CN103878766A - 3-prs型微动并联机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3-PRS型微动并联机器人，其包括：工作台、与工作台相对设置的底座，工作台与底座之间设置有三根PRS支链，任一PRS支链包括：上斜块、上部柔性铰链、压电陶瓷驱动器、下部柔性铰链、调整垫片、下斜块；上斜块和下斜块通过圆柱销进行定位，下斜块中还设置有用于顶紧所述下部柔性铰链的平面紧定螺钉，上部柔性铰链为球面副柔性铰链，下部柔性铰链为转动副柔性铰链。本发明的3-PRS型微动并联机器人依靠压电陶瓷直接驱动的，并通过柔性铰链进行传动，实现了三个自由度的运动。且只含有三个压电陶瓷致动器，其集精密机械、驱动和测量反馈技术于一体，实现了机构、驱动、检测一体化的设计。

Description

3-PRS型微动并联机器人

技术领域

本发明涉及微驱动技术与并联机器人技术交叉结合的技术领域，具体涉及一种3-PRS型微动并联机器人。

背景技术

微定位***和并联机构是当今科学研究和工程应用领域的研究热点。微驱动技术与并联机器人技术交叉结合所产生的微动并联机器人已经成为一个热门课题，目前关于微动并联机器人的研究开发和应用日益广泛，应用的领域也在不断拓展，微动并联机器人的应用主要集中在空间、隔振、医疗、光学、工业等领域。

目前，燕山大学研制了一种各向同性的六自由度微动并联机器人（专利公开/公告号为CN202428438U），该机器人通过放在平行板柔性移动副框架结构中部的压电陶瓷驱动，由推杆放大位移，将位移传递给平行板柔性移动副，实现工作平台的移动，该微动机器人虽有较好的位移解耦性，但结构复杂。

北京理工大学研制出一种3-PPTTRS六自由度并联精密微动机器人（专利公开/公告号为CN1788942A），该发明虽然具有较大范围的工作空间，但由于该机器人***中含有静压丝杠螺母机构，在运动过程中不可避免的存在传动间隙，影响传动精度，此外，该机器人还具有液压供油装置，使得整个微动机器人体积较大，限制了其在一些尺寸有要求场合的使用。

哈尔滨工业大学研制出一种三支链六自由度并联柔性铰链微动机构（专利公开/公告号为CN1962209A），从空间结构上看，该机器人属于6-PSS型微动并联机器人，压电陶瓷布置在底座上，压电陶瓷的输出经过弹性平行板传递到与之相连的连接座上，然后两端带柔性铰链的支撑杆件再将连接座和上平台连接起来，这种机构形式传动链长，误差因素多，而且底座较大，加工困难。

综上，上述机构均为六自由度并联机构，但在一些特定的场合往往不需要空间六自由度运动。虽然此类六自由度并联机构也能实现少自由度（六自由度以下）的运动，但这势必会增加压电陶瓷致动器和压电陶瓷驱动电源的数量，造成不必要的浪费。

因此，针对上述问题，有必要提供一种3-PRS型微动并联机器人。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种3-PRS型微动并联机器人，其能够解决目前的并联机器人的六自由度并联机构的局限性。

为了实现上述目的，本发明的一种3-PRS型微动并联机器人，其包括：工作台、与所述工作台相对设置的底座，所述工作台与底座之间设置有三根PRS支链，

所述任一PRS支链包括：上斜块、上部柔性铰链、压电陶瓷驱动器、下部柔性铰链、调整垫片、下斜块，所述上部柔性铰链和下部柔性铰链分别安装于所述压电陶瓷驱动器的两端，所述上部柔性铰链通过上斜块与所述工作台相连接，所述下部柔性铰链通过下斜块与所述底座相连接，所述调整垫片设置于所述下部柔性铰链和下斜块之间；

所述工作台上的三个上斜块以及所述底座上的下斜块各自分布于三角形的三个顶点，所述三根PRS支链与所述底座具有一夹角；

所述上斜块和下斜块通过圆柱销进行定位，所述下斜块中还设置有用于顶紧所述下部柔性铰链的平面紧定螺钉，所述上部柔性铰链为球面副柔性铰链，所述下部柔性铰链为转动副柔性铰链。

作为本发明的进一步改进，所述上部柔性铰链包括第一本体，所述第一本体的一端设置有M3外螺纹，另一端设置有Φ6光轴。

作为本发明的进一步改进，所述下部柔性铰链包括第二本体，所述第二本体的一端设置有M3外螺纹，另一端设置有Φ6光轴，所述第二本体上的Φ6光轴比所述第一本体上的Φ6光轴长2mm。

作为本发明的进一步改进，所述上斜块上设置有上装配间隙，所述上部柔性铰链的一端与所述上装配间隙相配合，并通过锥端紧定螺钉预紧。

作为本发明的进一步改进，所述下斜块上设置有下装配间隙，所述下部柔性铰链的一端与所述下装配间隙相配合，并通过所述平面紧定螺钉顶紧。

作为本发明的进一步改进，所述上斜块和下斜块通过内六角圆柱头螺钉分别固定于所述工作台和底座上。

作为本发明的进一步改进，所述压电陶瓷驱动器包括底座、套管、连接头、预紧头、以及封装于所述套管中的填充物和压电陶瓷，所述套管安装于所述底座上，所述套管的另一端由所述连接头和预紧头进行封装，所述连接头和预紧头之间填充有填充物，所述连接头部分突伸于所述套管设置。

作为本发明的进一步改进，所述3-PRS型微动并联机器人还包括：与所述工作台相配合的工作台底盖、以及与所述底座相配合的底座盖。

作为本发明的进一步改进，所述上部柔性铰链和下部柔性铰链的材质为尼龙。

作为本发明的进一步改进，所述3-PRS型微动并联机器人还包括检测装置和反馈装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的3-PRS型微动并联机器人依靠压电陶瓷直接驱动的，并通过柔性铰链进行传动，其具有绕X、Y方向的转动和Z方向的平动，即实现了三个自由度的运动。

且本发明的3-PRS型微动并联机器人只含有三个压电陶瓷致动器。该并联机器人集精密机械、驱动和测量反馈技术于一体，实现了机构、驱动、检测一体化的设计，并具有体积小、结构紧凑、刚度大、频响高等优点，可实现纳米级的定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的3-PRS型微动并联机器人的部分结构的一具体实施方式的立体示意图；

图2为图1中上部柔性铰链的放大示意图；

图3为图1中下部柔性铰链的放大示意图；

图4为图1中压电陶瓷驱动器的剖面图；

图5为本发明的3-PRS型微动并联机器人的立体示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的3-PRS型微动并联机器人100包括：工作台10、底座20、工作台底盖30、底座盖40、以及三根PRS支链50。

其中，工作台10通过内六角圆柱头螺钉与工作台底盖30装配在一起，底座20通过相应的内六角圆柱头螺钉与底座盖40进行装配。

上述三根PRS支链50以并联的方式安装于工作台10和底座20之间，且三根PRS支链50与底座20具有一夹角。具体地，任一PRS支链50包括：上斜块51、上部柔性铰链52、压电陶瓷驱动器53、下部柔性铰链54、调整垫片55、以及下斜块56。

其中，上斜块51和下斜块56分别安装于工作台10和底座20相对的壁面上，且三根PRS支链的三个上斜块51以及三个下斜块56各自分布于三角形的三个顶点。优选地，上斜块51和下斜块56通过内六角圆柱头螺钉分别固定于工作台10和底座20上。上述上部柔性铰链52和下部柔性铰链54分别安装于压电陶瓷驱动器53的两端，上部柔性铰链52和下部柔性铰链54进一步分别与上述上斜块51和下斜块56进行连接，从而使工作台10、底座20、PRS支链50连接形成一整体。

如图2所示，进一步地，上部柔性铰链52包括第一本体521、以及分别设置于第一本体521两端的M3外螺纹522和Φ6光轴523。其中，上部柔性铰链52通过Φ6光轴523与上斜块51进行连接，相应地，上斜块51上开设有上装配间隙，Φ6光轴523伸入该上装配间隙中。为了防止工作过程中上部柔性铰链52发生松动，上述上部柔性铰链52通过锥端紧定螺钉预紧。上部柔性铰链52的M3外螺纹522与上述压电陶瓷驱动器53的一端进行螺纹连接。本实施方式中的上部柔性铰链52为球面副柔性铰链，该球面副柔性铰链具有三个自由度，从而通过圆柱销对其进行定位，以限定其在平面上的其中两个移动方向。

如图3所示，下部柔性铰链54包括第二本体541、以及分别设置于第二本体54两端的M3外螺纹542和Φ6光轴543。其中，下部柔性铰链54通过Φ6光轴543与下斜块56进行连接，相应地，下斜块56上开设有下装配间隙，Φ6光轴543伸入该下装配间隙中。下部柔性铰链54的M3外螺纹542与上述压电陶瓷驱动器53的另一端进行螺纹连接。本实施方式中的下部柔性铰链54为转动副柔性铰链，其具有一个自由度。从而，为了保证其位置的精确性，相应地在下斜块56中设置有平面紧定螺钉，该平面紧定螺钉可将下部柔性铰链54的端面顶紧，防止其发生松动和位置偏移。为了进一步保证转动副柔性铰链位置的精确性，下斜块56中还开设有两个销孔，该销孔中穿置有对其进行定位的圆柱销。优选地，下部柔性铰链54的材质为尼龙。

此外，上述调整垫片55设置于下部柔性铰链54与下斜块56之间。设置调整垫片55的目的在于，其可在装配过程中进行修配调整，以保证本发明的3-PRS型微动并联机器人各个部件之间的位置符合装配安装的需求，同时保证三根PRS支链的相对长度符合要求。由于上述调整垫片55设置于下部柔性铰链54与下斜块56之间，从而第二本体541上的Φ6光轴543比第一本体521上的Φ6光轴523长2mm，以形成调整垫片55的安装空间。

如图4所示，压电陶瓷驱动器53包括底座531、套管532、连接头533、预紧头534、以及封装于所述套管532中的填充物535和压电陶瓷536。

其中套管532具有内部安装空间，其两端具有开口。该套管532安装于底座531上，底座531对相应端进行封装。该套管532的另一端由连接头533和预紧头534进行封装，且连接头533部分突伸于套管532设置，从而套管532的内部安装空间形成一密封空间。为了保证内部安装空间的密封性，连接头533和预紧头534之间填充有填充物。本实施方式中，压电陶瓷536可以选用Piezomecbanik公司的PSt150/7/40VS12型闭环压电陶瓷。

如图5所示，上述工作台10和底座20分别通过内六角圆柱头螺钉与工作台底盖30和底座盖40装配在一起。

此外，本发明的3-PRS型微动并联机器人100还包括检测装置（未图示）和反馈装置（未图示）。通过该检测装置3-PRS型微动并联机器人可完成对目标物的测量，测量的数据可通过反馈装置反馈给3-PRS型微动并联机器人。

本发明的3-PRS型微动并联机器人的装配可按照以下步骤实现：

首先，将上斜块与工作台通过圆柱销进行定位，并用内六角圆柱头螺钉将两者固定。此时，对内六角圆柱头螺钉不进行紧固，使其具有一定的松弛性，只需拧上任意斜对角的两个内六角圆柱头螺钉即可，按照此方式完成三个上斜块与工作台的装配。

然后，在三根PRS支链的两端分别旋上上部柔性铰链和下部柔性铰链，组成三个传动链，注意旋紧时不要破坏柔性铰链。在下部柔性铰链的光轴上套装调整垫片，并分别将上部柔性铰链和下部柔性铰链的光轴进一步嵌入工作台上的上斜块及底座上的下斜块中。调整三个传动链的位置，如不能实现工作台与底座之间平行对称的位置关系，卸下调整垫片修磨，重复上述操作直到满足要求的空间位置关系。

卸下工作台与上斜块之间的内六角圆柱头螺钉，移去工作台，套上工作台底盖，再将工作台与底盖合上，用另外的内六角圆柱头螺钉将两者固定。工作台与上斜块之间用内六角圆柱头螺钉拧上，此时所有内六角圆柱头螺钉全部拧紧。

同样取下底座，套上底座盖，将底座与底座盖合上，拧紧连接下斜块与底座的所有内六角圆柱头螺钉、及连接底座和底座盖的所有内六角圆柱头螺钉，装配完毕。

下面通过测试实验对本发明的3-PRS型微动并联机器人的性能进行说明。

在工作表面上安装测量块，根据3-PRS型微动并联机器人的运动学反解建模公式和压电陶瓷的实际输出的最大位移范围，各个轴独立运动时输入使压电陶瓷中任意一条支路伸长量达到做大位移时驱动电压值。这时测得数值便是某个轴单独运动时的最大运动范围。

3-PRS型微动并联机器人的分辨率和重复定位精度采用两台德国SIOS公司生产的小型激光干涉仪，型号为AE SP500E，测量范围为500mm，测量分辨率为1.24nm，测试时在恒温隔振环境中进行。

直线测量采用一台干涉仪进行直接测量，角度测量采用两台干涉仪进行间接测量。测试前需要在3-PRS型微动并联机器人的工作台表面上的适当位置粘贴反射镜片。由于受测量设备数量限制，每次只测量一个参数。测量方案与测量3-PRS型微动并联机器人运动范围类似，只是将测量支架改为反射镜片。相关测试结果如下表1所示：

测试目标轴	运动范围	运动分辨率	重复定位精度
				Z轴	±18μm	6nm	26nm
θx轴	±0.85mrad	0.1μrad	0.27μrad
				θy轴	±0.75mrad	0.1μrad	0.29μrad

表1

综上所述，本发明的3-PRS型微动并联机器人依靠压电陶瓷直接驱动的，并通过柔性铰链进行传动，其具有绕X、Y方向的转动和Z方向的平动，即实现了三个自由度的运动。

且本发明的3-PRS型微动并联机器人只含有三个压电陶瓷致动器。该并联机器人集精密机械、驱动和测量反馈技术于一体，实现了机构、驱动、检测一体化的设计，并具有体积小、结构紧凑、刚度大、频响高等优点，可实现纳米级的定位精度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种3-PRS型微动并联机器人，其包括：工作台、与所述工作台相对设置的底座，所述工作台与底座之间设置有三根PRS支链，其特征在于，

所述任一PRS支链包括：上斜块、上部柔性铰链、压电陶瓷驱动器、下部柔性铰链、调整垫片、下斜块，所述上部柔性铰链和下部柔性铰链分别安装于所述压电陶瓷驱动器的两端，所述上部柔性铰链通过上斜块与所述工作台相连接，所述下部柔性铰链通过下斜块与所述底座相连接，所述调整垫片设置于所述下部柔性铰链和下斜块之间；

所述工作台上的三个上斜块以及所述底座上的下斜块各自分布于三角形的三个顶点，所述三根PRS支链与所述底座具有一夹角；

所述上斜块和下斜块通过圆柱销进行定位，所述下斜块中还设置有用于顶紧所述下部柔性铰链的平面紧定螺钉，所述上部柔性铰链为球面副柔性铰链，所述下部柔性铰链为转动副柔性铰链。

2.根据权利要求1所述的3-PRS型微动并联机器人，其特征在于，所述上部柔性铰链包括第一本体，所述第一本体的一端设置有M3外螺纹，另一端设置有Φ6光轴。

3.根据权利要求2所述的3-PRS型微动并联机器人，其特征在于，所述下部柔性铰链包括第二本体，所述第二本体的一端设置有M3外螺纹，另一端设置有Φ6光轴，所述第二本体上的Φ6光轴比所述第一本体上的Φ6光轴长2mm。

4.根据权利要求1所述的3-PRS型微动并联机器人，其特征在于，所述上斜块上设置有上装配间隙，所述上部柔性铰链的一端与所述上装配间隙相配合，并通过锥端紧定螺钉预紧。

5.根据权利要求1所述的3-PRS型微动并联机器人，其特征在于，所述下斜块上设置有下装配间隙，所述下部柔性铰链的一端与所述下装配间隙相配合，并通过所述平面紧定螺钉顶紧。

6.根据权利要求1所述的3-PRS型微动并联机器人，其特征在于，所述上斜块和下斜块通过内六角圆柱头螺钉分别固定于所述工作台和底座上。

7.根据权利要求1所述的3-PRS型微动并联机器人，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器包括底座、套管、连接头、预紧头、以及封装于所述套管中的填充物和压电陶瓷，所述套管安装于所述底座上，所述套管的另一端由所述连接头和预紧头进行封装，所述连接头和预紧头之间填充有填充物，所述连接头部分突伸于所述套管设置。

8.根据权利要求1所述的3-PRS型微动并联机器人，其特征在于，所述3-PRS型微动并联机器人还包括：与所述工作台相配合的工作台底盖、以及与所述底座相配合的底座盖。

9.根据权利要求1所述的3-PRS型微动并联机器人，其特征在于，所述上部柔性铰链和下部柔性铰链的材质为尼龙。

10.根据权利要求1所述的3-PRS型微动并联机器人，其特征在于，所述3-PRS型微动并联机器人还包括检测装置和反馈装置。

Images