基于壓電陶瓷驅(qū)動的6-sps型微動并聯(lián)機器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓電陶瓷驅(qū)動的6-SPS型微動并聯(lián)機器人，包括平行設(shè)置的工作臺和底座、設(shè)置于工作臺下方的工作臺底蓋、設(shè)置于底座上方的底座蓋、以及設(shè)置于工作臺底蓋和底座蓋上的六個并聯(lián)設(shè)置的支鏈，工作臺底蓋和底座蓋內(nèi)分別固定設(shè)有六個斜塊，支鏈包括壓電陶瓷聯(lián)動桿和分別設(shè)于壓電陶瓷聯(lián)動桿上下兩端的上部柔性鉸鏈和下部柔性鉸鏈，六個壓電陶瓷聯(lián)動桿上分別電性連接有壓電陶瓷位移驅(qū)動器。本發(fā)明集精密機械、驅(qū)動和測量反饋技術(shù)于一體，實現(xiàn)了機構(gòu)、驅(qū)動、檢測一體化的設(shè)計，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大、頻響高等優(yōu)點，并可實現(xiàn)納米級的定位精度。
【專利說明】基于壓電陶瓷驅(qū)動的6-SPS型微動并聯(lián)機器人
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微驅(qū)動技術(shù)與并聯(lián)機器人【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于壓電陶瓷驅(qū)動的6-SPS型微動并聯(lián)機器人。
【背景技術(shù)】
[0002]微定位系統(tǒng)和并聯(lián)運動機構(gòu)是當(dāng)今科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域新的熱點。微驅(qū)動技術(shù)與并聯(lián)機器人技術(shù)交叉結(jié)合所產(chǎn)生的微動并聯(lián)機器人已經(jīng)成為一個熱門課題，目前關(guān)于微動并聯(lián)機器人的研究開發(fā)和應(yīng)用日益廣泛，應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷拓展，微動并聯(lián)機器人的應(yīng)用主要集中在空間、隔振、醫(yī)療、光學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，如燕山大學(xué)研制了一種各向同性的六自由度微動并聯(lián)機器人(專利號:CN202428438U)，該機器人通過放在平行板柔性移動副框架結(jié)構(gòu)中部的壓電陶瓷驅(qū)動，由推桿放大位移，將位移傳遞給平行板柔性移動副，實現(xiàn)工作平臺的移動，該微動機器人雖有較好的位移解耦性，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。北京理工大學(xué)研制出一種3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人(專利號:CN1788942A)，該發(fā)明雖然具有較大范圍的工作空間，但由于該機器人系統(tǒng)中含有靜壓絲杠螺母機構(gòu)，在運動過程中不可避免的存在傳動間隙，影響傳動精度，此外，該機器人還具有液壓供油裝置，使得整個微動機器人體積較大，限制了其在一些尺寸有要求場合的使用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出一種三支鏈六自由度并聯(lián)柔性鉸鏈微動機構(gòu)(專利號:CN1962209A)，從空間結(jié)構(gòu)上看，該機器人屬于6-PSS型微動并聯(lián)機器人，壓電陶瓷布置在底座上，壓電陶瓷的輸出經(jīng)過彈性平行板傳遞到與之相連的連接座上，然后兩端帶柔性鉸鏈的支撐桿件再將連接座和上平臺連接起來，這種機構(gòu)形式傳動鏈長，誤差因素多，而且底座較大，加工困難。
[0004]因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種基于壓電陶瓷驅(qū)動的6-SPS型微動并聯(lián)機器人。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓電陶瓷驅(qū)動的6-SPS型微動并聯(lián)機器人，其具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大、頻響聞等優(yōu)點，并可實現(xiàn)納米級的定位精度。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案如下:
[0007]—種基于壓電陶瓷驅(qū)動的6-SPS型微動并聯(lián)機器人，包括平行設(shè)置的工作臺和底座、設(shè)置于工作臺下方的工作臺底蓋、設(shè)置于底座上方的底座蓋、以及設(shè)置于工作臺底蓋和底座蓋上的六個并聯(lián)設(shè)置的支鏈，所述工作臺底蓋和底座蓋內(nèi)分別固定設(shè)有六個斜塊，工作臺底蓋上斜塊的下表面和底座蓋上斜塊的上表面為一一對應(yīng)傾斜設(shè)置，所述支鏈包括壓電陶瓷聯(lián)動桿和分別設(shè)于壓電陶瓷聯(lián)動桿上下兩端的上部柔性鉸鏈和下部柔性鉸鏈，所述上部柔性鉸鏈與工作臺底蓋上的斜塊固定安裝，下部柔性鉸鏈與底座蓋上的斜塊固定安裝，所述六個壓電陶瓷聯(lián)動桿上分別電性連接有壓電陶瓷位移驅(qū)動器。
[0008]作為本發(fā)明的進一步改進，所述上部柔性鉸鏈和下部柔性鉸鏈分別包括對應(yīng)設(shè)置的第一主體部和第二主體部、固定連接在第一主體部和第二主體部中央的連接部、設(shè)置于第一主體部外側(cè)中央位置的第一安裝部、以及設(shè)置于第二主體部外側(cè)中央位置的第二安裝部，所述第一安裝部與斜塊固定安裝，第二安裝部與壓電陶瓷聯(lián)動桿固定安裝。
[0009]作為本發(fā)明的進一步改進，所述上部柔性鉸鏈和下部柔性鉸鏈為球面副柔性鉸鏈，所述連接部的橫截面為圓形，且橫截面從兩端至中間半徑逐漸減小，連接部的縱剖面為兩邊呈圓形向內(nèi)凹陷設(shè)置。
[0010]作為本發(fā)明的進一步改進，所述橫截面的最小半徑為0.5mm，縱剖面向內(nèi)凹陷的圓形半徑為1mm。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進，所述下部柔性鉸鏈上第一安裝部的長度長于上部柔性鉸鏈上第一安裝部的長度。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進，所述下部柔性鉸鏈與斜塊之間設(shè)有套設(shè)與第一安裝部上的調(diào)整墊片。
[0013]作為本發(fā)明的進一步改進，所述壓電陶瓷聯(lián)動桿包括基座、設(shè)于基座上的套管、設(shè)于套管上的預(yù)緊頭和連接頭、設(shè)于套管內(nèi)的壓電陶瓷、以及設(shè)于套管內(nèi)位于壓電陶瓷和預(yù)緊頭之間的填充物。
[0014]作為本發(fā)明的進一步改進，所述底座蓋上設(shè)有若干用于和外部壓電陶瓷位移驅(qū)動器電性連接的插座，所述插座通過電線與所述壓電陶瓷電性連接。
[0015]作為本發(fā)明的進一步改進，所述上部柔性鉸鏈和下部柔性鉸鏈的材料為尼龍。
[0016]作為本發(fā)明的進一步改進，所述工作臺上安裝有位移測量模塊。
[0017]本發(fā)明基于壓電陶瓷驅(qū)動的6-SPS型微動并聯(lián)機器人集精密機械、驅(qū)動和測量反饋技術(shù)于一體，實現(xiàn)了機構(gòu)、驅(qū)動、檢測一體化的設(shè)計，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大、頻響高等優(yōu)點，并可實現(xiàn)納米級的定位精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1為本發(fā)明一實施方式中6-SPS型微動并聯(lián)機器人的立體結(jié)構(gòu)不意圖；
[0020]圖2a、2b分別為本發(fā)明一實施方式中上部柔性鉸鏈的側(cè)視圖和主視圖；
[0021]圖3a、3b分別為本發(fā)明一實施方式中下部柔性鉸鏈的側(cè)視圖和主視圖；
[0022]圖4為柔性鉸鏈建模參數(shù)圖；
[0023]圖5為本發(fā)明一實施方式中壓電陶瓷聯(lián)動桿的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖6為本發(fā)明一實施方式中支鏈裝配體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖7為本發(fā)明一實施方式中斜塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖8為本發(fā)明一實施方式中6-SPS型微動并聯(lián)機器人的裝配結(jié)構(gòu)不意圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0028]為了實現(xiàn)精密機械、驅(qū)動和測量反饋技術(shù)于一體，實現(xiàn)機構(gòu)、驅(qū)動、檢測一體化的設(shè)計，使機器人具有誤差因素少，集成度高，微位移檢測可靠性和精度好，結(jié)構(gòu)緊湊，加工安裝方便等優(yōu)點。本發(fā)明提出一種采用閉環(huán)壓電陶瓷驅(qū)動，壓電陶瓷既作為驅(qū)動元件又作為支撐桿件，同時完成檢測功能的基于壓電陶瓷驅(qū)動的6-SPS型微動并聯(lián)機器人。
[0029]參圖1所示，該6-SPS型微動并聯(lián)機器人由工作臺1、工作臺底蓋2、斜塊3、上部柔性鉸鏈4、壓電陶瓷聯(lián)動桿5、下部柔性鉸鏈6、調(diào)整墊片7、底座蓋8、插座9、底座10共10個部分組成。
[0030]本發(fā)明中6-SPS型微動并聯(lián)機器人包括平行設(shè)置的工作臺I和底座10、設(shè)置于工作臺I下方的工作臺底蓋2、設(shè)置于底座10上方的底座蓋8、以及設(shè)置于工作臺底蓋2和底座蓋8上的六個并聯(lián)設(shè)置的支鏈，工作臺底蓋2和底座蓋8內(nèi)分別固定設(shè)有六個斜塊3，工作臺底蓋2上斜塊的下表面和底座蓋8上斜塊的上表面為一一對應(yīng)傾斜設(shè)置。其中支鏈包括壓電陶瓷聯(lián)動桿5和分別設(shè)于壓電陶瓷聯(lián)動桿上下兩端的上部柔性鉸鏈4和下部柔性鉸鏈6，上部柔性鉸鏈4與工作臺底蓋2上的斜塊3固定安裝，下部柔性鉸鏈6與底座蓋8上的斜塊3固定安裝，下部柔性鉸鏈6與斜塊3之間設(shè)有調(diào)整墊片7。六個壓電陶瓷聯(lián)動桿5上分別電性連接有壓電陶瓷位移驅(qū)動器(未圖示)，底座蓋8上設(shè)有若干用于和外部壓電陶瓷位移驅(qū)動器電性連接的插座9，插座9通過電線與壓電陶瓷聯(lián)動桿電性連接。
[0031]在本發(fā)明一優(yōu)選實施方式中，具體裝配關(guān)系如下:
[0032]工作臺I與工作臺底蓋2通過內(nèi)六角圓柱頭螺釘連接，斜塊3通過圓柱銷定位，用內(nèi)六角圓柱頭螺釘固定在工作臺I上，斜塊3的具體結(jié)構(gòu)參圖7所示；
[0033]上部柔性鉸鏈4 (鉸鏈采用尼龍材料)一端與斜塊3的斜面間隙配合，并通過錐端緊定螺釘預(yù)緊，防止工作過程中鉸鏈松動，另一端與壓電陶瓷5通過螺紋連接(壓電陶瓷選用蘇州博實機器人技術(shù)有限公司的SZBS150/7/40VS12型號)。下鉸鏈6的一端與壓電陶瓷螺紋連接，另一端與斜塊的斜面間隙配合，由錐端緊定螺釘固定斜塊3與下部柔性鉸鏈6的相對位置。下部柔性鉸鏈6與斜塊3之間有調(diào)整墊片7，在裝配過程中修配調(diào)整，保證各構(gòu)件的空間位置；
[0034]斜塊3與底座10用圓柱銷軸定位并用內(nèi)六角螺釘連接，底座10和底座蓋8之間用內(nèi)六角螺釘連接。
[0035]結(jié)合圖2a、圖2b，上部柔性鉸鏈4包括對應(yīng)設(shè)置的第一主體部41和第二主體部42、固定連接在第一主體部41和第二主體部42中央的連接部43、設(shè)置于第一主體部41外側(cè)中央位置的第一安裝部44、以及設(shè)置于第二主體部42外側(cè)中央位置的第二安裝部45，第一安裝部44與工作臺底蓋2上的斜塊3固定安裝，第二安裝部45與壓電陶瓷聯(lián)動桿5固定安裝。
[0036]在本實施方式中第二安裝部45為M3螺紋，第一安裝部44為Φ6光軸。對柔性鉸鏈進行建模分析，如圖4選取最優(yōu)解R=lmm、r=0.5mm。考慮到尼龍材料具有比較好的法向受力能力，很小的扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度，是作為柔性鉸鏈理想的材料。
[0037]結(jié)合圖3a、圖3b，下部柔性鉸鏈6包括對應(yīng)設(shè)置的第一主體部61和第二主體部62、固定連接在第一主體部61和第二主體部62中央的連接部63、設(shè)置于第一主體部61外側(cè)中央位置的第一安裝部64、以及設(shè)置于第二主體部62外側(cè)中央位置的第二安裝部65，第一安裝部64與底座蓋8上的斜塊3固定安裝，第二安裝部65與壓電陶瓷聯(lián)動桿5固定安裝。
[0038]同樣地，第二安裝部65為M3螺紋，第一安裝部64為Φ6光軸。對柔性鉸鏈進行建模分析，如圖4選取最優(yōu)解R=lmm、r=0.5mm。材料同樣選取尼龍材料。
[0039]由于下部柔性鉸鏈6與斜塊3之間墊調(diào)整墊片7，所以第一安裝部64光軸比上部柔性鉸鏈第一安裝部44光軸長2mm。
[0040]結(jié)合圖5所示，壓電陶瓷聯(lián)動桿5包括基座56、設(shè)于基座56上的套管54、設(shè)于套管54上的預(yù)緊頭52和連接頭51、設(shè)于套管54內(nèi)的壓電陶瓷55、以及設(shè)于套管54內(nèi)位于壓電陶瓷55和預(yù)緊頭52之間的填充物53。將壓電陶瓷封裝在機械結(jié)構(gòu)內(nèi)，可以提高壓電陶瓷的可靠性、穩(wěn)定性和可安裝性。
[0041]結(jié)合圖6所示，支鏈由斜塊3、上部柔性鉸鏈4、壓電陶瓷聯(lián)動桿5、下部柔性鉸鏈
6、調(diào)整墊片7共五部分組成。六條支鏈既作為支撐桿件，又可提供動力，還傳遞運動，集成度高。
[0042]該6-SPS型壓電陶瓷驅(qū)動微動并聯(lián)機器人的裝配可按照以下步驟實現(xiàn):
[0043]斜塊和工作臺之間用圓柱銷定位，并用內(nèi)六角圓柱頭螺釘將兩者固定，此時螺釘無需擰緊，且只需擰上任意斜對角的兩個螺釘即可，按照此方法完成六個斜塊與工作臺的裝配，斜塊與工作臺的位置關(guān)系參照圖8 ；
[0044]按照上述方法完成六個斜塊與底座之間的裝配，位置關(guān)系參照圖8 ；
[0045]在壓電陶瓷聯(lián)動桿的兩端分別旋上上部柔性鉸鏈和下部柔性鉸鏈，組成六個傳動鏈，旋緊時不破壞柔性鉸鏈；
[0046]在下部柔性鉸鏈光軸一端套上調(diào)整墊片，分別將上下部柔性鉸鏈光軸一端嵌入工作臺上的斜塊及底座上的斜塊中，位置關(guān)系如圖8 ；
[0047]調(diào)整六個傳動鏈的位置，如不能實現(xiàn)上平臺與底座之間平行對稱的位置關(guān)系，卸下調(diào)整墊片修磨，重復(fù)上述操作直到滿足要求的空間位置關(guān)系；
[0048]最后將錐端緊定螺釘擰入斜塊側(cè)邊的螺紋孔中，頂緊鉸鏈，固定鉸鏈的位置，防止微動機器人工作時鉸鏈轉(zhuǎn)動；
[0049]卸下工作臺與斜塊之間的螺釘，移去工作臺，套上工作臺底蓋，再將工作臺與底蓋合上，用螺釘將兩者固定；
[0050]工作臺與斜塊之間用螺釘擰上，此時所有螺釘全部擰緊；
[0051]同樣取下底座，套上底座蓋，將底座與底座蓋合上，擰緊連接斜塊與底座的所有螺釘及連接底座和底座蓋的所有螺釘，完整視圖見圖1。
[0052]在工作臺上安裝測量模塊，根據(jù)并聯(lián)機器人的運動學(xué)反解建模公式和壓電陶瓷的實際能輸出的最大位移范圍，各個軸獨立運動時輸入使壓電陶瓷中任意一條支路伸長量達到做大位移時驅(qū)動電壓值，這時測得數(shù)值便是某個軸單獨運動時的最大運動范圍。機器人的分辨率和重復(fù)定位精度采用兩臺德國SIOS公司生產(chǎn)的小型激光干涉儀，型號為AESP500E，測量范圍為500mm，測量分辨率為1.24nm，測試時在恒溫隔振環(huán)境中進行。直線測量采用一臺干涉儀進行直接測量，角度測量采用兩臺干涉儀進行間接測量。測試前需要在機器人工作臺面上的適當(dāng)位置粘貼反射鏡片。由于受測量設(shè)備數(shù)量限制，每次只測量一個參數(shù)。測量方案與測量機器人運動范圍類似，只是將測量支架改為反射鏡片，本發(fā)明中機器人性能測試結(jié)果見表1。
[0053]表1機器人性能測試
[0054]
【權(quán)利要求】
1.一種基于壓電陶瓷驅(qū)動的6-SPS型微動并聯(lián)機器人，包括平行設(shè)置的工作臺和底座、設(shè)置于工作臺下方的工作臺底蓋、設(shè)置于底座上方的底座蓋、以及設(shè)置于工作臺底蓋和底座蓋上的六個并聯(lián)設(shè)置的支鏈，其特征在于，所述工作臺底蓋和底座蓋內(nèi)分別固定設(shè)有六個斜塊，工作臺底蓋上斜塊的下表面和底座蓋上斜塊的上表面為一一對應(yīng)傾斜設(shè)置，所述支鏈包括壓電陶瓷聯(lián)動桿和分別設(shè)于壓電陶瓷聯(lián)動桿上下兩端的上部柔性鉸鏈和下部柔性鉸鏈，所述上部柔性鉸鏈與工作臺底蓋上的斜塊固定安裝，下部柔性鉸鏈與底座蓋上的斜塊固定安裝，所述六個壓電陶瓷聯(lián)動桿上分別電性連接有壓電陶瓷位移驅(qū)動器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的6-SPS型微動并聯(lián)機器人，其特征在于，所述上部柔性鉸鏈和下部柔性鉸鏈分別包括對應(yīng)設(shè)置的第一主體部和第二主體部、固定連接在第一主體部和第二主體部中央的連接部、設(shè)置于第一主體部外側(cè)中央位置的第一安裝部、以及設(shè)置于第二主體部外側(cè)中央位置的第二安裝部，所述第一安裝部與斜塊固定安裝，第二安裝部與壓電陶瓷聯(lián)動桿固定安裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的6-SPS型微動并聯(lián)機器人，其特征在于，所述上部柔性鉸鏈和下部柔性鉸鏈為球面副柔性鉸鏈，所述連接部的橫截面為圓形，且橫截面從兩端至中間半徑逐漸減小，連接部的縱剖面為兩邊呈圓形向內(nèi)凹陷設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的6-SPS型微動并聯(lián)機器人，其特征在于，所述橫截面的最小半徑為0.5mm,縱剖面向內(nèi)凹陷的圓形半徑為1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的6-SPS型微動并聯(lián)機器人，其特征在于，所述下部柔性鉸鏈上第一安裝部的長度長于上部柔性鉸鏈上第一安裝部的長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的6-SPS型微動并聯(lián)機器人，其特征在于，所述下部柔性鉸鏈與斜塊之間設(shè)有套設(shè)與第一安裝部上的調(diào)整墊片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的6-SPS型微動并聯(lián)機器人，其特征在于，所述壓電陶瓷聯(lián)動桿包括基座、設(shè)于基座上的套管、設(shè)于套管上的預(yù)緊頭和連接頭、設(shè)于套管內(nèi)的壓電陶瓷、以及設(shè)于套管內(nèi)位于壓電陶瓷和預(yù)緊頭之間的填充物。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的6-SPS型微動并聯(lián)機器人，其特征在于，所述底座蓋上設(shè)有若干用于和外部壓電陶瓷位移驅(qū)動器電性連接的插座，所述插座通過電線與所述壓電陶瓷電性連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的6-SPS型微動并聯(lián)機器人，其特征在于，所述上部柔性鉸鏈和下部柔性鉸鏈的材料為尼龍。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的6-SPS型微動并聯(lián)機器人，其特征在于，所述工作臺上安裝有位移測量模塊。
【文檔編號】B25J9/00GK103507063SQ201310465587
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】鐘博文, 王振華, 孫立寧, 金子祺, 楊志龍, 李宗偉, 錢哲 申請人:蘇州大學(xué)