专利名称：具有全位姿反馈的六自由度微操作机器人的制作方法
技术领域：
本项发明属于微电子机械系统(MEMS)领域。
背景技术：
微操作机器人作为微电子机械系统(Micro Electro MechanicalSystem，简称MEMS)研究领域的重要分支，受到国内外学者的高度重视。微操作机器人运动精细，具有亚微米至纳米级的定位分辨率，在精密机械工程、电子封装、精细化工、光纤对接、生物和遗传工程、材料科学、毫微平面印刷、航空航天等领域中具有广阔的应用前景。并联机构结构紧凑、运动链短、刚度高和承载能力大等优点使其适合于作为微操作机器人机构原型。1992年我国将“微操作机器人”列为国家“863”计划科技攻关项目，哈尔滨工业大学研制了一台六自由度并联微动机器人，它是一个六分支PSS副的变异Stewart平台。P副由压电陶瓷水平驱动，全部采用柔性铰链，驱动和检测一体化。北京航空航天大学(BUAA)研制了一台创意独特、两级解耦的六自由度串并联微动机器人，由压电陶瓷驱动，其机构是由上(3RPS机构)、下(3RRR机构)两机构串接而成，它具有上下机构运动解耦，加速度大，可完成粗调、细调两种功能等特点；燕山大学研制了并联六自由度机器人误差补偿器，河北工业大学研制了正交解耦结构六自由度微动机器人，清华大学研制了基于六自由度Stewart平台的微动机器人。对并联微动机器人的研究虽然得到学者们的高度重视，但就目前取得的成果来看，仍存在许多关键技术问题需要进一步解决和深入研究，如如何构建微动机器人的多维闭环控制系统等。
具有全位姿反馈的微操作机器人研究是微电子机械系统研究领域的新课题。近年来，具有位姿反馈的微操作机器人的研究受到了国内外有关科研机构的关注。为了实现微操作机器人的位姿闭环控制，必须对微操作机器人末端的多维微位移(控制结果)进行检测，也就是说这种微操作机器人必需具有多维微位移的检测装置，这使得该种微操作机器人结构复杂，标定困难。目前，多维微操作机器人主要采用并联结构，其位姿反馈信号大都来源于贴在机器人分支上的应变片的电压，此电压经精密运算放大电路和A/D转换电路送入到单片机或计算机，由于微操作机器人末端(工作台)没有包括在反馈回路内，所以目前微操作机器人位姿的控制系统还只是半闭环控制系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有全位姿反馈的六自由度微操作机器人，这种微操作机器人本体是一次加工成型的非组装件，它具有结构简单、尺寸小、制造成本低等优点，能实现无摩擦、无间隙和高分辨率的六个自由度微动的全闭环控制。在精密机械工程、电子封装、精细化工、光纤对接、生物和遗传工程、材料科学、毫微平面印刷、航空航天等领域中具有广阔的应用前景。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是在工作台与基座之间由12个运动链分支相联，其中，6个运动链分支为反馈分支，反馈分支由两端带有柔性铰链的反馈分支支柱和应变片组成，应变片粘贴在反馈分支支柱的相对应的两个侧面上；其余6个运动链分支为驱动分支，驱动分支由两端带有柔性铰链的驱动分支支柱、平行板弹性移动副和压电陶瓷微位移器组成；12个运动链分支分为3组，每组4个，分别由2个反馈分支和2个驱动分支组成；微操作机器人由粘贴在反馈分支支柱上的应变片的电压提供位姿反馈信号，来完成微操作机器人末端的六维微位移的检测，从而实现微动机器人六个自由度微动的全闭环控制。微动机器人本体是一次加工成型的非组装件。
图1为具有全位姿反馈的六自由度微操作机器人结构图；图2为具有全位姿反馈的六自由度微操作机器人结构局部放大图。
在图1、图2中，1.工作台，2.反馈分支，3.驱动分支，4.基座，5.柔性铰链，6.反馈分支支柱，7.应变片，8.驱动分支支柱，9.柔性铰链，10.平行板弹性移动副，11.压电陶瓷微位移器。
具体实施例方式
图1是本发明公开的一个实施例，这种具有全位姿反馈的六自由度微操作机器人，由工作台1、反馈分支2、驱动分支3、基座4组成，工作台1与基座4之间由12个运动链分支相联，其中，6个运动链分支为反馈分支2，反馈分支2由两端带有柔性铰链5的反馈分支支柱6和应变片7组成；其余6个运动链分支为驱动分支3，驱动分支3由两端带有柔性铰链9的驱动分支支柱8、平行板弹性移动副10和压电陶瓷微位移器11组成。12个运动链分支分为3组，每组4个，分别由两个反馈分支2和两个驱动分支3组成。驱动分支3的驱动分支支柱8一端由柔性铰链9与工作台1相联，另一端由柔性铰链9与平行板弹性移动副10相联；平行板弹性移动副10为框架结构，相对应的两个平行板相互平行；压电陶瓷微位移器11安装在平行板弹性移动副10框架结构的中部，反馈分支支柱6的相对应的两个侧面上粘贴应变片7。
该微操作机器人通过6个压电陶瓷微位移器11进行驱动，可实现微操作机器人工作台的六自由度的微移动/转动；当微操作机器人工作台(末端)的六维微位移使反馈分支支柱6产生微应变时，粘贴在6个反馈分支支柱6上的应变片7即可获得六路电压信号，这六路信号经过解耦可实现微操作机器人末端的六维微位移(控制结果)的检测。因为把微操作机器人末端纳入到了反馈回路内，故实现了微动机器人六个自由度微动的全闭环控制。当3组运动链分支分别沿三个相互垂直的方向布置时，该微操作机器人具有最佳的位移解耦性。
这种具有全位姿反馈的六自由度微操作机器人，本体是一次加工成型的非组装件，其特点是结构简单、尺寸小、制造成本低等，能实现无摩擦、无间隙和高分辨率的六个自由度微动的全闭环控制。在精密机械工程、电子封装、精细化工、光纤对接、生物和遗传工程、材料科学、毫微平面印刷、航空航天等领域中具有广阔的应用前景。
权利要求
1.一种具有全位姿反馈的六自由度微操作机器人，包括工作台(1)、反馈分支(2)、驱动分支(3)和基座(4)，其特征是工作台(1)与基座(4)之间由12个运动链分支相联，其中，6个运动链分支为反馈分支(2)，反馈分支(2)由两端带有柔性铰链(5)的反馈分支支柱(6)和应变片(7)组成；6个运动链分支为驱动分支(3)，驱动分支(3)由两端带有柔性铰链(9)的驱动分支支柱(8)、平行板弹性移动副(10)和压电陶瓷微位移器(11)组成；12个运动链分支分为3组，每组为4个运动链分支，其中两个为反馈分支(2)两个为驱动分支(3)。
2.根据权利要求1所述的具有全位姿反馈的六自由度微操作机器人，其特征是驱动分支(3)的驱动分支支柱(8)一端由柔性铰链(9)与工作台(1)相联，另一端由柔性铰链(9)与平行板弹性移动副(10)相联；平行板弹性移动副(10)为框架结构，相对应的两个平行板相互平行；压电陶瓷微位移器(11)安装在平行板弹性移动副(10)框架结构的中部。
3.根据权利要求1或2所述的具有全位姿反馈的六自由度微操作机器人，其特征是反馈分支支柱(6)的相对应的两个侧面上粘贴应变片(7)。
4.根据权利要求3所述的具有全位姿反馈的六自由度微操作机器人，其特征是具有全位姿反馈的六自由度微操作机器人的本体是一次加工成型的非组装件。
全文摘要
本发明公开了一种具有全位姿反馈的六自由度微操作机器人。其特征是工作台(1)与基座(4)之间由12个运动链分支相联，其中，6个运动链分支为反馈分支(2)，由两端带有柔性铰链(5)的反馈分支支柱(6)和应变片(7)组成；其余6个运动链分支为驱动分支(3)，由两端带有柔性铰链(9)的驱动分支支柱(8)、平行板弹性移动副(10)和压电陶瓷微位移器(11)组成。12个运动链分支分为3组，每组分别由2个反馈分支和2个驱动分支组成。该种具有全位姿反馈的六自由度微操作机器人的本体是一次加工成型的非组装件。本发明具有结构简单、尺寸小、制造成本低等优点，能实现无摩擦、无间隙和高分辨率的六个自由度的微动全闭环控制。在精密机械工程、电子封装、精细化工、光纤对接、生物和遗传工程、材料科学、毫微平面印刷、航空航天等领域中具有广阔的应用前景。
文档编号B25J9/08GK1846948SQ200610012449
公开日2006年10月18日 申请日期2006年3月17日 优先权日2006年3月17日
发明者金振林, 高峰, 陈贵林 申请人:燕山大学