專利名稱：一種3－ppttrs六自由度并聯(lián)精密微動機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人，屬于機電一體化領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
精密微動機器人由于具有很高的位置精度和工作精度，在微/納米技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著機器人裝配技術(shù)的發(fā)展，機器人裝配已經(jīng)成為機器人工業(yè)應(yīng)用的重要方面之一。在微裝配領(lǐng)域，隨著微小型制造技術(shù)和微機電系統(tǒng)技術(shù)的進一步發(fā)展，迫切需求微小型器件的精密自動化裝配系統(tǒng)的建立，迫切需求高精度的精密微動機器人。
通用的機器人一般采用開鏈結(jié)構(gòu)，且自由度較多，結(jié)構(gòu)尺寸也較大，故構(gòu)件彈性變形、傳動誤差以及關(guān)節(jié)間隙等在其末端所造成的積累誤差較大。碼盤的精度和坐標(biāo)變換的計算誤差等也會對機器人末端位置精度產(chǎn)生影響，因此通常他們的位置精度不高。另一方面，由于傳動鏈長，且運動慣性較大，加上坐標(biāo)變換比較復(fù)雜，需花費一定時間，故通用機器人的頻率響應(yīng)一般也不太高，因此機器人在精密作業(yè)方面受到限制。
為了克服傳統(tǒng)通用機器人的弊端，近年來出現(xiàn)了利用并聯(lián)機構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)串連開鏈機構(gòu)的機器人新技術(shù)。由于并聯(lián)機構(gòu)以桁架桿系取代傳統(tǒng)的懸臂梁和兩支點梁來承載部件重力，加上運動部件的質(zhì)量明顯減小以及主要由電主軸、滾珠絲杠、直線電機等機電一體化部件組成，因而具有剛度高、動態(tài)性能好、機器人模塊化程度高、易于重構(gòu)以及機械結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。而目前很多精密機器人，雖然用采用了并聯(lián)機構(gòu)，但是一般都采用Stewart機構(gòu)及其變異形式，多采用壓電陶瓷作為驅(qū)動器，因而受到尺寸和驅(qū)動系統(tǒng)的限制，機器人移動范圍一般都在微米級，雖然精度能夠達到要求，但是沒有多大的實用價值。
為了滿足精密微動機器人市場的要求，拓寬精密微動機器人的實用范圍，必須要在保證精密機器人精度的基礎(chǔ)上擴大機器人的運動范圍和承載能力，解決機械剛度、振動、控制以及安全防護等諸多問題。必須在機構(gòu)設(shè)計、精度分析、剛度分析、控制方式等諸多方面進行研究，尋求最優(yōu)解決方案。
本發(fā)明提供的一種3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人目前還未見類似的研究成果，該機器人采用特殊的3-PPTTRS機構(gòu)、柔性鉸鏈副、和液壓系統(tǒng)控制靜壓螺旋機構(gòu)的驅(qū)動方式。機器人的技術(shù)指標(biāo)如下

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種用于微裝配的六自由度并聯(lián)精密微動機器人。本發(fā)明主要包括3-PPTTRS機構(gòu)，柔性鉸鏈副，靜壓螺旋機構(gòu)，液壓供油系統(tǒng)，和開放式數(shù)控系統(tǒng)五個部分。該機器人采用特殊的3-PPTTRS機構(gòu)、結(jié)合柔性鉸鏈副實現(xiàn)較大范圍內(nèi)的精密定位，待裝配的微小型零件通過微小型夾具安裝在3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人的工作臺上，驅(qū)動系統(tǒng)對六個移動驅(qū)動部件施加位移，從而使工作臺進行坐標(biāo)和位姿的變換，工作臺帶動微小型零件進行微小位移和微小位姿的運動。
·有益效果本發(fā)明的3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人具有六自由度，直線和旋轉(zhuǎn)運動范圍大，分辨率高，負(fù)重大，承受沖擊力大，控制方便，可靠性強的特點，適用于微小型器件的數(shù)字化裝配。


圖1為3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人的結(jié)構(gòu)形式圖2為3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人單臂的結(jié)構(gòu)形式圖3為3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人的工作原理圖4為3-PPTTRS機構(gòu)原理5為運動鏈的基本結(jié)構(gòu)原理6a為單軸柔性鉸鏈 圖6b柔性鉸鏈為雙軸柔性鉸鏈 圖6c為三自由度柔性鉸鏈圖7a為靜壓絲杠螺母軸向受力原理圖 圖7b為靜壓絲杠螺母徑向受力原理8為供油系統(tǒng)原理9為供油系統(tǒng)控制原理10為控制系統(tǒng)原理中1-并聯(lián)精密微動機器人工作臺 2-柔性鉸鏈球副 3-柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動副 4-柔性鉸鏈虎克鉸 5-待裝配的微小型零件 6-導(dǎo)軌 7-移動副 8-球副 9-虎克鉸 10-移動副11-轉(zhuǎn)動副 12-螺桿 13-螺母 14-油腔 15-油箱 16-過濾器 17-電動機 18-泵 19-溢流閥 20-電磁伺服閥 21-靜壓油墊 22-靜壓絲杠螺母 Ai-代表與工作臺相連的球副的中心 Bi、Ci-代表與驅(qū)動導(dǎo)軌相連的移動副中心 Di-為上下兩根桿相連接的轉(zhuǎn)動副中心。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述本發(fā)明主要包括3-PPTTRS機構(gòu)，柔性鉸鏈副，靜壓螺旋機構(gòu)，液壓供油系統(tǒng)，和開放式數(shù)控系統(tǒng)五個部分。本發(fā)明的3-PPTTRS機構(gòu)使系統(tǒng)能夠通過簡單的直線移動副10輸入位移，產(chǎn)生較大的行程范圍，并且能夠進行六自由度的運動；在同一系統(tǒng)中，同時采用單軸、雙軸和三自由度柔性鉸鏈副作為3-PPTTRS機構(gòu)中的運動副，利用柔性鉸鏈的特殊結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)運動副因為摩擦、間隙和回退空程引起的誤差；靜壓技術(shù)理論雖然已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是將高精度的靜壓螺旋機構(gòu)應(yīng)用到并聯(lián)精密微動機器人領(lǐng)域還是第一次，采用靜壓螺旋機構(gòu)作為3-PPTTRS機構(gòu)中的移動副，直線進給分辨率可以達到0.01μm，該機構(gòu)由一套壓力穩(wěn)定、溫度恒定、過濾要求高的供油系統(tǒng)驅(qū)動；采用計算機與PMAC卡相結(jié)合的開放式數(shù)控系統(tǒng)，結(jié)合相應(yīng)的控制策略進行精密控制。
3-PPTTRS機構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示，該機構(gòu)是按照并聯(lián)機構(gòu)的命名方法進行命名的，表示有3個運動鏈并聯(lián)，每個運動鏈由兩個移動副10，兩個虎克鉸9，一個球副8和一個轉(zhuǎn)動副11組成，通過球副8與工作臺1連接，其中兩個移動副10的軸線始終處于同一條垂直于地面的直線上，兩個虎克鉸9分別與兩個移動副10相連，轉(zhuǎn)動副11連接由虎克鉸9伸出的兩根桿，球副8位于長桿的末端與工作臺相連，運動鏈結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。3-PPTTRS機構(gòu)具有六個自由度，采用對稱設(shè)計，三條子運動鏈在空間以工作臺1為中心按照120°對稱分布以保持系統(tǒng)的平衡，提高系統(tǒng)整體的動力學(xué)性能。
該機構(gòu)通過移動副10進行驅(qū)動，處于同一條運動鏈的兩個移動副10的軸線處于同一條直線上。每個移動副10處都會安裝液壓系統(tǒng)控制靜壓螺旋機構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)，提供移動精度為0.01μm的直線位移。本發(fā)明中3-PPTTRS機構(gòu)中的運動副并不是傳統(tǒng)意義上的運動副，而是使用柔性鉸鏈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的虎克鉸9、轉(zhuǎn)動副11和球副8，這樣會大大提高系統(tǒng)的精度和分辨率。其中轉(zhuǎn)動副11采用單軸柔性鉸鏈，虎克鉸9采用雙軸柔性鉸鏈，球副8采用三自由度柔性鉸鏈。這三種柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)形式如圖6。
每條運動鏈的代號用字母i(i＝1，2，3)表示，其中Bi、Ci代表了與驅(qū)動導(dǎo)軌相連的移動副中心，Di為上下兩根桿相連接的轉(zhuǎn)動副中心，Ai則代表了與工作臺相連的球副的中心。由于運動鏈的特殊結(jié)構(gòu)，使工作臺的運動分析起來比較方便。由于|AiDi|＝BiDi|＝|CiDi|，那么AiBiCi三點在空間構(gòu)成了一個直角三角形，Bi處為直角頂點，且Ai與Bi始終處于同樣的高度，即Ai與Bi的Z坐標(biāo)始終相等。那么工作臺中心的Z坐標(biāo)也可以由Bi決定。而Ci的位置則決定了工作臺中心在XY平面內(nèi)的位置。
柔性鉸鏈副是用柔性鉸鏈制作成特殊的結(jié)構(gòu)，在本機器人機構(gòu)中，用于替代3-PPTTRS機構(gòu)中的各種運動副。柔性鉸鏈的應(yīng)用是保證機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)精密定位的一項主要技術(shù)。柔性鉸鏈?zhǔn)且环N能夠繞軸作有限角位移的彈性支撐，中部較薄弱，在力矩作用下可以產(chǎn)生較明顯的彈性角變形，能在機械結(jié)構(gòu)中起到鉸鏈的作用。與一般鉸鏈相比，柔性鉸鏈沒有機械結(jié)構(gòu)上的間隙，并且有彈性回復(fù)力，因而消除了運動中的摩擦和回退空程。柔性鉸鏈分為單軸和雙軸兩種，單軸柔性鉸鏈?zhǔn)抢@一個軸彈性彎曲的，雙軸柔性鉸鏈?zhǔn)茄貎蓚€互相垂直的軸彈性彎曲的，這種彈性彎曲是可逆的。使用柔性鉸鏈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的虎克鉸、轉(zhuǎn)動副和球副，會大大提高系統(tǒng)的精度。
傳統(tǒng)的虎克鉸具有繞兩個互相垂直的軸轉(zhuǎn)動的自由度，圖5b中的雙軸柔性鉸鏈可以繞通過其中心的互相垂直的兩個軸轉(zhuǎn)動，完全可以在線彈性范圍內(nèi)取代傳統(tǒng)意義上的虎克鉸。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動副具有繞一個軸轉(zhuǎn)動的單自由度，圖5a中的單軸柔性鉸鏈則可以繞通過其中心的軸轉(zhuǎn)動，完全可以在線彈性范圍內(nèi)取代傳統(tǒng)意義上的轉(zhuǎn)動副。傳統(tǒng)的球副在空間可以繞通過其中心的笛卡兒坐標(biāo)系下的X、Y、Z三個軸做任意轉(zhuǎn)動，而圖5c中的三自由度柔性鉸鏈則可以繞通過其中心的與其軸線相垂直的平面內(nèi)相互垂直的兩根軸轉(zhuǎn)動，也可以繞其軸線轉(zhuǎn)動，完全可以在線彈性范圍內(nèi)取代傳統(tǒng)意義上的球副。
被柔性鉸鏈副完全取代的子運動鏈結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過移動副7對系統(tǒng)進行驅(qū)動，柔性鉸鏈副確定各個構(gòu)件之間的關(guān)系，帶動工作臺移動和轉(zhuǎn)動。
3-PPTTRS機構(gòu)中的移動副10采用靜壓絲杠螺母機構(gòu)，其工作原理如圖7所示。靜壓絲杠螺母22是一種精密傳動機構(gòu)，具有摩擦系數(shù)小、壽命長、傳動效率高、抗振性好、工作精度高等優(yōu)點。靜壓絲杠螺母機構(gòu)沒有因摩擦引起的爬行現(xiàn)象或反向時空行程的存在，并且有很高的軸向剛度，定位精度高?？侦o壓螺旋機構(gòu)的分辨率可達到0.01μm，其進給精度比C0級滾珠絲杠高2個數(shù)量級。機構(gòu)的性能特點非常適合于精密并聯(lián)機器人移動副的使用，它的驅(qū)動裝置為一套壓力穩(wěn)定、溫度恒定、過濾要求高的供油系統(tǒng)。
靜壓絲杠螺母機構(gòu)的軸向工作原理如圖7a所示。在靜壓絲杠螺母的兩側(cè)開有相對的油腔14，壓力油經(jīng)節(jié)流器，進入油腔14。無載荷作用時，兩側(cè)面間隙相等，通過每一個油腔沿間隙流出的流量相等，因此油腔壓力也相等，這是絲杠位于螺母的中間位置，保持平衡。當(dāng)靜壓絲杠螺母受到一軸向力作用后，絲杠偏向一邊，這是受壓的一側(cè)間隙減少，油腔壓力也隨之增高，另一側(cè)則相反，間隙增大，壓力下降，形成了壓力差，以抵抗外載荷而保持平衡。
靜壓絲杠螺母機構(gòu)的徑向工作原理如圖7b所示?？蛰d時，壓力油經(jīng)過毛細管節(jié)流器進入油腔，絲杠在每扣相對應(yīng)的油腔壓力作用下處于中心位置，這時油液經(jīng)間隙從牙頂和牙底處的回油槽流出。當(dāng)絲杠受徑向載荷作用后，在載荷方向上產(chǎn)生位移，使下油腔處回油間隙減小，回油阻力增大，油腔壓力升高。而上油腔處回油間隙增大，回油阻力減小，油腔壓力下降，由此形成了壓力差與外載荷平衡。此時由于各油腔壓力的變化，因此下油腔的壓力油除了從牙頂、牙底流回郵箱外，還發(fā)生向上油腔的內(nèi)流現(xiàn)象。
這說明靜壓絲杠螺母機構(gòu)既能夠承受軸向載荷，也能承受徑向載荷。通過軸向驅(qū)動，可以實現(xiàn)軸線的微位移。
液壓供油系統(tǒng)是本發(fā)明的驅(qū)動裝置。靜壓絲杠螺母22采用多腔式的、無排油槽的結(jié)構(gòu)，能夠承受偏心載荷，有抗傾復(fù)能力。為了保證各個油腔中壓力穩(wěn)定，采用定量閥向各油腔供油，得到壓力穩(wěn)定、溫度恒定、過濾要求高的供油系統(tǒng)如圖8所示。供油系統(tǒng)的控制如圖9所示。
圖8為定量閥向各油腔供油的原理圖。電機17帶動泵18旋轉(zhuǎn)，將油從油箱15抽出，經(jīng)過過濾器16進行過濾。油液通過泵17后分為兩支，一支是多余的油液通過溢流閥19回到油箱15中，另一支則通過電磁伺服閥20流入靜壓油墊21，進而驅(qū)動靜壓絲杠螺母機構(gòu)作微位移運動。這種供油方式可以隨油膜厚度的變化自動調(diào)節(jié)油腔壓力，以適應(yīng)載荷的變化。
液壓供油驅(qū)動系統(tǒng)與開放式數(shù)控系統(tǒng)通過驅(qū)動控制信號進行連接，如圖9所示。驅(qū)動型號通過電位計、電荷放大之后，傳遞給由液壓伺服閥。液壓伺服閥將驅(qū)動控制信號轉(zhuǎn)換成液體流量來控制靜壓絲杠螺母機構(gòu)進行微位移運動。當(dāng)然，精度達到0.01μm的系統(tǒng)必須是一個閉環(huán)系統(tǒng)。在靜壓絲杠螺母機構(gòu)上轉(zhuǎn)載位移檢測裝置，并將位移信號反饋回電荷放大器。
控制系統(tǒng)采用“PC+運動控制器”的開放模式，形成以PC機為上位機、運動控制器為下位機的分布控制，如圖10所示。主要硬件模塊包括工控機、運動控制器、I/O模板、驅(qū)動與檢測等。開放式的數(shù)控系統(tǒng)在充分保證數(shù)控系統(tǒng)的可移植性、可擴展性、可協(xié)同性和規(guī)?？勺冃缘耐瑫r，保證了3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人系統(tǒng)的運動軌跡精度。
控制系統(tǒng)包含六套驅(qū)動系統(tǒng)，分別用于六自由度精密并聯(lián)微動機器人的六組靜壓絲杠螺母驅(qū)動。運動控制卡通過逆運動學(xué)關(guān)系計算出機器人六個驅(qū)動端的直線位移，分別通過六個驅(qū)動器產(chǎn)生對各電磁閥的驅(qū)動信號，電磁閥接到信號后調(diào)節(jié)流量閥的開口大小，從而調(diào)節(jié)流量的大小，通過流量的微量變動來達到精密驅(qū)動靜壓絲杠螺母機構(gòu)而產(chǎn)生微位移的目的?？赐ㄟ^I/O面板控制機器人的輔助功能設(shè)備、驅(qū)動指示裝置和報警裝置，檢測控制面板輸入信號等。工控機包含驅(qū)動器、面板鍵盤、存儲器和顯示器等內(nèi)容。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人，其特征在于主要由3-PPTTRS機構(gòu)、柔性鉸鏈副、靜壓絲杠螺母機構(gòu)、液壓供油裝置和開放式數(shù)控裝置五個主要部分構(gòu)成；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人，其特征在于3-PPTTRS機構(gòu)有3個運動鏈并聯(lián)，每個運動鏈由兩個移動副、兩個虎克鉸、一個旋轉(zhuǎn)副和一個球副組成，通過球副與工作臺連接；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人，其特征在于柔性鉸鏈副采用的是無間隙、無爬行、無摩擦，能夠繞軸作有限角位移的彈性支撐，中部較薄弱的的柔性鉸鏈副；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人，其特征在于在靜壓絲杠螺母的兩側(cè)開有相對的油腔；
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人，其特征在于采用“PC+運動控制器”的開放模式，形成以PC機為上位機、運動控制器為下位機的分布控制系統(tǒng)；
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種3-PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人，其特征在于柔性鉸鏈分為單軸和雙軸兩種，單軸柔性鉸鏈?zhǔn)抢@一個軸彈性彎曲的，雙軸柔性鉸鏈?zhǔn)茄貎蓚€互相垂直的軸彈性彎曲的。
全文摘要
本發(fā)明為一種3－PPTTRS六自由度并聯(lián)精密微動機器人。主要由3－PPTTRS機構(gòu)、柔性鉸鏈副、靜壓絲杠螺母機構(gòu)、液壓供油裝置和開放式數(shù)控裝置五個主要部分構(gòu)成。機器人具有六自由度，X、Y、Z直線運動范圍能達到10mm×10mm×10mm，分辨率能達到0.01μm×0.01μm×0.01μm；ψ、θ、φ旋轉(zhuǎn)運動范圍能達到10°×16°×10°，分辨率能達到0.023°×0.055°×0.023°。本發(fā)明能夠彌補目前精密微動并聯(lián)機器人自由度數(shù)少、直線和旋轉(zhuǎn)運動范圍小、分辨率低的缺陷，能夠承受較大的沖擊載荷、且負(fù)重較大、在較大范圍內(nèi)進行精密的微小型器件裝配，將宏微運系統(tǒng)緊密地結(jié)合起來，在微位移領(lǐng)域具有很大的實用價值。
文檔編號B23Q1/48GK1788942SQ200510125990
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月2日
發(fā)明者張之敬, 葉鑫, 金鑫, 張衛(wèi)民, 王西彬 申請人:北京理工大學(xué)