)器人不僅消除了常規(guī)運(yùn)動副所具有的間隙、摩擦、空回現(xiàn)象，而且充分發(fā)揮出并聯(lián)機(jī)構(gòu)高剛度、高精度等固有的品質(zhì)特性。
六十年代初期，Ellis提出用并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為微動操作機(jī)械手，并應(yīng)用于生物技術(shù)和顯微外科中。為了提高精度，Magnani和Pernette研究了轉(zhuǎn)動副、移動副、虎克鉸和球鉸的彈性結(jié)構(gòu)形式(即柔性鉸鏈)。Stoughton和Tanikawa用兩個六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)筷子操作運(yùn)動；Hara和Hemini研究平面三自由度和六自由度微動機(jī)器人；Hudgens和Tesar研究的六自由度并聯(lián)微操作器；Lee提出空間三自由度微動機(jī)器人結(jié)構(gòu)；Parikian研究用Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為空間純移動微動機(jī)器人的方案。
在國內(nèi)，清華大學(xué)研制了微動工作臺；《儀器儀表學(xué)報(bào)》NO.1，1996報(bào)道，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了Stewart平臺結(jié)構(gòu)六自由度并聯(lián)微動機(jī)器人；在申請?zhí)枮?9119320.2、99102421.4和99121020.4專利文件中公開了“并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維力與力矩傳感器”和“具有彈性鉸鏈六維力與力矩傳感器”及“六自由度并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)微動機(jī)器人”。
盡管國內(nèi)外有許多學(xué)者研究并聯(lián)多自由度微動機(jī)器人，但是這些研究成果和專利技術(shù)存在的主要問題是有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的標(biāo)定困難，有的運(yùn)動解耦難，尤其是目前國內(nèi)外還沒有提出或找到五自由度并聯(lián)微動和結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處而提供一種五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)包括固定臺、運(yùn)動工作臺、連接固定臺與運(yùn)動工作臺的五支連桿。五支連桿與運(yùn)動工作臺三個互相垂直平面的連接是彈性鉸鏈，五支連桿通過彈性鉸鏈與固定臺的三個互相垂直平面上的彈性移動副連接，每個彈性移動副連接著一個微位移驅(qū)動器。
彈性鉸鏈可以是彈性球鉸，也可以是彈性虎克鉸。
五支連桿分三組分別與運(yùn)動工作臺和固定臺的三個互相垂直的平面連接，其中兩組為雙支連桿，一組為單支連桿。
五支連桿中的單支連桿與運(yùn)動臺的一個平面和固定臺一個平面上的彈性移動副的連接兩端必須都是彈性虎克鉸，其余四支連桿中每支連桿與運(yùn)動臺平面和固定臺平面上的彈性移動副的連接兩端是彈性球鉸或一端是彈性球鉸，另一端是彈性虎克鉸。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人具有運(yùn)動解耦、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、算法簡單等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)無摩擦、無間隙和高分辨率的五維微動。該微動機(jī)器人的提出在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域中具有特別重要的意義，在精細(xì)操作和加工、納米尺寸制造、微動工作臺、集成電路制造、生物和遺傳工程、顯微外科等領(lǐng)域有廣闊而明顯的應(yīng)用前景和實(shí)際應(yīng)用價值。
附圖的圖面說明如下

圖1是FG5ADPMR-1型五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是FG5ADPMR-2型五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步詳述實(shí)施例1FG5ADPMR-1型五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
運(yùn)動工作臺(10)通過五支連桿(28)、(8)、(14)、(16)、(25)與由三個相互垂直的底面板(1)、側(cè)面板(17)和背面板(5)組成的固定臺相連接。五支連桿與運(yùn)動工作臺連接的五個運(yùn)動副分布在運(yùn)動工作臺的三個互相垂直的平面上。五支連桿與固定臺的連接是分布在固定臺三個面板上的五個彈性移動副(3)、(6)、(12)、(19)、(23)，這五個彈性移動副連接著五個壓電陶瓷微位移驅(qū)動器(2)、(4)、(11)、(18)、(22)。連桿(14)通過彈性虎克鉸(15)、(13)分別與運(yùn)動工作臺(10)和固定工作臺上的彈性移動副(12)連接。另四支連桿(28)、(8)、(16)、(25)的一端分別通過四個彈性球鉸(27)、(9)、(21)、(26)與運(yùn)動工作臺(10)連接，另一端分別通過四個彈性球鉸(29)、(7)、(19)、(24)與固定臺上的彈性移動副(3)、(6)、(19)、(23)連接。連桿(28)和(8)的一端并聯(lián)連接在運(yùn)動工作臺(10)的底面上，另一端并聯(lián)連接在底面板(1)的彈性移動副(3)和(6)上。連桿(16)和(25)的一端并聯(lián)連接在運(yùn)動工作臺(10)的側(cè)面上，另一端分別并聯(lián)連接在側(cè)面板(17)的彈性移動副(19)和(23)上。
本發(fā)明微動機(jī)器人為一體化結(jié)構(gòu)，運(yùn)動工作臺、有三個互相垂直平面的固定臺、五支連桿、彈性虎克鉸、彈性球鉸、彈性移動副均為一體。運(yùn)動工作臺(10)通過分布在固定臺三個互相垂直平面(1)、(5)、(17)上的壓電陶瓷微位移驅(qū)動器(2)、(4)、(11)、(18)、(22)驅(qū)動五個彈性移動副(3)、(6)、(12)、(19)、(23)實(shí)現(xiàn)沿X、Y、Z三軸移動和繞Y、Z兩軸轉(zhuǎn)動的五軸解耦微運(yùn)動。
實(shí)施例2FG5ADPMR-2型五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖2所示。運(yùn)動工作臺(34)通過五支連桿(57)、(36)、(43)、(45)、(54)與由三個相互垂直的底面板(30)、側(cè)面板(46)和背面板(33)組成的固定臺相連接，五支連桿與運(yùn)動工作臺連接的五個運(yùn)動副分布在運(yùn)動工作臺的三個互相垂直的平面上，五支連桿與固定臺的連接是分布在固定臺三個面板上的五個彈性移動副(32)、(38)、(41)、(47)、(52)，這五個彈性移動副分別連接著五個壓電陶瓷微位移驅(qū)動器(31)、(39)、(40)、(48)、(51)，連桿(57)通過彈性虎克鉸(56)、(58)與運(yùn)動工作臺和固定臺上的彈性移動副(32)連接。另四支連桿(36)、(43)、(45)、(54)的一端分別通過四個彈性球鉸(35)、(44)、(50)、(55)與運(yùn)動工作臺(34)連接，連桿(36)和(43)的另一端通過彈性球鉸(37)、(42)與固定臺上的彈性移動副(38)和(41)連接，連桿(45)和(54)的另一端通過彈性虎克鉸(49)、(53)與固定臺上的彈性移動副(47)和(52)連接。連桿(36)和(43)的一端并聯(lián)連接在運(yùn)動工作臺(34)的背面上，另一端分別并聯(lián)連接在背面板(33)的彈性移動副(38)和(41)上。連桿(45)和(54)的一端并聯(lián)連接在運(yùn)動工作臺(34)的側(cè)面上，另一端分別并聯(lián)連接在側(cè)面板(46)的彈性移動副(47)和(52)上。
本發(fā)明微動機(jī)器人為一體化結(jié)構(gòu)，運(yùn)動工作臺、有三個互相垂直平面的固定臺、五支連桿、彈性虎克鉸、彈性球鉸、彈性移動副均為一體。運(yùn)動工作臺(34)通過分布在固定臺三個互相垂直平面(30)、(33)、(46)上的壓電陶瓷微位移驅(qū)動器(31)、(39)、(40)、(48)、(51)驅(qū)動五個彈性移動副(32)、(38)、(41)、(47)、(52)實(shí)現(xiàn)沿X、Y、Z三軸移動和繞X、Y兩軸轉(zhuǎn)動的五軸解耦微運(yùn)動。
權(quán)利要求
1.一種五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人，包括固定臺、運(yùn)動工作臺、連接固定臺與運(yùn)動工作臺的連桿，其特征在于運(yùn)動工作臺通過五支連桿與固定臺連接，五支連桿與運(yùn)動工作臺三個互相垂直平面的連接是彈性鉸鏈，五支連桿通過彈性鉸鏈與固定臺的三個互相垂直平面上的彈性移動副連接，每個彈性移動副連接著一個微位移驅(qū)動器。
2.按照權(quán)利要求1所說的五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人，其特征在于彈性鉸鏈可以是彈性球鉸，也可以是彈性虎克鉸。
3.按照權(quán)利要求1所說的五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人，其特征在于五支連桿分三組分別與運(yùn)動工作臺和固定臺的三個互相垂直的平面連接，其中兩組為雙支連桿，一組為單支連桿。
4.按照權(quán)利要求1至3所說的五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人，其特征在于五支連桿中的單支連桿與運(yùn)動臺的一個平面和固定臺一個平面的彈性移動副的連接兩端必須都是彈性虎克鉸，其余四支連桿中每支連桿與運(yùn)動臺平面和固定臺平面上的彈性移動副的連接兩端是彈性球鉸。
5.按照權(quán)利要求1至3所說的五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人，其特征在于五支連桿中的單支連桿與運(yùn)動臺的一個平面和固定臺一個平面的彈性移動副的連接兩端必須都是彈性虎克鉸，其余四支連桿中每支連桿與運(yùn)動臺平面和固定臺平面上的彈性移動副的連接兩端一個是彈性球鉸，另一個是彈性虎克鉸。
全文摘要
一種五自由度五軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動機(jī)器人,主要特征是運(yùn)動工作臺通過五支連桿與固定臺相連接,五支連桿與運(yùn)動工作臺連接是彈性鉸鏈,五支連桿通過彈性鉸鏈與固定臺的彈性移動副連接,每個彈性移動副連接著一個微位移驅(qū)動器。本發(fā)明微動機(jī)器人運(yùn)動解耦、結(jié)構(gòu)簡單緊湊,能實(shí)現(xiàn)無摩擦、無間隙和高分辨率的解耦五維微動?？蓮V泛用于微動工作臺和精細(xì)操作或加工中。
文檔編號B25J11/00GK1257770SQ0010019
公開日2000年6月28日 申請日期2000年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月17日
發(fā)明者高峰, 劉辛軍 申請人:河北工業(yè)大學(xué)