專利名稱：四自由度四軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)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，特別涉及一種四自由度四軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人。
實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作的微動(dòng)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(dòng)副使得并聯(lián)結(jié)構(gòu)微動(dòng)機(jī)器人不僅消除了常規(guī)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)副、移動(dòng)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(gè)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)筷子操作運(yùn)動(dòng)；Hara和Hemini研究平面三自由度和六自由度微動(dòng)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(dòng)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(dòng)微動(dòng)機(jī)器人的方案。
在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)研制了微動(dòng)工作臺(tái)；《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(tái)結(jié)構(gòu)六自由度并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人；在申請(qǐng)?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(dòng)機(jī)器人”。
盡管國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者研究并聯(lián)多自由度微動(dòng)機(jī)器人，但是這些研究成果和專利技術(shù)存在的主要問(wèn)題是有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的標(biāo)定困難，有的運(yùn)動(dòng)解耦難，尤其是目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有提出或找到四自由度并聯(lián)微動(dòng)和結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)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四自由度四軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下四自由度四軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，包括固定臺(tái)、運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)、連接固定臺(tái)與運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的四支連桿。運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)通過(guò)四支連桿與固定臺(tái)連接，四支連桿與運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的連接是分布在運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)三個(gè)互相垂直平面上的彈性鉸鏈，四支連桿通過(guò)彈性鉸鏈與固定臺(tái)三個(gè)互相垂直平面上的彈性移動(dòng)副連接，彈性移動(dòng)副連接著微位移驅(qū)動(dòng)器。
彈性鉸鏈可以是彈性虎克鉸，也可以是彈性球鉸。
四支連桿分三組分別與運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)和固定臺(tái)的三個(gè)互相垂直的平面連接，其中一組為雙支連桿，兩組為單支連桿。
四支連桿中，三支共面的連桿中的單支連桿的兩端為彈性虎克鉸，雙支連桿中的一支連桿兩端是彈性虎克鉸，這三支共面連桿以外的單支連桿兩端是彈性球鉸，也可以一端是彈性球鉸，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)明微動(dòng)機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)解耦、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、算法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦、無(wú)間隙和高分辨率的四維微動(dòng)。該微動(dòng)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(dòng)工作臺(tái)、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(jià)值。
附圖的圖面說(shuō)明如下

圖1是FG4ADPMR-1型四自由度四軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是FG4ADPMR-2型四自由度四軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步詳述實(shí)施例1FG4ADPMR-1型四自由度四軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)(4)通過(guò)四支連桿(6)、(14)、(21)、(23)與由三個(gè)相互垂直的底面板(1)、側(cè)面板(16)和背面板(10)組成的固定臺(tái)相連接，四支連桿與運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)連接的四個(gè)運(yùn)動(dòng)副分布在運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的三個(gè)互相垂直的平面上，四支連桿與固定臺(tái)連接的四個(gè)運(yùn)動(dòng)副分布在固定臺(tái)相互垂直的三個(gè)面板上。連桿(23)的一端與運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)(4)連接的是彈性球鉸(22)，另一端與固定臺(tái)上的彈性移動(dòng)副(3)連接的是彈性球鉸(24)，彈性移動(dòng)副(3)連接著壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器(2)。連桿(6)、(14)、(21)的一端與運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)(4)連接的是三個(gè)彈性虎克鉸(5)、(15)、(17)，另一端與固定臺(tái)上的三個(gè)彈性移動(dòng)副(7)、(12)、(19)連接的是三個(gè)彈性虎克鉸(9)、(13)、(20)，三個(gè)彈性移動(dòng)副(7)、(12)、(19)分別連接著三個(gè)壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器(8)、(11)、(18)。連桿(6)、(14)的一端并聯(lián)在運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)背面上，另一端并聯(lián)在固定臺(tái)背面板(10)上的彈性移動(dòng)副(7)和(12)上。
本發(fā)明微動(dòng)機(jī)器人為一體化結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)、有三個(gè)互相垂直平面的固定臺(tái)、四支連桿及其彈性虎克鉸、彈性球鉸、彈性移動(dòng)副均為一體。運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)(4)通過(guò)分布在固定臺(tái)三個(gè)互相垂直平面(1)、(10)、(16)上的四個(gè)壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器(2)、(8)、(11)、(18)驅(qū)動(dòng)四個(gè)彈性移動(dòng)副(3)、(7)、(12)、(19)實(shí)現(xiàn)沿X、Y、Z三軸移動(dòng)和繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的四軸解耦微運(yùn)動(dòng)。
實(shí)施例2FG4ADPMR-2型四自由度四軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖2所示。運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)(43)通過(guò)四支連桿(45)、(29)、(35)、(41)與由三個(gè)相互垂直的底面板(25)、側(cè)面板(34)和背面板(39)組成的固定臺(tái)相連接，四支連桿與運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)連接的四個(gè)運(yùn)動(dòng)副分布在運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的三個(gè)互相垂直的平面上，四支連桿與固定臺(tái)連接的四個(gè)運(yùn)動(dòng)副分布在固定臺(tái)相互垂直的三個(gè)面板上。連桿(29)、(35)與運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)(43)和固定臺(tái)上的彈性移動(dòng)副(27)、(32)的連接的是彈性球鉸(30)、(36)和((28)、(33)，彈性移動(dòng)副(27)、(32)連接著壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器(26)、(31)。連桿(41)、(45)與運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)(43)和固定臺(tái)上的彈性移動(dòng)副(42)、(47)的連接是彈性虎克鉸(37)、(44)和(38)、(46)，彈性移動(dòng)副(42)、(47)分別連接著壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器(40)、(48)。連桿(45)、(29)的一端并聯(lián)在運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的底面，另一端分別并聯(lián)在固定臺(tái)底面板(25)的彈性移動(dòng)副(47)、(27)上。
本發(fā)明微動(dòng)機(jī)器人為一體化結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)、有三個(gè)互相垂直平面的固定臺(tái)、四支連桿及其彈性虎克鉸、彈性球鉸、彈性移動(dòng)副均為一體。運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)(43)通過(guò)分布在固定臺(tái)三個(gè)互相垂直平面(25)、(34)、(39)上的四個(gè)壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器(48)、(26)、(31)、(40)驅(qū)動(dòng)四個(gè)彈性移動(dòng)副(47)、(27)、(31)、(42)實(shí)現(xiàn)沿X、Y、Z三軸移動(dòng)和繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的四軸解耦微運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種四自由度四軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人，包括固定臺(tái)、運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)、連接固定臺(tái)與運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的連桿，其特征在于運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)通過(guò)四支連桿與固定臺(tái)連接，四支連桿與運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的連接是分布在運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)三個(gè)互相垂直平面上的彈性鉸鏈，四支連桿通過(guò)彈性鉸鏈與固定臺(tái)三個(gè)互相垂直平面上的彈性移動(dòng)副連接，彈性移動(dòng)副連接著微位移驅(qū)動(dòng)器。
2.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的四自由度四軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人，其特征在于彈性鉸鏈可以是彈性虎克鉸，也可以是彈性球鉸。
3.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的四自由度四軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人，其特征在于四支連桿分三組分別與運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)和固定臺(tái)的三個(gè)互相垂直的平面連接，其中一組為雙支連桿，兩組為單支連桿。
4.按照權(quán)利要求1至3所說(shuō)的四自由度四軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人，其特征在于四支連桿中，三支共面的連桿中的單支連桿的兩端為彈性虎克鉸，雙支連桿中的一支連桿兩端是彈性虎克鉸，這三支共面連桿以外的單支連桿兩端是彈性球鉸。
5.按照權(quán)利要求1至3所說(shuō)的四自由度四軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人，其特征在于四支連桿中，三支共面的連桿中的單支連桿的兩端為彈性虎克鉸，雙支連桿中的一支連桿兩端是彈性虎克鉸，這三支共面連桿以外的單支連桿兩端一端是彈性球鉸，一端是彈性虎克鉸。
全文摘要
一種四自由度四軸結(jié)構(gòu)解耦并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人,其結(jié)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)通過(guò)四支連桿與固定臺(tái)連接,四支連桿與運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的連接是分布在運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)三個(gè)互相垂直平面上的彈性鉸鏈,四支連桿通過(guò)彈性鉸鏈與固定臺(tái)三個(gè)互相垂直平面上的彈性移動(dòng)副連接,彈性移動(dòng)副連接著微位移驅(qū)動(dòng)器。本發(fā)明運(yùn)動(dòng)解耦,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,能實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦、無(wú)間隙和高分辨率的解耦四維微動(dòng)。本發(fā)明可廣泛用于微動(dòng)工作臺(tái)、精細(xì)操作和加工領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B25J11/00GK1257771SQ0010019
公開日2000年6月28日 申請(qǐng)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(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)