CN1377757A - 可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人 - Google Patents

可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人 Download PDF

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Abstract

一种可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人。属于先进制造技术领域。主要解决并联结构微动机器人采用完全装配式装配误差大;整体加工式工艺性较差的技术问题。主要技术要点是具有三个两两正交安装面和连接孔的底座模块通过驱动模块和运动支链模块连接着动平台模块。该模块化微动机器人具有多样性和多功能性。在精细操作与加工、微制造、微动工作台、集成电路制造、生物和遗传工程、显微外科等领域具有广阔的应用前景和价值。

Description

1、一种可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人，其特征在于：具有三个两两正交安装面和连接孔的底座模块通过驱动模块和支链模块连接着动平台模块。
2、按照权利要求1所说的可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人，其特征在于：支链模块的结构是将同一方向的两个运动支链，即两个柔性移动副、两个连杆和四个柔性球铰一体化设计，其结构是两个柔性移动副(9)和(14)并列固接在有连接孔的一个底盘(10)上，两个轴线平行的连杆(7)、(12)分别与两个柔性球铰(6)和(8)、(11)和(13)相连，下面两个柔性球铰(8)和(13)分别固接在两个柔性移动副(9)和(14)上，上面两个柔性球铰(6)和(11)分别固接在一个方杆(5)上。
3、按照权利要求1所说的可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人，其特征在于：支链模块的结构是将同一方向的两个运动支链，即两个柔性移动副、两个连杆、两个柔性球铰和两个柔性虎克铰一体化设计，其结构是两个柔性移动副(19)、(24)并列固接在有连接孔的一个底盘(20)上，两个轴线平行的连杆(17)、(22)分别与一个柔性虎克铰(18)和(23)和一个柔性球铰(16)、(21)相连，下面两个柔性虎克铰(18)和(23)分别固接在两个柔性移动副上，上面两个柔性球铰(16)和(21)分别固接在一个方杆(15)上。
4、按照权利要求1所说的可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人，其特征在于：支链模块的结构是将同一方向的两个运动支链，即两个柔性移动副、两个连杆和四个柔性虎克铰一体化设计，其结构是两个柔性移动副(29)和(34)并列固接在有连接孔的一个底盘(30)上，两个轴线平行的连杆(27)、(32)分别与两个柔性虎克铰(26)和(28)、(31)和(33)相连，下面两个柔性虎克铰(28)和(33)分别固接在两个柔性移动副(29)和(34)上，上面两个柔性虎克铰(26)和(31)分别固接在一个方杆(25)上。
5、按照权利要求1所说的可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人，其特征在于：支链模块为单运动支链，即一个柔性移动副、一个连杆和两个柔性球铰一体化设计，其结构是移动副(39)固接在有连接孔的一个底盘(40)上，连杆(37)
本发明的技术解决方案如下：
可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人的结构是，具有三个两两正交安装面和连接孔的底座模块通过驱动模块和支链模块连接着动平台模块。
2-PSS支链模块的结构是将同一方向的两个运动支链，即两个柔性移动副、两个连杆和四个柔性球铰一体化设计，其结构是两个柔性移动副(9)和(14)并列固接在有连接孔的一个底盘(10)上，两个轴线平行的连杆(7)、(12)分别与两个柔性球铰(6)和(8)、(11)和(13)相连，下面两个柔性球铰(8)和(13)分别固接在两个柔性移动副(9)和(14)上，上面两个柔性球铰(6)和(11)分别固接在一个方杆(5)上。
2-PUS支链模块的结构是将同一方向的两个运动支链，即两个柔性移动副、两个连杆、和两个柔性球铰和两个柔性虎克铰一体化设计，其结构是两个柔性移动副(19)、(24)并列固接在有连接孔的一个底盘(20)上，两个轴线平行的连杆(17)、(22)分别与一个柔性虎克铰(18)和(23)和一个柔性球铰(16)、(21)相连，下面两个柔性虎克铰(18)和(23)分别固接在两个柔性移动副上，上面两个柔性球铰(16)和(21)分别固接在一个方杆(15)上。
2-PUU支链模块的结构是将同一方向的两个运动支链，即两个柔性移动副、两个连杆和四个柔性虎克铰一体化设计，其结构是两个柔性移动副(29)和(34)并列固接在有连接孔的一个底盘(30)上，两个轴线平行的连杆(27)、(32)分别与两个柔性虎克铰(26)和(28)、(31)和(33)相连，下面两个柔性虎克铰(28)和(33)分别固接在两个柔性移动副(29)和(34)上，上面两个柔性虎克铰(26)和(31)分别固接在一个方杆(25)上。
1-PSS支链模块为单运动支链，即一个柔性移动副、一个连杆和两个柔性球铰一体化设计，其结构是移动副(39)固接在有连接孔的一个底盘(40)上，连杆(37)与两个柔性球铰(36)和(38)相连，下面的柔性球铰(38)固接在柔性移动副(39)上，上面的柔性球铰(36)固接在一个方杆(35)上。
1-PUS支链模块为单运动支链，即一个柔性移动副、一个连杆、一个柔性球铰和一个柔性虎克铰一体化设计，其结构是柔性移动副(45)固接在有连接孔的一个底盘(46)上，连杆(43)分别与一个柔性虎克铰(44)和一个柔性球铰(42)相连，下面的柔性虎克铰(44)固接在柔性移动副(45)上，上面的柔性球铰(42)固接在一个方杆(41)上。
1-PUU支链模块为单运动支联，即一个柔性移动副、一个连杆和两个柔性虎克铰一体化设计，其结构是柔性移动副(51)固接在有连接孔的一个底盘(52)上，连杆(49)与两个柔性虎克铰(50)和(48)相连，下面的柔性虎克铰(50)固接在柔性移动副(51)上，上面的柔性虎克铰(48)固接在一个方杆(47)上。
动平台模块即运动工作台，其结构是模块(55)的三个两两正交的面上开有槽(53)、(54)、(56)、(57)、(58)、(59)。
驱动模块(60)是压电陶瓷驱动器，它固定在每个支链模块的移动副柔性部位与底盘之间。
这样，由底座模块、适当的支联模块、动平台模块和驱动模块(压电陶瓷驱动器)组成了特定的3～6自由度结构解耦的并联微动机器人。
本文模块的代表符号中，***数字代表运动支链数，P代表一自由度的柔性移动副，U代表二自由度的柔性虎克铰，S代表三自由度的柔性球铰。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人能够重组模块改变自己的形状，来适应不同的任务和不同的工作环境。因此它具有多样性和多功能性，同时按本发明的描述，可以解决微动机器人整体设计工艺性较差和完全装配设计存在较大装配误差的不足。该模块化微动机器人的提出在制造领域中具有重要意义，在精细操作与加工、微制造、微动工作台、集成电路制造、生物和遗传工程、显微外科等领域具有广阔的应用前景和价值。
本发明附图的图面说明如下：
图1是底座模块结构示意图；
图2是2-PSS支链模块结构示意图；
图3是2-PUS支链模块结构示意图；
图4是2-PUU支链模块结构示意图；
图5是1-PSS支链模块结构示意图；
图6是1-PUS支链模块结构示意图；
图7是1-PUU支链模块结构示意图；
图8是动平台模块结构示意图；
图9是驱动模块示意图；
图10是6-PSS模块化结构解耦并联微动机器人的结构示意图。
图11是4-PSS&1-PUU模块化结构解耦并联微动机器人的结构示意图。
图12是3-PUU&1-PSS模块化结构解耦并联微动机器人的结构示意图。
图13是3-PUU模块化结构解耦并联微动机器人的结构示意图；
图14是6-PUS模块化结构解耦并联微动机器人的结构示意图。
本发明的具体实施方式如下：
实施例1：各种模块的结构如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，
底座模块结构如图1所示，它具有三个两两正交的安装面(2)、(3)、(4)，在每一个安装面上有与支链模块相连接的连接孔。
2-PSS支链模块的结构如图2所示，将同一方向的两个运动支链，包括两个柔性移动副、两个连杆和四个柔性球铰一体化设计。其结构是两个柔性移动副(9)和(14)并列固接在有连接孔的一个底盘(10)上，两个轴线平行的连杆(7)、(12)分别与两个柔性球铰(6)和(8)、(11)和(13)相连，下面两个柔性球铰(8)和(13)分别固接在两个柔性移动副(9)和(14)上，上面两个柔性球铰(6)和(11)分别固接在一个方杆(5)上。
2-PUS支链模块的结构如图3所示，将同一方向的两个运动支链，包括两个柔性移动副、两个连杆、两个柔性球铰和两个柔性虎克铰一体化设计。其结构是两个柔性移动副(19)、(24)并列固接在有连接孔的一个底盘(20)上，两个轴线平行的连杆(17)、(22)分别与一个柔性虎克铰(18)和(23)和一个柔性球铰(16)和(21)相连，下面两个柔性虎克铰(18)和(23)分别固接在两个柔性移动副(19)和(24)上，上面两个柔性球铰(16)和(21)分别固接在一个方杆(15)上。
2-PUU支链模块的结构如图4所示，将同一方向的两个运动支链，包括两个柔性移动副、两个连杆和四个柔性虎克铰一体化设计。其结构是两个柔性移动副(29)和(34)并列固接在有连接孔的一个底盘(30)上，两个轴线平行的连杆(27)、(32)分别与两个柔性虎克铰(26)和(28)、(31)和(33)相连，下面两个柔性虎克铰(28)和(33)分别固接在两个柔性移动副(29)和(34)上，上面两个柔性虎克铰(26)和(31)分别固接在一个方杆(25)上。
1-PSS支链模块如图5所示，它将单运动支链，包括一个柔性移动副、一个连杆和两个柔性球铰一体化设计。其结构是移动副(39)固接在有连接孔的一个底盘(40)上，连杆(37)与两个柔性球铰(36)和(38)相连，下面的柔性球铰(38)固接在柔性移动副(39)上，上面的柔性球铰(36)固接在一个方杆(35)上。
1-PUS支链模块如图6所示，它将单运动支链，包括一个柔性移动副、一个连杆、一个柔性球铰和一个柔性虎克铰一体化设计。其结构是柔性移动副(45)固接在有连接孔的一个底盘(46)上，连杆(43)分别与一个柔性虎克铰(44)和一个柔性球铰(42)相连，下面的柔性虎克铰(44)固接在柔性移动副(46)上，上面的柔性球铰(42)固接在一个方杆(41)上。
1-PUU支链模块如图7所示，它将单运动支链，包括一个柔性移动副、一个连杆和两个柔性虎克铰一体化设计。其结构是柔性移动副(51)固接在有连接孔的一个底盘(52)上，连杆(49)与两个柔性虎克铰(50)和(48)相连，下面的柔性虎克铰(50)固接在柔性移动副(51)上，上面的柔性虎克铰(48)固接在一个方杆(47)上。
动平台模块即运动工作台如图8所示，其结构是模块(55)的三个两两正交的面上开有槽(53)、(54)、(56)、(57)、(58)、(59)。
实施例2：
6-PSS模块化结构解耦并联微动机器人的结构如图10所示，三个2-PSS模块(64)、(70)和(73)的底盘分别通过标准件(62)、(68)和(71)安装在底座模块(66)的三个两两正交的结合面上，并使三个2-PSS模块(64)、(70)和(73)的方杆方向两两正交，此时三个2-PSS模块连杆轴线为正交布置。三个2-PSS模块(64)、(70)和(73)的方杆与动平台模块(65)的方槽配合，并通过标准件固定连接。6个驱动模块，即压电陶瓷驱动器(61)、(63)、(67)、(69)、(72)、(74)分别固接在每个支链模块的移动副柔性部位与底盘之间。
动平台模块通过6个驱动模块驱动相连的柔性移动副实现沿X、Y、Z三轴移动和绕X、Y、Z三轴转动的6自由度解耦运动。
实施例3：
4-PSS&1-PUU模块化结构解耦并联微动机器人的结构如图11所示，两个2-PSS模块(83)、(86)和一个1-PUU模块(75)的底盘分别通过标准件(82)、(84)和(77)安装在底座模块(79)的三个两两正交的安装面上，并使两个2-PSS模块的方杆方向均沿X向，1-PUU模块方杆方向沿Z向。此时三个支链模块(75)、(83)和(86)的连杆轴线为正交布置。三个支链模块的方杆与动平台模块(78)的方槽配合，并通过标准件固定连接。5个驱动模块，即压电陶瓷驱动器(80)、(81)、(85)、(87)、(76)分别固接在每个支链模块的移动副柔性部位与底盘之间。
动平台模块(78)通过5个驱动模块驱动相连的柔性移动副实现沿X、Y、Z三轴移动和绕Y、Z二轴转动的5自由度解耦运动。
将上述模块化机器人的两个2-PSS模块替换为两个2-PUS模块，所得4-PUS&1-PUU模块化结构解耦并联微动机器人与其有相同的运动特性。
实施例4：
3-PUU&1-PSS模块化结构解耦并联微动机器人的结构如图12所示，一个2-PUU模块(96)、一个1-PUU模块(97)和一个1-PSS模块(88)的底盘分别通过标准件(94)、(98)和(90)安装在底座模块(92)的三个两两正交的安装面上，并使2-PUU模块的方杆沿Y向，1-PUU模块和1-PSS模块方杆均沿Z向。此时三个支链模块连杆轴线为正交布置。三个支链模块的方杆与动平台模块(91)的方槽配合，并通过标准件固定连接。4个驱动模块，即压电陶瓷驱动器(93)、(95)、(99)、(89)分别固接在每个支链模块的移动副柔性部位与底盘之间。
动平台模块(91)通过4个驱动模块驱动相连的柔性移动副实现沿X、Y、Z三轴移动和绕X轴转动的4自由度解耦运动。
将上述模块化机器人的一1-PSS模块替换为1-PUS模块，所得3-PUU&1-PUS模块化结构解耦并联微动机器人与其有相同的运动特性。
实施例5：
3-PUU模块化结构解耦并联微动机器人的结构如图13所示，三个3-PUU模块(100)、(107)、(108)的底盘分别通过标准件(102)、(106)、(109)安装在底座模块(104)的三个两两正交的安装面上，并使支链模块(107)的方杆沿Y向，支链模块(100)和(108)方杆均沿Z向。此时三个支链模块连杆轴线为正交布置。三个支链模块的方杆与动平台模块(103)的方槽配合，并通过标准件固定连接。3个驱动模块，即压电陶瓷驱动器(101)、(105)、(110)分别固接于每个支链模块的移动副柔性部位与底盘之间。
动平台模块(103)通过3个驱动模块驱动相连的柔性移动副实现沿X、Y、Z三轴移动的3自由度解耦运动。
实施例6：
6-PUS模块化结构解耦并联微动机器人的结构如图14所示，它是将实施例2中的6-PSS模块化结构解耦并联微动机器人中的三个2-PSS模块替换为2-PUS模块，所构成的6-PUS模块化结构解耦并联微动机器人与6-PSS模块化结构解耦并联微动机器人有相同的运动特性。其结构是三个2-PUS模块(114)、(120)和(123)的底盘分别通过标准件(112)、(118)和(121)安装在底座模块(116)的三个两两正交的结合面上，并使三个2-PUS模块(114)、(120)和(123)的方杆方向两两正交，此时三个2-PUS模块连杆轴线为正交布置。三个2-PUS模块(114)、(120)和(123)的方杆与动平台模块(115)的方槽配合，并通过标准件固定连接。6个驱动模块，即压电陶瓷驱动器(111)、(113)、(117)、(119)、(122)、(124)分别固接在每个支链模块的移动副柔性部位与底盘之间。
动平台模块通过6个驱动模块驱动相连的柔性移动副实现沿X、Y、Z三轴移动和绕X、Y、Z三轴转动的6自由度解耦运动。

Claims (9)

1、一种可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人，其特征在于：具有三个两两正交安装面和连接孔的底座模块通过驱动模块和支链模块连接着动平台模块。
2、按照权利要求1所说的可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人，其特征在于：支链模块的结构是将同一方向的两个运动支链，即两个柔性移动副、两个连杆和四个柔性球铰一体化设计，其结构是两个柔性移动副(9)和(14)并列固接在有连接孔的一个底盘(10)上，两个轴线平行的连杆(7)、(12)分别与两个柔性球铰(6)和(8)、(11)和(13)相连，下面两个柔性球铰(8)和(13)分别固接在两个柔性移动副(9)和(14)上，上面两个柔性球铰(6)和(11)分别固接在一个方杆(5)上。
3、按照权利要求1所说的可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人，其特征在于：支链模块的结构是将同一方向的两个运动支链，即两个柔性移动副、两个连杆、两个柔性球铰和两个柔性虎克铰一体化设计，其结构是两个柔性移动副(19)、(24)并列固接在有连接孔的一个底盘(20)上，两个轴线平行的连杆(17)、(22)分别与一个柔性虎克铰(18)和(23)和一个柔性球铰(16)、(21)相连，下面两个柔性虎克铰(18)和(23)分别固接在两个柔性移动副上，上面两个柔性球铰(16)和(21)分别固接在一个方杆(15)上。
4、按照权利要求1所说的可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人，其特征在于：支链模块的结构是将同一方向的两个运动支链，即两个柔性移动副、两个连杆和四个柔性虎克铰一体化设计，其结构是两个柔性移动副(29)和(34)并列固接在有连接孔的一个底盘(30)上，两个轴线平行的连杆(27)、(32)分别与两个柔性虎克铰(26)和(28)、(31)和(33)相连，下面两个柔性虎克铰(28)和(33)分别固接在两个柔性移动副(29)和(34)上，上面两个柔性虎克铰(26)和(31)分别固接在一个方杆(25)上。
5、按照权利要求1所说的可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人，其特征在于：支链模块为单运动支链，即一个柔性移动副、一个连杆和两个柔性球铰一体化设计，其结构是移动副(39)固接在有连接孔的一个底盘(40)上，连杆(37)与两个柔性球铰(36)和(38)相连，下面的柔性球铰(38)固接在柔性移动副(39)上，上面的柔性球铰(36)固接在一个方杆(35)上。
6、按照权利要求1所说的可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人，其特征在于：支链模块为单运动支链，即一个柔性移动副、一个连杆、一个柔性球铰和一个柔性虎克铰一体化设计，其结构是柔性移动副(45)固接在有连接孔的一个底盘(46)上，连杆(43)分别与一个柔性虎克铰(44)和一个柔性球铰(42)相连，下面的柔性虎克铰(44)固接在柔性移动副(45)上，上面的柔性球铰(42)固接在一个方杆(41)上。
7、按照权利要求1所说的可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人，其特征在于：支链模块为单运动支联，即一个柔性移动副、一个连杆和两个柔性虎克铰一体化设计，其结构是柔性移动副(51)固接在有连接孔的一个底盘(52)上，连杆(49)与两个柔性虎克铰(50)和(48)相连，下面的柔性虎克铰(50)固接在柔性移动副(51)上，上面的柔性虎克铰(48)固接在一个方杆(47)上。
8、按照权利要求1所说的可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人，其特征在于：动平台模块即运动工作台，其结构是模块(55)的三个两两正交的面上开有槽(53)、(54)、(56)、(57)、(58)、(59)。
9、按照权利要求1所说的可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人，其特征在于：驱动模块(60)是压电陶瓷驱动器，它固定在每个支链模块的移动副柔性部位与底盘之间。
CN02117851.8A 2002-05-23 2002-05-23 可重组模块化3～6自由度结构解耦并联微动机器人 Expired - Fee Related CN1233511C (zh)

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