磁力驅動的無關節微動高精度機器人的製作方法
2023-05-14 04:49:06 1
專利名稱：磁力驅動的無關節微動高精度機器人的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種機器人技術，特別涉及一種利用磁力驅動的無關節微動高精度機器人。
背景技術：
現在的許多技術領域，如生物工程、微外科手術、掃描探針顯微鏡、光纖對接、微細加工等精細操作對操作者的操作要求較高；比如生物工程領域中的克隆操作，要求操作者能夠取出細胞內的細胞核，在進行操作的過程中由於操作者不能完成精確的操作，因此造成現在的克隆技術的可靠性不高；採用微操作機器人能夠大大提高操作的精度，保證操作的可靠性，其他形式的微細操作與生物工程領域中的克隆操作技術要求相接近，因此這些領域迫切要求提供定位精度和重複精度高的微動高精度機器人。
傳統的微動機器人驅動方式是採用伺服電機作為驅動器，通過傳動機構將伺服電機的運動傳遞到機器人的末端；由於機械結構在運動傳遞過程中存在摩擦滯後、機構間隙等因素，採用這種驅動方式要實現高精度、高速度的定位作業及微力控制極其困難，且難以實現機器人的小型化。近年來有不少報導是不需要運動傳遞的直接驅動的機器人，例如採用直接驅動電機、形狀記憶合金和壓電陶瓷作為驅動器等。利用形狀記憶合金作為機器人驅動器的研究是20世紀80年代初由日本開始的，目前國內外在這方面均取得了不少研究成果，日本學者Ikada曾成功地將形狀記憶合金應用於小型抓取機構(Gripper)，本實用新型人也曾對形狀記憶合金驅動器和形狀記憶合金驅動的機器人進行了研究，發現形狀記憶合金存在容易受環境影響(特別是溫度的變化和工作介質的不同)和冷卻速度慢的缺點，同時也難以達到較高的精度，因此在很大程度上限制了其在微動機器人上的應用；特別是如果用形狀記憶合金作為機器人驅動器，機器人仍然需要由多關節構成，機器人的定位精度和重複精度將在很大程度上受到限制。壓電陶瓷驅動器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應製成的驅動器，它具有位移控制精度高、響應速度快、無傳動嚙合間隙、出力大等優點。目前有不少利用壓電陶瓷作為驅動器的報導，例如日本學者Y.Suzuki，K.Tani和T.Sakuhara研究了一種壓電陶瓷驅動的微型驅動器，該驅動器直徑為2mm，高0.49mm；將壓電陶瓷用於機器人運動驅動的有哈爾濱工業大學的孫立寧等學者研製出了壓電陶瓷驅動的6自由度並聯微動機器人，這種機器人能夠達到亞微米級的精度；但壓電陶瓷作為驅動器仍有其技術困難，主要是所要求的電場電壓較高，回零特性差，電場下的應變量很小，驅動器的位移量較小；若採用多層壓電陶瓷驅動器，雖可解決位移量小的問題，但由於內電極與陶瓷片、陶瓷片與陶瓷片之間的粘結以及電極的穩定性問題尚未解決，使得它們之間可能因連結不好而發生脫層，從而限制了陶瓷片的疊加層數(一般為100層或20mm厚)，而且位移量一般小於15～50μm，尤其是使用這種驅動器的機器人仍然採用了空間連杆機構，仍無法避免機械零件的製造精度和機構裝配精度對機器人本身精度的影響。
發明內容
本實用新型的目的在於克服現有技術的缺點，提供一種利用磁力作為驅動力，避免由於機械零件加工和裝配過程中各種原因而造成誤差，從而能夠實現機器人操作達到較高的定位精度和重複精度的磁力驅動的無關節微動高精度機器人。
本實用新型的技術目的通過下述技術方案實現本磁力驅動的無關節微動高精度機器人的操作臂上分別固定連接有三塊支撐板，即水平支撐板、垂直支撐板和側向支撐板，每塊板的兩端分別設置永磁鐵，與永磁鐵相對設置有電磁鐵，在每塊支撐板兩端靠近電磁鐵處分別安裝位移傳感器。
所述水平支撐板、垂直支撐板和側向支撐板的兩端的兩側分別固定有1個永磁鐵，與每個永磁鐵相對設置有固定不動的電磁鐵，亦即每塊支撐板相對設置有4個電磁鐵，整個機器人設置有12個電磁鐵。
所述電磁鐵與控制微機通過脈衝寬度調製(PWM)輸出及放大模塊以及16通道16位的數模轉換卡(D/A轉換卡)相連接；控制微機同時通過16通道16位的模數轉換卡(A/D轉換卡)與位移傳感器相連接。
所述電磁鐵與永磁鐵的距離最大為5mm，最小為3mm，因此支撐板在電磁鐵處的行程為±1mm。
所述永磁鐵形狀為園柱形，用銣鐵硼材料製成。
在每塊支撐板兩端靠近電磁鐵處分別安裝2個電容式位移傳感器，整個機器人安裝有6個位移傳感器。
所述位移傳感器為納米級精密電容位移傳感器；如果本實用新型所採用的位移傳感器的精度達到納米級精度，那麼微動機器人的精度也能夠控制在納米級。
上述微動高精度機器人的驅動方法是通過磁力來驅動機器人運動。
所述磁力驅動機器人運動具體方式是通過控制電磁鐵產生的磁力使機器人實現上、下、前、後、左、右的平移運動和繞x、y和z軸的轉動。
本實用新型的作用原理是本磁力驅動的無關節微動高精度機器人位移是利用電磁鐵所產生的磁力合力來實現的，例如當需要機器人操作臂向右移動時，就需要增加垂直支撐板左側的兩個電磁鐵線圈的電流，從而使電磁鐵磁力加大，同時減小右側電磁鐵線圈的電流，從而使電磁鐵磁力合力不為零，驅動機器人操作臂向右運動，當機器人到達新的位置，電磁鐵的磁力產生變化，直到左右兩側的電磁鐵合力變為零，機器人操作臂在新的位置產生平衡，通過這種方式，機器人操作臂就能夠實現平移運動；當需要機器人操作臂道繞x軸轉動時，就需要增加垂直支撐板上端左側和下端右側的兩個電磁鐵線圈的電流，從而使電磁鐵磁力加大，同時減小上端右側和下端左側電磁鐵線圈的電流，從而使電磁鐵磁力合力不為零，驅動垂直支撐板上端向右運動，同時下端向左運動，即相當於機器人操作臂繞x軸轉動一個微小的角度；當機器人到達新的位置，電磁鐵的磁力產生變化，直到左右兩側的電磁鐵合力變為零，機器人操作臂在新的位置產生平衡，通過這種方式，機器人操作臂就能夠實現旋轉運動。
本實用新型相對於現在技術具有如下的優點及效果(1)與其它驅動方式相比較，磁力驅動具有無摩擦、無潤滑、高速和高加速度的優點。
(2)機器人的操作臂只有一個連杆，而不是傳統機器人所採用的多連杆多關節結構，因此操作臂不再需要任何關節連接就能夠實現6個自由度的運動，這種無關節結構能夠避免各關節之間因製造和裝配等誤差而造成的機器人定位精度和重複精度有限的問題。
(3)機器人不再需要傳統的電機和減速器等傳動機構，避免了因傳動鏈的誤差而使機器人的定位精度和重複精度降低。
(4)本實用新型的控制系統的結構簡單、尺寸小；由於系統不再需要電機和減速器，因此能夠極大地簡化結構，使得機器人尺寸明顯減少。
圖1是本實用新型微動高精度機器人的結構示意圖。
圖2是圖1所示微動高精度機器人的左視圖。
圖3是圖1所示微動高精度機器人的控制系統結構示意圖。
圖4是圖3所示的微動高精度機器人的觸控螢幕的顯示窗口。
圖5是圖3所示的微動高精度機器人的PWM輸出及放大模塊的電路圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限於此。
實施例圖1及圖2示出了本實用新型的一種實施方式，由圖1及圖2可見，本磁力驅動的無關節微動高精度機器人的操作臂10上分別固定連接有三塊支撐板，即水平支撐板1、垂直支撐板7和側向支撐板4，每塊板的兩端的兩側分別固定有1個園柱形的、用銣鐵硼材料製成的永磁鐵3，與每個永磁鐵3相對設置有固定不動的電磁鐵2，亦即每塊支撐板相對設置有4個電磁鐵2，整個機器人設置有12個電磁鐵2，電磁鐵與永磁鐵的距離最大為5mm，最小為3mm，因此支撐板在電磁鐵處的行程為±1mm；每個電磁鐵包括電磁鐵芯5及電磁鐵線圈6，電磁鐵線圈6環繞在電磁鐵芯5外；在每塊支撐板兩端靠近電磁鐵處分別安裝2個位移傳感器，整個機器人安裝有6個位移傳感器，所述位移傳感器包括固定在支撐板上的前置器8及精密電容式位移傳感器9，前置器8與位移傳感器9相對設置。位移傳感器9採用德國米銥測試技術公司生產的納米級精密電容位移傳感器S600-1，解析度為40納米，機器人的位移精度可以達到60納米。
微動高精度機器人的控制系統如圖3所示，所述電磁鐵與控制計算機通過PWM輸出及放大模塊以及16通道16位D/A轉換卡相連接；控制計算機同時通過16通道16位的A/D轉換卡與位移傳感器相連接，輸入觸控螢幕同時與控制計算機相連接。其控制原理是位移傳感器檢測到各支撐板的位移量，通過A/D轉換卡將位移傳感器對位移量檢測的電壓模擬信號轉換成數位訊號，利用控制計算機進行運算處理，就可以知道機器人在不同的方向上的位移量；控制計算機將機器人操作臂的目標位置和實際位置進行比較，將這一差值乘以加權值，通過D/A轉換卡將這一輸出值轉換成模擬量，利用PWM電路將模擬量轉換成脈衝信號，再將脈衝信號進行放大後驅動電磁鐵，以實現電磁鐵的位移。機器人的運動操作通過觸控螢幕進行，機器人的操作程序是在觸控螢幕上配置各個自由度運動的窗口，以控制操作臂的運動，觸控螢幕的顯示窗口如圖4所示，用手指按壓觸控螢幕上相對應的鍵，機器人能夠實現上、下、前、後、左、右的平移運動和繞x、y和z軸的轉動。
圖5示出了微動高精度機器人控制系統其中1路PWM輸出及放大電路，其他12路PWM輸出及放大電路與圖5所示相同，由圖5可見，本PWM輸出及放大電路使用SG3524進行PWM調製和輸出，D/A轉換卡將數位訊號轉換成模擬信號後的模擬信號連接到SG3524的管腳2，通過調整電阻RP165的阻值可以調整PWM的振蕩頻率，管腳12和13為經過脈寬調製的輸出信號，即輸出的信號為脈衝信號，信號的佔空比與輸入的模擬信號的電壓成正比。通過MOS管IRF540進行放大後，輸出到電磁鐵，電磁鐵兩端連線連接到插口J2上。
本實用新型所述的各構件可選型如下計算機IBM/PC兼容機，PCI總線；作業系統Windows 98以上版本；主機速度為200MHz以上；電磁鐵直流24V，鐵芯是圓柱的牽引電磁鐵；支撐板和操作臂材料1.5～2.5mm厚不鏽鋼板(或鋁板)，寬25mm；螺釘材料不鏽鋼；永磁鐵銣鐵硼粉末燒結的永磁鐵材料，直徑為φ30，厚5mm；A/D轉換卡(模數轉換卡)臺灣研華公司生產的PCI-1731；D/A轉換卡(數模轉換卡)臺灣凌華公司生產的PCI-6216V；觸控螢幕常用普通觸控螢幕。
權利要求1.一種磁力驅動的無關節微動高精度機器人，其特徵在於其操作臂上分別固定連接有水平支撐板、垂直支撐板和側向支撐板，每塊板的兩端分別設置永磁鐵，與永磁鐵相對設置有電磁鐵，在每塊支撐板兩端靠近電磁鐵處分別安裝位移傳感器。
2.根據權利要求1所述的磁力驅動的無關節微動高精度機器人，其特徵在於所述水平支撐板、垂直支撐板和側向支撐板的兩端的兩側分別固定有1個永磁鐵，與每個永磁鐵相對設置有固定不動的電磁鐵。
3.根據權利要求1或2所述的磁力驅動的無關節微動高精度機器人，其特徵在於所述電磁鐵與控制微機通過脈衝寬度調製輸出及放大模塊以及16通道16位的模數轉換卡相連接；控制微機同時通過16通道16位的模數轉換卡與位移傳感器相連接。
4.根據權利要求1或2所述的磁力驅動的無關節微動高精度機器人，其特徵在於微動機器人操作臂的位移量為±1mm。
5.根據權利要求1或2所述的磁力驅動的無關節微動高精度機器人，其特徵在於所述永磁鐵形狀為園柱形，用銣鐵硼材料製成。
6.根據權利要求1所述的磁力驅動的無關節微動高精度機器人，其特徵在於在每塊支撐板兩端靠近電磁鐵處分別安裝2個位移傳感器，整個機器人安裝有6個位移傳感器。
7.根據權利要求6所述的磁力驅動的無關節微動高精度機器人，其特徵在於所述位移傳感器為納米級精密電容位移傳感器。
專利摘要本實用新型提供一種無關節微動高精度機器人，其操作臂上分別固定連接有水平支撐板、垂直支撐板和側向支撐板，每塊板的兩端分別設置永磁鐵，與永磁鐵相對設置有電磁鐵，在每塊支撐板兩端靠近電磁鐵處分別安裝位移傳感器；一種無關節微動高精度機器人的驅動方法，主要是通過磁力來驅動機器人運動。本實用新型與其它機器人驅動方式相比具有無摩擦、無潤滑、高速和高加速度的優點；本微動高精度機器人不再需要任何關節連接就能夠實現6個自由度的運動，避免了機器人定位精度和重複精度有限的問題，克服了因傳動鏈的誤差而使機器人的定位精度和重複精度降低的缺點，結構大為簡化，整體尺寸明顯減少，機器人的定位精度和重複精度能夠達到納米級。
文檔編號B25J11/00GK2688462SQ03224238
公開日2005年3月30日 申請日期2003年3月14日 優先權日2003年3月14日
發明者張鐵, 邵明 申請人:華南理工大學