整體式三自由度微納操作器的製作方法

2023-05-30 21:52:51

專利名稱：整體式三自由度微納操作器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高精度的納米操作機器人結構，具體的說是一種可以以極高的位移解析度快速地對微小物體在三維空間內進行操作的操作裝置。

背景技術：
微納操作器是納米操作機器人系統的核心部件，納米操作機器人可以用於微型機械零件裝配、微機電系統(MEMS)組裝、超精密加工、光學調整、生物細胞操作等領域。目前，納米操作機器人系統還處於研究發展階段，還沒有完全產業化，主要還是集中在一些高校和研究機構。總結國內外技術現狀，納米操作器已經由一個自由度發展為多個自由度，在驅動上大多數採用壓電陶瓷器件，因此都具有納米級的解析度，並且採用慣性衝擊式原理和超聲馬達的原理來實現大行程，高解析度。
現有的納米操作機器人系統多為單維作業系統，也就是說它們只能在某一個方向上運動，不能進行空間運動。如果要實現多維運動，往往是多個單維微操作器進行組裝拼湊成一個多維作業系統，這樣做導致的直接後果是操作機器人系統外形過於龐大，並且操作動作不是很靈活；其次，機器人的運動精度因結構因素而受到影響，往往在微米級的範圍內。
國內專利(申請號03266087.1)涉及的是一種並-並聯式微操作並聯機器人機械結構，在實際應用中有如下缺點 1.微操作機器人外形尺寸巨大，高度增加，有累積誤差且運動穩定性變差； 2.當根據微操作動作的需要，把微操作機器人水平或傾斜安裝在支架上使用時，由於柔性鉸鏈靈敏度很高，其本身重量也會使柔性鉸鏈變形。
3.壓電陶瓷驅動器的安裝比較困難，很難達到理想的安裝位置。其次，放大機構直接通過壓電陶瓷驅動，並且採用了點面接觸方式，不能消除槓桿擺動產生的非線性誤差。而這往往又是系統誤差的主要來源。


發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種體積小、運動精度高的三自由度微納操作器。
為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案一種整體式三自由度微納操作器，包括基板、壓電陶瓷驅動器和平面運動機構，平面運動機構上還串聯一個垂直運動機構，所述平面運動機構和垂直運動機構是與基板一體相連的整體式結構，其中的連接點均為整體式柔性鉸鏈，且基板的上下平面高出平面運動機構的上下平面。
本發明中的運動機構都是與基板一體的整體式結構，外形扁平化，結構緊湊，體積小，無需裝配，避免了裝配誤差，運動精度高。基板的上下平面高出平面運動機構的上下平面，使基板在安裝固定後，中間的平面運動機構的運動可以不受阻礙。
上述技術方案中，所述垂直運動機構可以由操作器的執行端連接在沿垂直方向運動的壓電陶瓷驅動器上構成，由壓電陶瓷驅動器直接驅動執行端產生垂直方向的運動。
在上述技術方案中，所述平面運動機構的一種優選結構如下它包括操作臂、橫連杆、第一豎連杆、第二豎連杆，其中操作臂的頭端與所述的垂直運動機構相連接，所述第一豎連杆的一端垂直連接在操作臂上，另一端垂直連接在橫連杆的頭端，所述橫連杆的中部通過柔性鉸鏈連接在基板上，尾端通過一根豎推桿與壓電陶瓷驅動器相連接，所述第二豎連杆的一端通過柔性鉸鏈連接在基板上，另一端垂直連接在操作臂的尾端，第二豎連杆的中部通過一根橫推桿與壓電陶瓷驅動器相連接。兩個壓電陶瓷驅動器分別通過上述的連杆機構，可以使操作臂產生二維平面運動，這兩個壓電陶瓷驅動器通過一根推桿與上述平面運動機構相連，可以避免槓桿擺動產生的非線性誤差。
在另一優選方案中，對壓電陶瓷驅動器的安裝座進行了改進，將安裝座設計成一個平行板簧機構，由四片片簧和兩根連杆連接而成，壓電陶瓷驅動器與安裝座之間過盈配合。接觸方式為面面接觸，且無需調節，靠自身的彈性力實現固定和預緊。



圖1是本發明的整體式微納操作器的結構示意圖。
圖2是本發明中平面運動機構的一種結構示意圖。
圖3是圖2所示平面運動機構的運動原理圖。
圖4是用於固定壓電陶瓷驅動器的一種平行板簧結構的示意圖。
圖5是圖4所示平行板簧結構的運動原理圖。

具體實施例方式 下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
如圖1、圖2所示，在一塊基板4上採用電火花、線切割等工藝加工而成的整體式連杆和整體式柔性鉸鏈組成二維平面運動機構3和垂直運動機構2，分別由三個壓電陶瓷驅動器1驅動構成本發明的三自由度微納操作器。平面運動機構3由操作臂31、橫連杆33、第一豎連杆32、第二豎連杆34，垂直運動機構2就連接在操作臂31的頭端，所述第一豎連杆32的一端垂直連接在操作臂31的中部，另一端垂直連接在橫連杆33的頭端，所述橫連杆33的中部通過柔性鉸鏈連接在基板4上，尾端通過一根豎推桿36與壓電陶瓷驅動器1相連接，所述第二豎連杆34的一端通過柔性鉸鏈連接在基板4上，另一端垂直連接在操作臂31的尾端，第二豎連杆34的中部通過一根橫推桿35與壓電陶瓷驅動器1相連接。上述所有的機構中，除壓電陶瓷驅動器1外，其餘全部為整體式結構，無需裝配。平面運動機構3凹陷在基板4中，基板4的上下平面比平面運動機構3的上下平面各凸出1mm，這樣當基板4在安裝固定時，其中的平面運動機構的運動就可以不受阻礙。操作臂31的頭端安裝垂直方向的壓電陶瓷驅動器1，操作器的執行端直接與該垂直方向的壓電陶瓷驅動器1的輸出端相連，構成本操作器的垂直運動機構2。
圖3表示了上述平面運動機構3的運動原理考慮到微操作器的外形結構的要求，連杆L1和L2、連杆L2和L3、連杆L3和L4分別成90度放置，並且使得兩個基座點的位置在同一側。操作器末端的運動是通過連杆L1和L4的旋轉轉運動來實現的。由於是5連杆機構(包括地面)，該平面機構具有兩個自由度。考慮到壓電陶瓷的輸出軌跡不是圓弧形，而是直線形，因此分別通過連杆L1和L5、L4和L6連接，然後在連杆L5和L6的末端連接一個滑塊機構，滑塊分別沿X和Y方向運動，表示壓電陶瓷的運動路徑。壓電陶瓷由計算機控制，通過複雜的矩陣運算控制連杆L1和L4的轉角大小的變化，就可以獲得操作器末端位置的運動軌跡。
如圖4、圖5所示，壓電陶瓷驅動器的安裝是通過該整體機構上的一個平行板簧結構，中空部分用於鑲嵌壓電陶瓷驅動器，並通過本身固有的彈簧預緊力來固定。該平行板簧機構是由四片片簧和兩根連杆連接而成，利用片簧的彈性變形，設定兩個突起塊的之間的距離，使得壓電陶瓷與平行板簧結構的安裝為過盈配合，有一定的預緊力，不需要螺釘調節。
權利要求
1.一種整體式三自由度微納操作器，包括基板(4)、壓電陶瓷驅動器(1)和平面運動機構(3)，平面運動機構(3)上還串聯一個垂直運動機構(2)，其特徵在於所述平面運動機構(3)和垂直運動機構(2)是與基板(4)一體相連的整體式結構，其中的連接點均為整體式柔性鉸鏈，且基板(4)的上下平面高出平面運動機構(3)的上下平面。
2.根據權利要求1所述的整體式三自由度微納操作器，其特徵在於所述垂直運動機構(2)由操作器的執行端連接在沿垂直方向運動的壓電陶瓷驅動器(1)上構成。
3.根據權利要求1所述的整體式三自由度微納操作器，其特徵在於所述平面運動機構(3)包括操作臂(31)、橫連杆(33)、第一豎連杆(32)、第二豎連杆(34)，其中操作臂(31)的頭端與所述的垂直運動機構(2)相連接，所述第一豎連杆(32)的一端垂直連接在操作臂(31)上，另一端垂直連接在橫連杆(33)的頭端，所述橫連杆(33)的中部通過柔性鉸鏈連接在基板(4)上，尾端通過一根豎推桿(36)與壓電陶瓷驅動器(1)相連接，所述第二豎連杆(34)的一端通過柔性鉸鏈連接在基板(4)上，另一端垂直連接在操作臂(31)的尾端，第二豎連杆(34)的中部通過一根橫推桿(35)與壓電陶瓷驅動器(1)相連接。
4.根據權利要求1所述的整體式三自由度微納操作器，其特徵在於所述壓電陶瓷驅動器(1)的安裝座是一個平行板簧機構，所述平行板簧機構由四片片簧和兩根連杆連接而成，壓電陶瓷驅動器(1)與安裝座之間過盈配合。
全文摘要
本發明公開了一種整體式三自由度微納操作器，包括基板、壓電陶瓷驅動器和平面運動機構，平面運動機構上還串聯一個垂直運動機構，所述平面運動機構和垂直運動機構是與基板一體相連的整體式結構，其中的連接點均為整體式柔性鉸鏈，且基板的上下平面高出平面運動機構的上下平面。本發明中的運動機構都是與基板一體的整體式結構，外形扁平化，結構緊湊，體積小，無需裝配，避免了裝配誤差，運動精度高。本發明的操作器能夠實現三維空間運動，可應用於在微型機械零件裝配、微機電系統組裝、超精密加工、光學調整、微外科手術、生物細胞操作等領域。
文檔編號B25J7/00GK1644330SQ200510023220
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月11日 優先權日2005年1月11日
發明者馬奎, 董衛軍, 戴暉 申請人:同濟大學