專利名稱：適用于亞毫米級微小物體操作的微裝配機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，它涉及一種適用于亞毫米級微小物體操作的微裝配機器人，是一種能對亞毫米級物體進行操作和裝配作業(yè)的微裝配機器人，該機器人由微操作機械手、真空微夾、顯微視覺和控制器四部分組成，它可用于亞毫米級微靶、鉆石和各種微零件的選揀、加工和裝配。
國內(nèi)開展微操作機器人研究的有，南開大學(xué)、北京航空航天大學(xué)研究的用于生物醫(yī)學(xué)工程的細(xì)胞注射和轉(zhuǎn)基因操作的微操作機器人，廣東工業(yè)大學(xué)研究的微動機器人可用于微機械加工，它們的共同特點是精度高、運動范圍小和少自由度，尚不能滿足微裝配的要求。同時，國內(nèi)目前對微裝配還缺乏有效的工具(微夾)，大多采用手工操作和利用極簡易的工具(如用動物毛發(fā)對微靶的靜電吸附)并借助顯微鏡進行微裝配，操作難度大，可靠性和效率低。
總之，目前國內(nèi)外雖然對微操作機器人的研究工作取得了一些進展，但還存在如下問題1)僅著重其中某個部分的研究而不是系統(tǒng)的整體，如微型末端執(zhí)行器、主動視覺、微裝配過程的動力學(xué)分析、操作原理與試驗方法等；2)對于系統(tǒng)研究有二種情況，一是借助現(xiàn)有的機器人加上自己研究的某個裝置構(gòu)成系統(tǒng)，二是針對某種特定的對象構(gòu)建的系統(tǒng)，如用于生物醫(yī)學(xué)工程的細(xì)胞注射和轉(zhuǎn)基因操作的微操作機器人，用于微機械加工的微動機器人等；3)運動范圍小，通常只有微米級，不能滿足微裝配所需的三維空間的運動范圍。
澳大利亞的R.A.Russell研究的“用于完成亞毫米級抓取及操作任務(wù)的機器人系統(tǒng)”(見R.Andrew Russell.A robotic system forperforming sub-millimeter grasping and manipulation tasks.Robotics and Automation Systems，1994-13209-218)，它由控制主機、機械手和作為末端執(zhí)行器的微夾組成。其機械手采用并聯(lián)式機械結(jié)構(gòu)，其手爪(微夾)位于并聯(lián)結(jié)構(gòu)框架內(nèi)部，不能伸出，因此只能對置于其框架內(nèi)部臺面上的微粒物體進行操作，運動空間受到限制，且無法與顯微視覺配合。其機械手采用彈簧拉伸式結(jié)構(gòu)，用步進電機驅(qū)動，其脈沖當(dāng)量為0.037mm，系統(tǒng)的定位精度只能達(dá)到0.05mm；其微夾是采用二指夾鑷方式，無法克服指尖與微粒物體之間的粘著力(包括靜電力，范德華力和表面張力)，因此在釋放微粒物體時會很困難。
為實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型的適用于亞毫米級微小物體操作的微裝配機器人包括控制主機、微操作機械手、真空微夾、帶有攝像頭的顯微鏡，所述微操作機械手、真空微夾、顯微鏡分別通過機械手控制器、真空微夾控制器和圖像采集卡與控制主機連接；所述微操作機械手由微動平臺組合而成，所述微動平臺上設(shè)有由帶有光電編碼器的伺服電機驅(qū)動的限位開關(guān)和零位開關(guān)；所述機械手控制器由依次相連的多軸運動控制卡、轉(zhuǎn)接板及驅(qū)動器組成，多軸運動控制卡與控制主機連接，驅(qū)動器與光電編碼器和伺服電機相互連接；所述真空微夾由壓力調(diào)節(jié)閥、第一開關(guān)、第二開關(guān)、真空發(fā)生器構(gòu)成，真空發(fā)生器位于二個開關(guān)之間，吸管通過真空軟管與真空發(fā)生器相連，第一開關(guān)通過壓力調(diào)節(jié)閥與系統(tǒng)外的壓力源相連；所述真空微夾控制器為單片機，它分別與控制主機、壓力調(diào)節(jié)閥及第一、二開關(guān)相連。
上述微動平臺可由三個高精度滾柱絲桿微動平臺構(gòu)成，第一開關(guān)和第二開關(guān)可選用二通閥。
本實用新型是一個將機器人技術(shù)、微操作技術(shù)、微操作工具(即真空微夾)和顯微視覺有機地結(jié)合起來的完整的、具有實用性的系統(tǒng)。其機械手采用開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，其手爪(即真空微夾)安裝在機械手的末端，其運動空間是開放的，可方便地與顯微視覺配合，滿足微裝配的工藝要求。本實用新型所設(shè)計的機械手可采用高精度滾柱絲桿微動平臺組合而成，用帶有位置反饋(由光電編碼器檢測)的交流伺服系統(tǒng)控制，其定位精度可達(dá)到0.002mm。而本實用新型所采用的末端執(zhí)行器，即真空微夾是根據(jù)真空吸附原理設(shè)計的，通過控制吸管內(nèi)正負(fù)壓力的大小，可有效地克服吸管尖端與微粒物體之間的粘著力，從而可靠地吸取和釋放微粒物體，操作更加方便。
總之，本實用新型可方便、高效地對亞毫米級微小物體進行自動和半自動操作與裝配作業(yè)，如微靶的制備，鉆石和微型零件的測量、分揀、加工和裝配等，其定位精度可達(dá)到1～5μm，三維空間的運動范圍可達(dá)到50～150mm。隨著高技術(shù)產(chǎn)品向微型化發(fā)展的趨勢日益加快，本實用新型的應(yīng)用前景和社會經(jīng)濟效益是可觀的。


圖1為本實用新型基于顯微視覺的微裝配機器人的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為
圖1中真空微夾及其控制器的連接結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為
圖1中機械手控制器及其連接結(jié)構(gòu)示意圖。
在本實施例中，操作機械手3由多個微動平臺組合而成，采用三個定位精度為2μm，運動范圍為50～150mm的高精度滾柱絲桿微動平臺構(gòu)成三維微動平臺，以滿足機械手X-Y-Z三維空間的定位與運動范圍的要求。微動平臺上安裝限位開關(guān)和零位開關(guān)，并由帶有光電編碼器的交流伺服電機直接驅(qū)動，光電編碼器為控制器提供位置與速度反饋信息，從而保證機械手具有精確的位置與速度控制。機械手姿態(tài)控制可根據(jù)實際應(yīng)用的需要而定，通常微裝配對姿態(tài)的要求不高，本實用新型可設(shè)計一種角度可調(diào)的夾具，將其安裝在三維微動平臺上或?qū)⒄婵瘴A的吸管彎曲成一定的角度來滿足姿態(tài)的要求。
真空微夾5是微操作機械手3的末端執(zhí)行器，是微裝配操作中吸取和釋放亞毫米級微小物體或微工件的工具。根據(jù)實用新型人的研究，當(dāng)對象為亞毫米級微粒物體時，物體的重力不再起主導(dǎo)作用，靜電力、范德華力(即分子間的作用力)和表面張力的影響遠(yuǎn)大于重力的影響。此時，采用常規(guī)的夾鑷方式難以滿足要求。本實用新型采用真空吸附原理設(shè)計，在單片機22的控制下，可在吸管尖端產(chǎn)生大小適中的正負(fù)氣壓，從而自動完成對微工件的可靠吸取和準(zhǔn)確放置。如圖2所示，真空微夾由壓力調(diào)節(jié)閥20、第一開關(guān)15、第二開關(guān)16和真空發(fā)生器17和吸管19構(gòu)成。吸管19通過真空軟管18與真空發(fā)生器17相連，第一開關(guān)15通過壓力調(diào)節(jié)閥20與系統(tǒng)外的壓力源21相接，第一、二開關(guān)15、16可選用二通閥。真空微夾控制器4由單片機22及其相應(yīng)的控制軟件構(gòu)成。單片機22分別與二個開關(guān)15、16和壓力調(diào)節(jié)閥20相連。控制主機根據(jù)裝配工藝的要求向單片機發(fā)出指令，單片機輸出的控制信號分別控制壓力調(diào)節(jié)閥和第一開關(guān)與第二開關(guān)，使真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓或正壓氣流，產(chǎn)生負(fù)壓時吸取微小物體，產(chǎn)生正壓時釋放微小物體。正負(fù)壓力的大小由壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，使吸管的末端產(chǎn)生大小適中的正負(fù)氣壓，從而可靠地吸取或放置微小物體。
微裝配機器人的控制器由二級計算機系統(tǒng)構(gòu)成，上位機即控制主機1可選用PC機或工控機，它主要完成微操作機械手3與真空微夾5的協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)的安全與管理，顯微圖像的采集、顯示與標(biāo)定。下位機包括機械手控制器2和真空微夾控制器4。
機械手控制器由多軸運動控制卡9、轉(zhuǎn)接板10、驅(qū)動器11、伺服電機13和光電編碼器12組成，它們的連接方式如圖3所示。多軸運動控制卡9通過ISA/PCI總線與控制主機1連接，接受控制主機的指令，通過轉(zhuǎn)接板10將各軸的控制參數(shù)和數(shù)據(jù)送入對應(yīng)的驅(qū)動器11，同時接收光電編碼器12(通過驅(qū)動器和轉(zhuǎn)接板)的位置反饋信息，使系統(tǒng)形成閉環(huán)控制方式，從而提高控制精度。驅(qū)動器11通過轉(zhuǎn)接板10接收多軸運動控制卡9的控制參數(shù)和數(shù)據(jù)，為各軸伺服電機13提供動力源。各軸伺服電機13直接驅(qū)動機械手三維微動平臺14，從而實現(xiàn)三維空間的位置、速度與加速度的協(xié)調(diào)控制。
真空微夾控制器由單片機22完成與主機的通信、并輸出對壓力調(diào)節(jié)閥21、第一開關(guān)15和第二開關(guān)16的控制信號。
顯微視覺由帶攝像頭的顯微鏡8、圖像采集卡7和控制主機1構(gòu)成。安裝在顯微鏡上的攝像頭攝取工作平臺上的微小物體、真空微夾及其裝配操作過程的動態(tài)圖像，圖像采集卡7將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信息送入控制主機1。系統(tǒng)標(biāo)定、坐標(biāo)變換、活動標(biāo)尺以及工件的檢測與顯示等功能均由控制主機運行相關(guān)軟件完成。
權(quán)利要求1.一種適用于亞毫米級微小物體操作的微裝配機器人，包括控制主機、機械手、微夾，其特征在于該機器人還包括帶有攝像頭的顯微鏡(8)，所述機械手為微操作機械手(3)，所述微夾為真空微夾(5)，微操作機械手(3)、真空微夾(5)和顯微鏡(8)分別通過機械手控制器(2)、真空微夾控制器(4)和圖像采集卡(7)與控制主機(1)連接；所述微操作機械手(3)由多個微動平臺(14)組合而成，所述微動平臺上設(shè)有由帶有光電編碼器(12)的伺服電機(13)、驅(qū)動器(11)、限位開關(guān)和零位開關(guān)，伺服電機(13)通過驅(qū)動器(11)驅(qū)動限位開關(guān)和零位開關(guān)；所述機械手控制器(2)由依次相連的多軸運動控制卡(9)、轉(zhuǎn)接板(10)及驅(qū)動器(11)組成，多軸運動控制卡(9)與控制主機(1)連接，驅(qū)動器(11)與光電編碼器(12)和伺服電機(13)相互連接；所述真空微夾(5)由壓力調(diào)節(jié)閥(20)、第一開關(guān)(15)、第二開關(guān)(16)、真空發(fā)生器(17)構(gòu)成，真空發(fā)生器(17)位于二個開關(guān)(15、16)之間，吸管(19)通過真空軟管(18)與真空發(fā)生器(17)相連，第一開關(guān)(15)通過壓力調(diào)節(jié)閥(20)與系統(tǒng)外的壓力源(21)相連；所述真空微夾控制器(4)為單片機(22)，所述單片機分別與控制主機(1)、壓力調(diào)節(jié)閥(20)及第一、二開關(guān)(15、16)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于亞毫米級微小物體操作的微裝配機器人，其特征在于所述微動平臺由三個高精度滾柱絲桿微動平臺構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適用于亞毫米級微小物體操作的微裝配機械人，其特征在于第一開關(guān)(15)和第二開關(guān)(16)為二通閥。
專利摘要本實用新型公開的適用于亞毫米級微小物體操作的微裝配機器人,由控制主機、微操作機械手、真空微夾、帶有攝像頭的顯微鏡構(gòu)成。微操作機械手由微動平臺組合而成,微動平臺上設(shè)有限位開關(guān)和零位開關(guān),并與帶有光電編碼器的伺服電機連接;機械手控制器由依次相連的多軸運動控制卡、轉(zhuǎn)接板及驅(qū)動器組成,多軸運動控制卡與主機連接;真空微夾由壓力調(diào)節(jié)閥、第一開關(guān)、第二開關(guān)、真空發(fā)生器和吸管構(gòu)成;真空微夾控制器為單片機,它分別與控制主機、壓力調(diào)節(jié)閥及第一、二開關(guān)相連。本實用新型可方便、高效地對亞毫米級微小物體進行自動和半自動操作與裝配作業(yè),其定位精度可達(dá)到1～5μm,三維空間的運動范圍可達(dá)到50～150mm。本實用新型具有廣泛的應(yīng)用前景和可觀的社會經(jīng)濟效益。
文檔編號B25J7/00GK2510248SQ0125246
公開日2002年9月11日 申請日期2001年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月18日
發(fā)明者黃心漢, 王敏, 陳國良, 劉敏, 呂遐東 申請人:華中科技大學(xué)