专利名称：一种宏/微结合的12自由度微装配系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够进行复杂微小型结构件装配的宏/微结合的12自由度微装配系统，属于机电一体化领域。
背景技术：
微装配属于微观领域的精密操作，介于传统的宏观装配和新兴的纳米装配之间，通过使微尺度物体的移动、旋转，将其装入复杂的微系统内。随着微加工技术的发展，微小型零件的结构也越来越复杂，极大地增加了装配的难度。由于人手和眼的生理限制，无法仅仅依靠人工来完成复杂微小型结构件的装配工作，必须借助微装配系统实现复杂微小型结构件的人机协同或自动化装配。
华中科技大学申请号为01133684.6的专利所设计的基于显微视觉的微装配机器人系统，由系统控制主机、微操作机械手、真空微夹、带有摄像头的显微镜构成，可对亚毫米级微粒物体进行自动和半自动操作和装配作业，其定位精度可达到1～5μm，三维空间的运动范围可达到50～150mm，具有一定应用前景和社会经济效益。但是，系统只有三个自由度，对形状复杂的微小型零件或物体的装配就无能为力了。同时真空微夹的应用范围有限，系统只能对亚毫米级的微粒物体进行操作，应用范围也受到了限制。
德国Karlsruhe大学设计的桌面微操作系统由一个精密平台、微型机器人、和显微视觉系统构成。精密平台能够做大范围的直线运动，精密平台上有多个该大学自行研制的微型机器人。显微视觉系统由显微镜、CCD和激光器组成。带有CCD的显微镜主要用于确定微型机器人在平台上的平面位置信息，而侧向放置的激光器则可以根据三角测距原理测得深度信息。该系统设计新颖、大胆，但是仍然受到自由度数的限制，无法进行复杂微小型结构件的装配；且由于微型机器人数目众多、视觉系统复杂，控制系统也相对复杂，控制的实时性和精确性很难保证。
国外进口的微装配系统只是刚性线，产品改型后就无法使用了。国内目前在微操作领域方面的研究也能够达到纳米级别，但是主要集中在微动平台方面，所能达到的位移范围也较小。
总的来说，近年来国内外在微装配和微操作领域取得了较大的进展，但是这些成果几乎都是针对MEMS器件或者简单、特殊的一些零部件而设计的，所研究的微装配或微操作系统的自由度数达不到要求，特别是无法完成工作空间范围内的旋转运动，致使复杂微小型结构件在空间的姿态受到限制，且采用单目显微视觉系统，只能在某方向观测零件空间位置信息，无法得到零件的三维空间确切位姿信息，因而无法完成结构稍微复杂的零件的操作和装配，微装配系统的操作范围也受到限制，不具有通用性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有足够多自由度数，宏/微结合的，能够满足毫米-亚毫米级尺度范围、微米级装配精度的复杂结构微小型零部件装配的通用微装配系统。
为了实现上述目的，本发明的宏/微结合的12自由度微装配系统主要包括6自由度宏动机器人、6自由度精密微动机器人、集成微力检测的组合式微夹持器、微夹具、立体显微视觉装置和控制计算机六部分。12自由度是指宏动机器人与精密微动机器人的自由度数和为12。宏动机器人的运动范围大但精度较低，而精密微动机器人的运动范围小但精度较高，二者配合运动不仅能够增加系统的运动范围，还能提高精度。
6自由度宏动机器人能够在大范围内运动(活动半径一般不小于700mm)，通过RS-232串口或以太网口实现与控制计算机通信，完成控制计算机指令完成的动作。
6自由度微动机器人具有3-PPTTRS形式的并联机构，采用柔性铰链运动副，并设有带光电编码器的步进电机、驱动器、滚珠丝杠，控制计算机通过运动控制卡驱动步进电机带动滚珠丝杠来控制微动机器人的运动。
微夹持装置采用集成微力检测的组合式微夹持器。微夹持器的末端执行机构是两个夹持不同尺度零件的压电陶瓷驱动微夹持装置、一个气动吸附式微夹持装置和一个薄片开口式设计的压紧装置。这些微夹持装置的末端固定在支架的气缸上，空气压缩机产生的压缩空气进入固定在支架上的气缸内，推动活塞杆作直线往复运动，从而实现各夹持器及压紧装置的伸出和复原。所述的压电陶瓷驱动的微夹持装置均为压电陶瓷驱动柔性放大机构实现夹持臂的张合，每个夹持臂上设有能够实现微力信号整流、滤波、放大的微力检测装置。
在机械式夹持部分通过电源参数值的变化控制压电陶瓷的形状变化实现压电陶瓷元件的收缩和舒张，将此运动通过柔性铰链结构的位移放大机构传递到夹持器前端，实现对零件的夹持和释放。在吸附式夹持部分，由空气压缩机产生的压缩空气通过电磁阀的通路进入真空发生器，根据文丘里原理使真空吸取口产生负压力吸附零件。当需要释放零件时，电磁阀换向，真空发生器停止工作，真空吸附力快速消失，接通正压释放气路，在气路产生的正压差作用下将零件释放。在压紧部分设计了开口式薄片装置，对零件进行压紧的过程中可以防止由于一点压紧而带来的局部应力集中而造成的零件形状的改变甚至是破坏。
微力检测装置部分，将应变片式的力敏元件粘贴于夹持及压紧元件的夹持臂上，在夹持及压紧的过程中，接收作用臂上应力的改变并产生相应的电信号，经过信号放大和滤波装置的作用后传递给显示仪表实现对装配力的实时监控，并将数据传递给微夹持装置的控制系统，对夹持力和压紧力进行修正，从而实现闭环控制。
立体显微视觉装置包含两个带有工业CCD的显微镜，它们成一定角度放置，两个可变焦显微镜分别以不同的视角对微零件进行成像，得到两幅清晰的微零件不同角度的显微照片，所采集到的图像通过图像采集卡传送给控制计算机，控制计算机根据立体视觉原理，对零件的三维形状进行恢复，进而测量出微零件在三维空间中的位置和姿态信息。
本发明是一个将机器人技术、微操作技术和立体显微视觉技术结合起来的完整的、具有通用性和实用性的系统，可方便、高效地实现自动的或者人机协同的复杂微小型结构件的装配作业，其定位精度≤5μm，最大运动半径≥700mm。随着高技术产品向微型化发展的趋势日益加快，且各种微加工技术的出现，微小型结构件的需求日益增多，且形状越来越复杂，本发明的应用前景和社会经济效益是可观的。
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
图1为宏/微结合的12自由度微装配系统总体框2为宏/微结合的12自由度微装配系统信息流程3为集成微力检测组合式微夹持器原理图主视4为集成微力检测组合式微夹持器原理图俯视5为组合式微夹持器末端执行部分原理6为组合式微夹持器气动驱动原理7为宏/微结合的12自由度微装配系统控制系统结构中1-6自由度宏动机器人 2-6自由度微动机器人 3-微夹持装置 4-微夹具装置5-微力检测装置 6-立体显微视觉装置 7-控制计算机 8-人机界面 9-微小型构件 10-微夹持器基座 11-气缸 12-机械式夹持器1 13-吸附式夹持器 14-气缸 15-机械式夹持器2 16-压紧装置 17-压电陶瓷 18-柔性铰链 19-控制电源 20-夹持臂 21-压力源 22-空气过滤器 23-压力控制阀 24-压力表 25-电磁阀 26-微夹持末端执行器 27-运动控制卡 28-电机 29-数据采集卡 30-图像采集卡具体实施方式
结合说明书附图具体描述本发明的运行过程。
一、宏/微结合的12自由度微装配系统宏/微结合的12自由度微装配系统总体框图如图1所示，实现微装配的主要执行部件是宏动机器人1和微动机器人2，这两个机器人分别由控制计算机7的调整指令进行控制。宏动机器人1及其末端微夹持装置3夹持微小型零件9作大范围的宏位移，微动机器人2及其运动平台中心的微夹具装置4带动待装配微小型零件9作微调整运动。其中微夹持装置3和微夹具装置4上都安装了微力检测装置5，能够将检测到的微力反馈给宏动1/微动机器人系统2。独立于机器人系统的有视觉反馈装置6，该系统能够实现待装配微小型零件和被夹持微小型零件的空间位姿识别，并将其空间位姿信息反馈给控制计算机7。控制计算机始终通过人机界面8保持与人的协同操作。
二、宏/微结合的12自由度微装配系统信息流程微装配系统信息流程如图2示。系统初始化之后，宏动机器人1带动其末端的微夹持装置3进行零件抓取，微力检测装置5同时对微夹持力进行检测。如果微夹持力的大小评价不合格，那么重新调整微夹持力并检测，如果微力大小评价合格，那么宏动机器人1将带动被夹持零件9按规划路径和姿态进行宏移动。当零件9移动到接近装配位置时，宏动机器人1控制器发出停止指令，机器人1停止移动，视觉系统6开始对零件9的位置进行初识别。确定零件9大体位置之后，视觉系统6开始移动，通过聚焦，实现零件9空间位姿的精识别，并同时将结果反馈给控制计算机7，并进行运动学求解，让机器人1/2按照位姿识别状态进行微移动，完成装配。在装配过程中要不断检查微力控制是否评价合格，如何不合格，那么重新按照位姿识别状态进行微移动。此时，如果装配完毕，那么输出结果；如果装配没有完毕，那么宏动机器人1又开始新一轮零件的抓取操作。
三、集成微力检测的组合式微夹持器图3、图4为组合式微夹持器末端执行部分原理图，图6为组合式微夹持器气动驱动原理图。结合图3和图5说明集成微力检测的组合式夹持器的工作原理。基座10通过螺钉固联在宏动机器人1末端，可以通过宏动机器人1进行往复旋转运动，四个气缸11、14固联在基座10前端。在装配过程中，控制系统发出的指令使宏动机器人1带动基座10作旋转运动，使前端合适的末端执行器(机械式夹持器12、吸附式夹持器13、机械式夹持器15、压紧装置16)运动到适当的装配位置。再通过压力源21产生压缩气流，经过空气过滤器22和压力控制阀23，并由压力表24检测得到压力值，最后由两个电磁阀25控制压缩空气推动气缸带动末端执行器26伸长。在该装配部件的工作完成之后，控制气动回路，使气缸活塞杆带动该末端执行器缩回。需要使用其它装配部件时，用同样的步骤作用于相关装配部件，完成装配作业。
图5为压电陶瓷驱动微夹持器的原理图。在机械式夹持部分通过电源19参数值的变化控制压电陶瓷元件17的形状变化实现压电陶瓷元件17的收缩和舒张，将此运动通过柔性铰链18结构的位移放大机构传递到夹持臂20前端，实现对零件的夹持和释放。
四、宏/微结合的12自由度微装配系统控制系统图7为宏/微结合的12自由度微装配系统控制系统结构图。对于微动并联机器人的驱动控制，采用多轴运动控制卡27驱动步进电机28，带动滚珠丝杠的旋转运动转化为机器人各驱动部件的直线运动来实现。运动控制卡27的C1端子的PUL和DR信号分别和驱动器的步进脉冲信号和方向脉冲信号相连，步进电机28是一个三相电机，因此步进电机驱动器通过信号U，V，W分别和步进电机相连，用来对步进电机28进行控制。步进电机28的细分驱动的调节可以利用细分选择信号ON，OFF的不同组合自行调节。最终使步进电动机28的步距角减小，定位精度提高。对于宏动机器人1的控制，采用RS-232串口或者TCP/IP网络协议实现控制计算机7与机器人控制器的通讯，通过修改各运动参数来改变宏动机器人1的运动。立体显微视觉装置6和微力检测与反馈系统的反馈信号分别通过图像采集卡30和数据采集卡29反馈给控制计算机7，由人来判断此刻装配微小型零件的空间位姿和受力情况，并决定下一步如何驱动机器人的运动。
权利要求
1.一种宏/微结合的12自由度微装配系统，其特征在于该系统具有12个自由度，包括6自由度宏动机器人、6自由度精密微动机器人、集成微力检测的组合式微夹持器、微夹具、立体显微视觉装置、控制计算机六个主要部分。
2.根据权利要求1所述的一种宏/微结合的12自由度微装配系统，其特征在于12自由度是指宏动机器人与精密微动机器人自由度数的和为12，体现在二者的配合运动上。
3.根据权利要求1所述的一种宏/微结合的12自由度微装配系统，其特征在于6自由度精密微动机器人具有3-PPTTRS形式的并联机构，采用柔性铰链运动副，驱动部分有带光电编码器的步进电机、驱动器、滚珠丝杠。
4.根据权利要求1所述的一种宏/微结合的12自由度微装配系统，其特征在于微夹持装置采用集成微力检测的组合式微夹持器；所述的微夹持器的末端执行机构是两个夹持不同尺度零件的压电陶瓷驱动的机械式微夹持装置、一个气动吸附式微夹持装置和一个薄片开口式设计的压紧装置；采用半导体应变片作为力敏元件，并配置相应的信号放大和滤波装置的微力检测系统，能够将微力检测系统得到的数据反馈到微夹持器控制系统，形成闭环控制；采用气压装置驱动的伸缩机构，空气压缩机产生的压缩空气进入固定在支架上的气缸内，推动活塞杆作直线往复运动，从而实现各夹持器及压紧装置的伸出和复原。
5.根据权利要求1所述的一种宏/微结合的12自由度微装配系统，其特征在于立体显微视觉装置由两个分别带有CCD的可变焦显微镜构成。
全文摘要
本发明为一种宏/微结合的12自由度微装配系统，属于机电一体化领域，主要包括6自由度宏动机器人、6自由度精密微动机器人、集成微力检测的组合式微夹持器、微夹具、立体显微视觉装置和控制计算机六部分。微装配系统具有12自由度，宏动机器人与精密微动机器人配合能够实现高精度、大范围的运动。集成微力检测的组合式微夹持器将压电陶瓷驱动机械式、气动吸附式和薄片开口压紧式三种不同夹持装置组合起来，并集成了微力检测装置，实现对各种类型零件的夹持。本发明可方便、高效地实现自动或人机协同的复杂微小型结构件的装配作业，其定位精度≤5μm，最大运动半径≥700mm，在微小型复杂结构件微装配、微操作和生物工程领域均具有很大的实用价值。
文档编号B25J15/00GK1923466SQ20061014963
公开日2007年3月7日 申请日期2006年10月13日 优先权日2006年10月13日
发明者张之敬, 叶鑫, 金鑫, 张卫民 申请人:北京理工大学