專利名稱：整體式三自由度微納操作器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高精度的納米操作機(jī)器人結(jié)構(gòu)，具體的說是一種可以以極高的位移分辨率快速地對微小物體在三維空間內(nèi)進(jìn)行操作的操作裝置。

背景技術(shù)：
微納操作器是納米操作機(jī)器人系統(tǒng)的核心部件，納米操作機(jī)器人可以用于微型機(jī)械零件裝配、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)組裝、超精密加工、光學(xué)調(diào)整、生物細(xì)胞操作等領(lǐng)域。目前，納米操作機(jī)器人系統(tǒng)還處于研究發(fā)展階段，還沒有完全產(chǎn)業(yè)化，主要還是集中在一些高校和研究機(jī)構(gòu)。總結(jié)國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，納米操作器已經(jīng)由一個自由度發(fā)展為多個自由度，在驅(qū)動上大多數(shù)采用壓電陶瓷器件，因此都具有納米級的分辨率，并且采用慣性沖擊式原理和超聲馬達(dá)的原理來實(shí)現(xiàn)大行程，高分辨率。
現(xiàn)有的納米操作機(jī)器人系統(tǒng)多為單維操作系統(tǒng)，也就是說它們只能在某一個方向上運(yùn)動，不能進(jìn)行空間運(yùn)動。如果要實(shí)現(xiàn)多維運(yùn)動，往往是多個單維微操作器進(jìn)行組裝拼湊成一個多維操作系統(tǒng)，這樣做導(dǎo)致的直接后果是操作機(jī)器人系統(tǒng)外形過于龐大，并且操作動作不是很靈活；其次，機(jī)器人的運(yùn)動精度因結(jié)構(gòu)因素而受到影響，往往在微米級的范圍內(nèi)。
國內(nèi)專利(申請?zhí)?3266087.1)涉及的是一種并-并聯(lián)式微操作并聯(lián)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中有如下缺點(diǎn) 1.微操作機(jī)器人外形尺寸巨大，高度增加，有累積誤差且運(yùn)動穩(wěn)定性變差； 2.當(dāng)根據(jù)微操作動作的需要，把微操作機(jī)器人水平或傾斜安裝在支架上使用時(shí)，由于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(qū)動器的安裝比較困難，很難達(dá)到理想的安裝位置。其次，放大機(jī)構(gòu)直接通過壓電陶瓷驅(qū)動，并且采用了點(diǎn)面接觸方式，不能消除杠桿擺動產(chǎn)生的非線性誤差。而這往往又是系統(tǒng)誤差的主要來源。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種體積小、運(yùn)動精度高的三自由度微納操作器。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)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(qū)動器和平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)，平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)上還串聯(lián)一個垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)，所述平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)和垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)是與基板一體相連的整體式結(jié)構(gòu)，其中的連接點(diǎn)均為整體式柔性鉸鏈，且基板的上下平面高出平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)的上下平面。
本發(fā)明中的運(yùn)動機(jī)構(gòu)都是與基板一體的整體式結(jié)構(gòu)，外形扁平化，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，無需裝配，避免了裝配誤差，運(yùn)動精度高?；宓纳舷缕矫娓叱銎矫孢\(yùn)動機(jī)構(gòu)的上下平面，使基板在安裝固定后，中間的平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動可以不受阻礙。
上述技術(shù)方案中，所述垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)可以由操作器的執(zhí)行端連接在沿垂直方向運(yùn)動的壓電陶瓷驅(qū)動器上構(gòu)成，由壓電陶瓷驅(qū)動器直接驅(qū)動執(zhí)行端產(chǎn)生垂直方向的運(yùn)動。
在上述技術(shù)方案中，所述平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)如下它包括操作臂、橫連桿、第一豎連桿、第二豎連桿，其中操作臂的頭端與所述的垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)相連接，所述第一豎連桿的一端垂直連接在操作臂上，另一端垂直連接在橫連桿的頭端，所述橫連桿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(qū)動器相連接，所述第二豎連桿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，第二豎連桿的中部通過一根橫推桿與壓電陶瓷驅(qū)動器相連接。兩個壓電陶瓷驅(qū)動器分別通過上述的連桿機(jī)構(gòu)，可以使操作臂產(chǎn)生二維平面運(yùn)動，這兩個壓電陶瓷驅(qū)動器通過一根推桿與上述平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)相連，可以避免杠桿擺動產(chǎn)生的非線性誤差。
在另一優(yōu)選方案中，對壓電陶瓷驅(qū)動器的安裝座進(jìn)行了改進(jìn)，將安裝座設(shè)計(jì)成一個平行板簧機(jī)構(gòu)，由四片片簧和兩根連桿連接而成，壓電陶瓷驅(qū)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(diào)節(jié)，靠自身的彈性力實(shí)現(xiàn)固定和預(yù)緊。



圖1是本發(fā)明的整體式微納操作器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明中平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2所示平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動原理圖。
圖4是用于固定壓電陶瓷驅(qū)動器的一種平行板簧結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖5是圖4所示平行板簧結(jié)構(gòu)的運(yùn)動原理圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如圖1、圖2所示，在一塊基板4上采用電火花、線切割等工藝加工而成的整體式連桿和整體式柔性鉸鏈組成二維平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)3和垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)2，分別由三個壓電陶瓷驅(qū)動器1驅(qū)動構(gòu)成本發(fā)明的三自由度微納操作器。平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)3由操作臂31、橫連桿33、第一豎連桿32、第二豎連桿34，垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)2就連接在操作臂31的頭端，所述第一豎連桿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桿33的頭端，所述橫連桿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(qū)動器1相連接，所述第二豎連桿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，第二豎連桿34的中部通過一根橫推桿35與壓電陶瓷驅(qū)動器1相連接。上述所有的機(jī)構(gòu)中，除壓電陶瓷驅(qū)動器1外，其余全部為整體式結(jié)構(gòu)，無需裝配。平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)3凹陷在基板4中，基板4的上下平面比平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)3的上下平面各凸出1mm，這樣當(dāng)基板4在安裝固定時(shí)，其中的平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(qū)動器1，操作器的執(zhí)行端直接與該垂直方向的壓電陶瓷驅(qū)動器1的輸出端相連，構(gòu)成本操作器的垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)2。
圖3表示了上述平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)3的運(yùn)動原理考慮到微操作器的外形結(jié)構(gòu)的要求，連桿L1和L2、連桿L2和L3、連桿L3和L4分別成90度放置，并且使得兩個基座點(diǎn)的位置在同一側(cè)。操作器末端的運(yùn)動是通過連桿L1和L4的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。由于是5連桿機(jī)構(gòu)(包括地面)，該平面機(jī)構(gòu)具有兩個自由度?？紤]到壓電陶瓷的輸出軌跡不是圓弧形，而是直線形，因此分別通過連桿L1和L5、L4和L6連接，然后在連桿L5和L6的末端連接一個滑塊機(jī)構(gòu)，滑塊分別沿X和Y方向運(yùn)動，表示壓電陶瓷的運(yùn)動路徑。壓電陶瓷由計(jì)算機(jī)控制，通過復(fù)雜的矩陣運(yùn)算控制連桿L1和L4的轉(zhuǎn)角大小的變化，就可以獲得操作器末端位置的運(yùn)動軌跡。
如圖4、圖5所示，壓電陶瓷驅(qū)動器的安裝是通過該整體機(jī)構(gòu)上的一個平行板簧結(jié)構(gòu)，中空部分用于鑲嵌壓電陶瓷驅(qū)動器，并通過本身固有的彈簧預(yù)緊力來固定。該平行板簧機(jī)構(gòu)是由四片片簧和兩根連桿連接而成，利用片簧的彈性變形，設(shè)定兩個突起塊的之間的距離，使得壓電陶瓷與平行板簧結(jié)構(gòu)的安裝為過盈配合，有一定的預(yù)緊力，不需要螺釘調(diào)節(jié)。
權(quán)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(qū)動器(1)和平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)(3)，平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)(3)上還串聯(lián)一個垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)(2)，其特征在于所述平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)(3)和垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)(2)是與基板(4)一體相連的整體式結(jié)構(gòu)，其中的連接點(diǎn)均為整體式柔性鉸鏈，且基板(4)的上下平面高出平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)(3)的上下平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體式三自由度微納操作器，其特征在于所述垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)(2)由操作器的執(zhí)行端連接在沿垂直方向運(yùn)動的壓電陶瓷驅(qū)動器(1)上構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體式三自由度微納操作器，其特征在于所述平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)(3)包括操作臂(31)、橫連桿(33)、第一豎連桿(32)、第二豎連桿(34)，其中操作臂(31)的頭端與所述的垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)(2)相連接，所述第一豎連桿(32)的一端垂直連接在操作臂(31)上，另一端垂直連接在橫連桿(33)的頭端，所述橫連桿(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(qū)動器(1)相連接，所述第二豎連桿(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，第二豎連桿(34)的中部通過一根橫推桿(35)與壓電陶瓷驅(qū)動器(1)相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體式三自由度微納操作器，其特征在于所述壓電陶瓷驅(qū)動器(1)的安裝座是一個平行板簧機(jī)構(gòu)，所述平行板簧機(jī)構(gòu)由四片片簧和兩根連桿連接而成，壓電陶瓷驅(qū)動器(1)與安裝座之間過盈配合。
全文摘要
本發(fā)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(qū)動器和平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)，平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)上還串聯(lián)一個垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)，所述平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)和垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)是與基板一體相連的整體式結(jié)構(gòu)，其中的連接點(diǎn)均為整體式柔性鉸鏈，且基板的上下平面高出平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)的上下平面。本發(fā)明中的運(yùn)動機(jī)構(gòu)都是與基板一體的整體式結(jié)構(gòu)，外形扁平化，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，無需裝配，避免了裝配誤差，運(yùn)動精度高。本發(fā)明的操作器能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間運(yùn)動，可應(yīng)用于在微型機(jī)械零件裝配、微機(jī)電系統(tǒng)組裝、超精密加工、光學(xué)調(diào)整、微外科手術(shù)、生物細(xì)胞操作等領(lǐng)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(yōu)先權(quán)日2005年1月11日
發(fā)明者馬奎, 董衛(wèi)軍, 戴暉 申請人:同濟(jì)大學(xué)