專利名稱：磁力驅(qū)動(dòng)的無(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種機(jī)器人技術(shù)，特別涉及一種利用磁力驅(qū)動(dòng)的無(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)器人。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在的許多技術(shù)領(lǐng)域，如生物工程、微外科手術(shù)、掃描探針顯微鏡、光纖對(duì)接、微細(xì)加工等精細(xì)操作對(duì)操作者的操作要求較高；比如生物工程領(lǐng)域中的克隆操作，要求操作者能夠取出細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞核，在進(jìn)行操作的過(guò)程中由于操作者不能完成精確的操作，因此造成現(xiàn)在的克隆技術(shù)的可靠性不高；采用微操作機(jī)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(xì)操作與生物工程領(lǐng)域中的克隆操作技術(shù)要求相接近，因此這些領(lǐng)域迫切要求提供定位精度和重復(fù)精度高的微動(dòng)高精度機(jī)器人。
傳統(tǒng)的微動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式是采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞到機(jī)器人的末端；由于機(jī)械結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)傳遞過(guò)程中存在摩擦滯后、機(jī)構(gòu)間隙等因素，采用這種驅(qū)動(dòng)方式要實(shí)現(xiàn)高精度、高速度的定位作業(yè)及微力控制極其困難，且難以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的小型化。近年來(lái)有不少報(bào)道是不需要運(yùn)動(dòng)傳遞的直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，例如采用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)、形狀記憶合金和壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)器等。利用形狀記憶合金作為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的研究是20世紀(jì)80年代初由日本開(kāi)始的，目前國(guó)內(nèi)外在這方面均取得了不少研究成果，日本學(xué)者Ikada曾成功地將形狀記憶合金應(yīng)用于小型抓取機(jī)構(gòu)(Gripper)，本實(shí)用新型人也曾對(duì)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器和形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)形狀記憶合金存在容易受環(huán)境影響(特別是溫度的變化和工作介質(zhì)的不同)和冷卻速度慢的缺點(diǎn)，同時(shí)也難以達(dá)到較高的精度，因此在很大程度上限制了其在微動(dòng)機(jī)器人上的應(yīng)用；特別是如果用形狀記憶合金作為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，機(jī)器人仍然需要由多關(guān)節(jié)構(gòu)成，機(jī)器人的定位精度和重復(fù)精度將在很大程度上受到限制。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)制成的驅(qū)動(dòng)器，它具有位移控制精度高、響應(yīng)速度快、無(wú)傳動(dòng)嚙合間隙、出力大等優(yōu)點(diǎn)。目前有不少利用壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)器的報(bào)道，例如日本學(xué)者Y.Suzuki，K.Tani和T.Sakuhara研究了一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微型驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器直徑為2mm，高0.49mm；將壓電陶瓷用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孫立寧等學(xué)者研制出了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的6自由度并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人，這種機(jī)器人能夠達(dá)到亞微米級(jí)的精度；但壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)器仍有其技術(shù)困難，主要是所要求的電場(chǎng)電壓較高，回零特性差，電場(chǎng)下的應(yīng)變量很小，驅(qū)動(dòng)器的位移量較??；若采用多層壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，雖可解決位移量小的問(wèn)題，但由于內(nèi)電極與陶瓷片、陶瓷片與陶瓷片之間的粘結(jié)以及電極的穩(wěn)定性問(wèn)題尚未解決，使得它們之間可能因連結(jié)不好而發(fā)生脫層，從而限制了陶瓷片的疊加層數(shù)(一般為100層或20mm厚)，而且位移量一般小于15～50μm，尤其是使用這種驅(qū)動(dòng)器的機(jī)器人仍然采用了空間連桿機(jī)構(gòu)，仍無(wú)法避免機(jī)械零件的制造精度和機(jī)構(gòu)裝配精度對(duì)機(jī)器人本身精度的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種利用磁力作為驅(qū)動(dòng)力，避免由于機(jī)械零件加工和裝配過(guò)程中各種原因而造成誤差，從而能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人操作達(dá)到較高的定位精度和重復(fù)精度的磁力驅(qū)動(dòng)的無(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)器人。
本實(shí)用新型的技術(shù)目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)本磁力驅(qū)動(dòng)的無(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)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(cè)向支撐板，每塊板的兩端分別設(shè)置永磁鐵，與永磁鐵相對(duì)設(shè)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(cè)向支撐板的兩端的兩側(cè)分別固定有1個(gè)永磁鐵，與每個(gè)永磁鐵相對(duì)設(shè)置有固定不動(dòng)的電磁鐵，亦即每塊支撐板相對(duì)設(shè)置有4個(gè)電磁鐵，整個(gè)機(jī)器人設(shè)置有12個(gè)電磁鐵。
所述電磁鐵與控制微機(jī)通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出及放大模塊以及16通道16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡(D/A轉(zhuǎn)換卡)相連接；控制微機(jī)同時(shí)通過(guò)16通道16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換卡(A/D轉(zhuǎn)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，用銣鐵硼材料制成。
在每塊支撐板兩端靠近電磁鐵處分別安裝2個(gè)電容式位移傳感器，整個(gè)機(jī)器人安裝有6個(gè)位移傳感器。
所述位移傳感器為納米級(jí)精密電容位移傳感器；如果本實(shí)用新型所采用的位移傳感器的精度達(dá)到納米級(jí)精度，那么微動(dòng)機(jī)器人的精度也能夠控制在納米級(jí)。
上述微動(dòng)高精度機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方法是通過(guò)磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。
所述磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)具體方式是通過(guò)控制電磁鐵產(chǎn)生的磁力使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)上、下、前、后、左、右的平移運(yùn)動(dòng)和繞x、y和z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
本實(shí)用新型的作用原理是本磁力驅(qū)動(dòng)的無(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)器人位移是利用電磁鐵所產(chǎn)生的磁力合力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如當(dāng)需要機(jī)器人操作臂向右移動(dòng)時(shí)，就需要增加垂直支撐板左側(cè)的兩個(gè)電磁鐵線圈的電流，從而使電磁鐵磁力加大，同時(shí)減小右側(cè)電磁鐵線圈的電流，從而使電磁鐵磁力合力不為零，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人操作臂向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)新的位置，電磁鐵的磁力產(chǎn)生變化，直到左右兩側(cè)的電磁鐵合力變?yōu)榱?，機(jī)器人操作臂在新的位置產(chǎn)生平衡，通過(guò)這種方式，機(jī)器人操作臂就能夠?qū)崿F(xiàn)平移運(yùn)動(dòng)；當(dāng)需要機(jī)器人操作臂道繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就需要增加垂直支撐板上端左側(cè)和下端右側(cè)的兩個(gè)電磁鐵線圈的電流，從而使電磁鐵磁力加大，同時(shí)減小上端右側(cè)和下端左側(cè)電磁鐵線圈的電流，從而使電磁鐵磁力合力不為零，驅(qū)動(dòng)垂直支撐板上端向右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)下端向左運(yùn)動(dòng)，即相當(dāng)于機(jī)器人操作臂繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小的角度；當(dāng)機(jī)器人到達(dá)新的位置，電磁鐵的磁力產(chǎn)生變化，直到左右兩側(cè)的電磁鐵合力變?yōu)榱悖瑱C(jī)器人操作臂在新的位置產(chǎn)生平衡，通過(guò)這種方式，機(jī)器人操作臂就能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)在技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果(1)與其它驅(qū)動(dòng)方式相比較，磁力驅(qū)動(dòng)具有無(wú)摩擦、無(wú)潤(rùn)滑、高速和高加速度的優(yōu)點(diǎn)。
(2)機(jī)器人的操作臂只有一個(gè)連桿，而不是傳統(tǒng)機(jī)器人所采用的多連桿多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，因此操作臂不再需要任何關(guān)節(jié)連接就能夠?qū)崿F(xiàn)6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，這種無(wú)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)能夠避免各關(guān)節(jié)之間因制造和裝配等誤差而造成的機(jī)器人定位精度和重復(fù)精度有限的問(wèn)題。
(3)機(jī)器人不再需要傳統(tǒng)的電機(jī)和減速器等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，避免了因傳動(dòng)鏈的誤差而使機(jī)器人的定位精度和重復(fù)精度降低。
(4)本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸??；由于系統(tǒng)不再需要電機(jī)和減速器，因此能夠極大地簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，使得機(jī)器人尺寸明顯減少。


圖1是本實(shí)用新型微動(dòng)高精度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1所示微動(dòng)高精度機(jī)器人的左視圖。
圖3是圖1所示微動(dòng)高精度機(jī)器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是圖3所示的微動(dòng)高精度機(jī)器人的觸摸屏的顯示窗口。
圖5是圖3所示的微動(dòng)高精度機(jī)器人的PWM輸出及放大模塊的電路圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例圖1及圖2示出了本實(shí)用新型的一種實(shí)施方式，由圖1及圖2可見(jiàn)，本磁力驅(qū)動(dòng)的無(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)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(cè)向支撐板4，每塊板的兩端的兩側(cè)分別固定有1個(gè)園柱形的、用銣鐵硼材料制成的永磁鐵3，與每個(gè)永磁鐵3相對(duì)設(shè)置有固定不動(dòng)的電磁鐵2，亦即每塊支撐板相對(duì)設(shè)置有4個(gè)電磁鐵2，整個(gè)機(jī)器人設(shè)置有12個(gè)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(gè)電磁鐵包括電磁鐵芯5及電磁鐵線圈6，電磁鐵線圈6環(huán)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(gè)位移傳感器，整個(gè)機(jī)器人安裝有6個(gè)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(duì)設(shè)置。位移傳感器9采用德國(guó)米銥測(cè)試技術(shù)公司生產(chǎn)的納米級(jí)精密電容位移傳感器S600-1，分辨率為40納米，機(jī)器人的位移精度可以達(dá)到60納米。
微動(dòng)高精度機(jī)器人的控制系統(tǒng)如圖3所示，所述電磁鐵與控制計(jì)算機(jī)通過(guò)PWM輸出及放大模塊以及16通道16位D/A轉(zhuǎn)換卡相連接；控制計(jì)算機(jī)同時(shí)通過(guò)16通道16位的A/D轉(zhuǎn)換卡與位移傳感器相連接，輸入觸摸屏同時(shí)與控制計(jì)算機(jī)相連接。其控制原理是位移傳感器檢測(cè)到各支撐板的位移量，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換卡將位移傳感器對(duì)位移量檢測(cè)的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，利用控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，就可以知道機(jī)器人在不同的方向上的位移量；控制計(jì)算機(jī)將機(jī)器人操作臂的目標(biāo)位置和實(shí)際位置進(jìn)行比較，將這一差值乘以加權(quán)值，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換卡將這一輸出值轉(zhuǎn)換成模擬量，利用PWM電路將模擬量轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，再將脈沖信號(hào)進(jìn)行放大后驅(qū)動(dòng)電磁鐵，以實(shí)現(xiàn)電磁鐵的位移。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)操作通過(guò)觸摸屏進(jìn)行，機(jī)器人的操作程序是在觸摸屏上配置各個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的窗口，以控制操作臂的運(yùn)動(dòng)，觸摸屏的顯示窗口如圖4所示，用手指按壓觸摸屏上相對(duì)應(yīng)的鍵，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)上、下、前、后、左、右的平移運(yùn)動(dòng)和繞x、y和z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖5示出了微動(dòng)高精度機(jī)器人控制系統(tǒng)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(jiàn)，本PWM輸出及放大電路使用SG3524進(jìn)行PWM調(diào)制和輸出，D/A轉(zhuǎn)換卡將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后的模擬信號(hào)連接到SG3524的管腳2，通過(guò)調(diào)整電阻RP165的阻值可以調(diào)整PWM的振蕩頻率，管腳12和13為經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制的輸出信號(hào)，即輸出的信號(hào)為脈沖信號(hào)，信號(hào)的占空比與輸入的模擬信號(hào)的電壓成正比。通過(guò)MOS管IRF540進(jìn)行放大后，輸出到電磁鐵，電磁鐵兩端連線連接到插口J2上。
本實(shí)用新型所述的各構(gòu)件可選型如下計(jì)算機(jī)IBM/PC兼容機(jī)，PCI總線；操作系統(tǒng)Windows 98以上版本；主機(jī)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厚不銹鋼板(或鋁板)，寬25mm；螺釘材料不銹鋼；永磁鐵銣鐵硼粉末燒結(jié)的永磁鐵材料，直徑為φ30，厚5mm；A/D轉(zhuǎn)換卡(模數(shù)轉(zhuǎn)換卡)臺(tái)灣研華公司生產(chǎn)的PCI-1731；D/A轉(zhuǎn)換卡(數(shù)模轉(zhuǎn)換卡)臺(tái)灣凌華公司生產(chǎn)的PCI-6216V；觸摸屏常用普通觸摸屏。
權(quán)利要求1.一種磁力驅(qū)動(dòng)的無(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)器人，其特征在于其操作臂上分別固定連接有水平支撐板、垂直支撐板和側(cè)向支撐板，每塊板的兩端分別設(shè)置永磁鐵，與永磁鐵相對(duì)設(shè)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(jù)權(quán)利要求1所述的磁力驅(qū)動(dòng)的無(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)器人，其特征在于所述水平支撐板、垂直支撐板和側(cè)向支撐板的兩端的兩側(cè)分別固定有1個(gè)永磁鐵，與每個(gè)永磁鐵相對(duì)設(shè)置有固定不動(dòng)的電磁鐵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁力驅(qū)動(dòng)的無(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)器人，其特征在于所述電磁鐵與控制微機(jī)通過(guò)脈沖寬度調(diào)制輸出及放大模塊以及16通道16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換卡相連接；控制微機(jī)同時(shí)通過(guò)16通道16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換卡與位移傳感器相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁力驅(qū)動(dòng)的無(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)器人，其特征在于微動(dòng)機(jī)器人操作臂的位移量為±1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁力驅(qū)動(dòng)的無(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)器人，其特征在于所述永磁鐵形狀為園柱形，用銣鐵硼材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁力驅(qū)動(dòng)的無(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)器人，其特征在于在每塊支撐板兩端靠近電磁鐵處分別安裝2個(gè)位移傳感器，整個(gè)機(jī)器人安裝有6個(gè)位移傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁力驅(qū)動(dòng)的無(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)器人，其特征在于所述位移傳感器為納米級(jí)精密電容位移傳感器。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種無(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)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(cè)向支撐板，每塊板的兩端分別設(shè)置永磁鐵，與永磁鐵相對(duì)設(shè)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(wú)關(guān)節(jié)微動(dòng)高精度機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方法，主要是通過(guò)磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型與其它機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式相比具有無(wú)摩擦、無(wú)潤(rùn)滑、高速和高加速度的優(yōu)點(diǎn)；本微動(dòng)高精度機(jī)器人不再需要任何關(guān)節(jié)連接就能夠?qū)崿F(xiàn)6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，避免了機(jī)器人定位精度和重復(fù)精度有限的問(wèn)題，克服了因傳動(dòng)鏈的誤差而使機(jī)器人的定位精度和重復(fù)精度降低的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，整體尺寸明顯減少，機(jī)器人的定位精度和重復(fù)精度能夠達(dá)到納米級(jí)。
文檔編號(hào)B25J11/00GK2688462SQ03224238
公開(kāi)日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2003年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月14日
發(fā)明者張鐵, 邵明 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)