一种新型5R并联微动机器人

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1、一种新型3-5R并联微动机器人燕山大学 孙龙庆、戚炜、霍杰指导老师：李仕华教授、马筱聪摘要：随着科学技术的开展，许多领域越来越迫切地需要微型系统或微动系统。本工程组在燕山大学提出的3-5R构型根底上构造了一种 3-5R微动机构模型，并对并联微动机器人系统的研制进行了探索性的研究，最终得到 3-5R微动机器人的模型。关键词：并联机器人；柔性较链；压电陶瓷一、选题背景随着科学技术的开展，许多领域越来越迫切地需要微型系统或微动系统，如航天、航空、制造业、计算机辅助医疗设备、微机电系统、微外科手术、光纤对接、微细加工等。在航空航天方面，卫星遥感技术和现代高技术战争对卫星照相机分辨率提出了越来越高的 要

2、求。卫星在轨道上的高速飞行，以及太空中某些不确定因素对卫星姿态的干扰，是影响卫星 拍照分辨率的重要原因。如果在卫星上装备微动机器人系统，控制光束的偏转，可以抵消卫星 的飞行速度对照相机指向精度的影响，补偿卫星姿态扰动引起的像移误差。在医疗设备方面，角膜移植与其他器官移植一样，是医生把他人供体健康透明的角膜通过手术移植到需要角膜的病人 受体眼睛上，以提高视力和治疗某种角膜疾病或改善外貌。角膜移 植手术过程中会出现供片和植床切面不垂直、光滑度不好、钻切深度难以精确控制等现象。医生希望以机械代替人工、以自动代替手动，使角膜移植手术能够简单化、自动化、智能化、精确化。显微手术机器人定位精确、运动平稳、

3、自动化程度高的特点正好迎合了这种要求。光纤对接是光纤通讯和光纤传感中必不可少的复杂的精微操作。例如芯径为8-10 Nm的单模光名f和Ti扩散LiNbO条形波导条宽4-6 Nm 的对接耦合，以往要求有经验的人去做，而 且经常造成器件报废而不得不返修的情况，如果使用微动机器人系统完成上述操作，使光线和 器件之间到达最正确耦合功率位置。在粘结过程中不断校准，并自动补偿对接过程中产生的误差， 使光波导有最大输出，既可以降低返修率，又可以缩短生产周期。除此之外，微动机器人在微机电系统、 微外科手术和微细加工等领域也有很广阔的应用前景。二、并联微动机器人研究概况用于微动机器人的并联机构，在运动原理上与一般

4、并联机构类似，通常基于所需自由度， 再考虑运动杆副的类型、配置及驱动方式和总体布局的条件下进行选择。目前有纯并联和串、 并混联两种形式，前者占多数，后者那么是基于位置和姿态的局部解耦设计。1992年我国将“微操作机器人列为国家“S-863方案科技攻关工程，其中代表性的研究工作有：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， 全部采用柔性饺链， 驱动和检测一体化， 具有高精度、 高分辨率、高频响的特点。北京航空航天大学研制了一台创意独特、两极解耦的六自由度由并联微动机器人。由压电 陶瓷驱动，由上3RPS机构、下3RRR机

5、构两机构串联串接而成。它具有上下机构运动解耦，加速度大，可完成粗调、细调2种功能等特点。虽然我国的“微操作机器人研究有了一定的成果，但还是远落后于一些兴旺国家，如德国的PI公司早已实现了精密操作机器人的商品化，应用于各个领域。三、方案论证1、采用并联机构微操作机器人一经出现，便与并联机构结下了不解之缘。其主要原因是并联机构的如下特点正好迎合了微操作机器人运动分辨率高纳米级、响应快数十赫兹、体积小与周边设备仪器相协调等要求：1结构紧凑；2结构对称，因此设计加工简单，对温度的灵敏度 不高；3驱动器可置于机架上，即驱动器不在工作空间内；4误差累积及放大小；5固有频率高，防止了由震动引入的不可控重复误

6、差。2、采用一种新型3-RRRRR构采用燕山大学提出的一种新型 3-RRRRRB构，该机构在初始位置下和在一般情况时，机构有沿x、v、z轴方向的三个移动自由度，即初始位置下发生移动后,该机构还有3个移动自由度。 由机构的位置反解可知，该机构可以实现将第一转动副处输入的微米级位移转化为动平台的纳 米级位移。3、采用全柔性机构对于运动范围在微米级，运动分辨率在纳米级的微动机器人，一般不采用常规运动副，而 是采用柔性运动副，靠弹性变性实现微小运动，这样可消除机械摩擦，实现无间隙微动。该机器人本体拟采用一次加工的非组装件，这样可有效地简化机械结构，减小装配误差，提 高定位精度。4、采用压电陶瓷驱动由于

7、压电陶瓷微位移器具有体积小、分辨率高、频响高、输出力大和无发热等优点，是理想的微位移器件，因此，本工程机器人采用压电陶瓷驱动。5、精度的保证压电陶瓷微位移器微米级精度的驱动，具有位移缩小能力的3-RRRR曲联全柔性机构，以位置反解和压电陶瓷位移电压关系作为控制的依据，最后再通过对系统的标定，来修正由于柔性机 构是靠弹性变形实现微小运动而不能完全等效于刚性连杆机构而产生的误差，这样，保证了微动 机器人的精度。四、研究方法构造一种3-5R实体模型一用D-H法求机构位置反解一理论与软件模拟结合，修改实体模型尺寸，使其满足微米级输入，纳米级输出一将修改后的实体模型转化为柔性机构一修正柔性机 构参数，使

8、柔性机构的输入位移与输出位移逼近位置反解，误差控制在纳米级一根据位置反解 和压电陶瓷位移电压关系，设计控制系统一机器人的加工、装配和控制系统搭接一实验研究， 系统的标定和控制环节的修正,并构建了 3-5R五、研究结果通过一个阶段的研究，我们得到了符合要求的全柔性机构本体及其位置反解并联微动机器人(不含控制系统)的模型，如下列图。六、创新点1、此并联微动机器人采用一种新型的3-RRRR机构。2、采用并联结构形式，具有结构紧凑、刚度大、负载大、体积小、精度高等优点，而且驱 动器可全部布置在基座上。3、采用柔性较链替代传统的刚性较链，具有无间隙、无摩擦、高稳定性、高重复性的优点。4、该机器人本体拟采

9、用一次加工的非组装件，可有效地简化机械结构，减小装配误差，提 高定位精度。5、采用压电陶瓷驱动，压电陶瓷具有体积小、分辨率高、频响高、输出力大和无发热等优点6、以位置反解和压电陶瓷位移电压关系作为控制的依据，再通过对系统的标定对控制环节 进行修正。七、主要参考文献1孙立宁，安辉，蔡鹤皋.压电陶瓷驱动并联微动机器人的研究J. 高技术通讯，1997,7(3):29-312毕树生，宗光华，张体娟.并联微操作机构白研究与应用J.北京航空航天大学机器人研究所，2000.3安辉.压电陶瓷驱动六自由度并联微动机器人的研究.哈尔滨工业大学工业博士论文 , 1995,1995:22-50.4 毕树生 , 宗光华 . 微操作机器人系统的研究开发. 中国机械工程，1999， 10 9 ： 1024-1027.5李仕华,吴建广,黄真,顶峰.一种新型的三自由度 3-RRRR格联平台机构及其位置分析机械设计，2004.