[精品論文]基于柔性并聯(lián)機構(gòu)的微動執(zhí)行器

1、基于柔性并聯(lián)機構(gòu)的微動執(zhí)行器梁橋康1，王耀南1，周寒英1，葛運建2（1. 湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082；52. 中國科學院合肥智能機械研究所，合肥 230031） 摘要：微動執(zhí)行器在微操作、微裝配和微位移等領域得到了深入的應用，被廣泛應用于細胞 操作、精細外科手術(shù)、微機電系統(tǒng)裝配、光纖對接、細微操控等。而柔性并聯(lián)機構(gòu)因具有諸 如精度高、無間隙和摩擦、穩(wěn)定可靠、重復性高等優(yōu)點被作為微動執(zhí)行器的機構(gòu)本體也得到 深入的研究。通過對柔性并聯(lián)機構(gòu)和微動執(zhí)行器的特點介紹，對基于柔性并聯(lián)機構(gòu)的微動執(zhí)10行器領域的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀作了一定的介紹，并指出了目前存在的若干主要問題。關(guān)鍵詞：檢測技術(shù)

2、與自動化裝置；柔性并聯(lián)機構(gòu)；微動執(zhí)行器中圖分類號：tp242.3a review of recent developments in cpm-based15micro-manipulatorsliang qiaokang1, wang yaonan1, zhou hanying1, ge yunjian2(1. college of electrical and information engineering, hunan university, changsha 410082;2. institute of intelligent machines, chinese academy of s

3、ciences, hefei 230031)abstract: micro-manipulators are applied to the fields such as micro-operation, micro assembly,20and micro-displacement, and have been widely used in cells manipulation, precise and minimally invasive surgery, micro-mechatronic system assembly, fiber alignment, and micro manipu

4、lation and control. cpm possesses advantages such as high precision, high stiffness and sensitivity, weakcouplings, good isotropy, and nonfriction, and has been widely studied as a mechanism candidate of the micro-manipulator. this paper desxribes the state-of-the-art of the cpm (compliant parallel2

5、5mechanism) based micro-manipulators, then some problems are poointed out.keywords: detection technology and automation equipment; compliance parallel mechanism;micro-manipulator0引言30隨著微電子技術(shù)和生物醫(yī)學工程等學科的不斷發(fā)展，使用精細操作的微動執(zhí)行器及相關(guān) 技術(shù)受到人們的日益關(guān)注，由于人類的操作極限有限，如微電子技術(shù)中的精密操作和生物醫(yī) 學工程中的細胞操作等精細操作等問題迫切需要將機器人技術(shù)及自動控制引入微米甚

6、至納 米操控領域。微動執(zhí)行器能完成微米甚至納米級分辨力的移動和操作任務1，是精密機械和精密儀器35實現(xiàn)高精度微位移的關(guān)鍵技術(shù)之一，涉及精密儀器及機械、計算機及通信、機器人、微電子 技術(shù)、自動控制、精密測量等多個學科領域。隨著微電子技術(shù)、生物醫(yī)學工程、宇航等領域 的發(fā)展，微動執(zhí)行器及相關(guān)技術(shù)被廣泛應用于細胞操作、微細精加工、微細外科手術(shù)、光纖 對接、微機電系統(tǒng)裝配等領域2-8。為了克服傳統(tǒng)并聯(lián)機構(gòu)存在的間隙、摩擦等諸多誤差因素對基于傳統(tǒng)并聯(lián)機構(gòu)的執(zhí)行器40操作精度的影響，同時保留并聯(lián)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小、剛度大、承載能力強、精度高、 動態(tài)性能好等優(yōu)良特性，柔性并聯(lián)機構(gòu)被引入操作執(zhí)行器中并漸漸

7、成為一種最主要的機械本 體結(jié)構(gòu)。柔性并聯(lián)機構(gòu)最顯著的特點在于采用具有無間隙、無摩擦、高穩(wěn)定性、高重復性等基金項目：博士點新教師基金（20120161120015）；湖南省科技廳科技計劃一般項目（2012rs4046）作者簡介：梁橋康，（1982-），男，講師，主要研究方向：機器人技術(shù)，機器人傳感器。e-mail:特性的柔性關(guān)節(jié)作為執(zhí)行器的各支鏈的連接。柔性并聯(lián)機構(gòu)微操作機器人的研究已有三十多年的歷史，如今發(fā)展仍十分活躍，國內(nèi)外45不斷有各種相關(guān)技術(shù)和成果涌現(xiàn)。本文在對近年來主要的基于柔性并聯(lián)機構(gòu)的微動執(zhí)行器進 行綜述的基礎上，力求發(fā)現(xiàn)和總結(jié)目前存在的問題，并

8、總結(jié)相應的發(fā)展方向，以期對微動執(zhí) 行器領域未來的發(fā)展提供一定的參考作用。1基于柔性并聯(lián)機構(gòu)的微動執(zhí)行器研究進展1.1基于柔性并聯(lián)機構(gòu)的微動執(zhí)行器50微執(zhí)行器操作系統(tǒng)通常由微操作末端執(zhí)行器，控制器，人機交互界面，驅(qū)動，檢測與反 饋裝置等構(gòu)成，其原理如如圖 1 所示。系統(tǒng)中的檢測與反饋感知部分按其所處于系統(tǒng)中的位 置可以細分成執(zhí)行器外部感知（如顯微成像裝置）和內(nèi)部感知（如集成式力/位置傳感器） 兩大類。55圖 1 微操作執(zhí)行器示意圖fig.1 schematic diagram of micro-manipulator目前，基于柔性并聯(lián)機構(gòu)的微操作機器人相關(guān)的機構(gòu)、控制和驅(qū)動等技術(shù)已得到了廣泛 的

9、重視和深入的研究，近年來出現(xiàn)的宏/微機器人技術(shù)結(jié)合的混聯(lián)或多重并聯(lián)微操作技術(shù)可60以同時實現(xiàn)厘米級大行程和納米級微運動定位和操作，在醫(yī)療技術(shù)、機械精密加工、電子信息工程到光學工程都有廣泛的應用，具有極大的應用前景。 柔性并聯(lián)機構(gòu)與傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)相比，集成了并聯(lián)機構(gòu)和柔性機構(gòu)的諸多優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定、剛度重量比大、載荷重量大、運動和定位精度高、動態(tài)性能好適宜高速運動、位 置正解求解容易、相關(guān)的理論分析如工作空間和剛度分析比較成熟。但其工作空間相對較小，65受限于機構(gòu)的特點，存在多種奇異位置。1.2基于柔性并聯(lián)機構(gòu)的微動執(zhí)行器研究概況微操作機器人的研究是從平面柔性機構(gòu)的應用研究開始的，隨著柔性機

10、器人機構(gòu)的研究 不斷深入，日益復雜的作業(yè)要求迫使研究者采用更加復雜的具有空間多自由度的柔性并聯(lián)機 構(gòu)作為其新型的機械本體結(jié)構(gòu)。柔性并聯(lián)機構(gòu)最早可追溯到 1989 年 hara 等提出的一種柔性70六自由度 6-sps 構(gòu)型的微定位平臺，其驅(qū)動為壓電陶瓷9。1990 年，taniguchi 等研制了另一種柔性六自由度 6-sps 構(gòu)型的微定位平臺10。瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所于 1994 年設計了一種 面向光纖對接應用的三自由度 3-rps 柔性并聯(lián)微定位平臺。其后幾十年里，面向各種領域 和需求的柔性并聯(lián)微操作機器人系統(tǒng)及相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)被廣泛研究，可以達到的分辨率 和精度越來越高，工作空間越來越大

11、，頻率響應越來越高。75如圖 2 所示為 2002 年加拿大薩省大學 zhang 設計的一種采用壓電陶瓷驅(qū)動的平面三自 由度微動執(zhí)行器，其采用 3prr 結(jié)構(gòu)的平面柔性并聯(lián)機構(gòu)作為其本體機構(gòu)，可實現(xiàn)沿 x，y 軸分別產(chǎn)生 77.28 m 和 71.02 m 的微移動，和繞 z 軸產(chǎn)生 2.16 mrad 的微轉(zhuǎn)動11。圖 2 三自由度平面微動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖1180fig. 2 three dofs planar micro-manipulator2009 年澳大利亞的 yong 等研制了一種基于平面柔性機構(gòu)的兩自由度納米級微執(zhí)行器，如圖 3 所示，機構(gòu)采用兩個壓電疊堆分別為 x 和 y 方向

12、提供驅(qū)動，能提供 25m25m 的 較大工作空間，系統(tǒng)還具有寬頻響和低耦合等優(yōu)點12。85（a） （b）圖 3 平面兩自由度微動執(zhí)行器12 (a) 微執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖；（b）微執(zhí)行器受 x 方向力時的有限元分析 fig. 3 two-dimensional planar micro-manipulator (a) prototype of the micro-manipulator (b) fea of the micro-manipulator under x-axis load90如圖 4 所示，荷蘭科學家 boudewijn r. de jong 等研究了基于 mems 工藝的平面三自度

13、微執(zhí)行器，能操作一個 10 20 0.2 m3 的微小樣品，在平面內(nèi) x、y 方向可產(chǎn)生一 個10 m 的行程，能繞 z 軸產(chǎn)生一個2的旋轉(zhuǎn)范圍13。95圖 4 基于 mems 工藝的平面三自由度微動執(zhí)行器13fig. 4 planar three dofs mems-based micro-manipulator100105韓國科學家 wang 等設計了一種基于柔性并聯(lián)機構(gòu)的平面兩自由度微動執(zhí)行器（如圖 5所示），基于約束分析設計，采用雙線性柔性關(guān)節(jié)和復合直線柔性關(guān)節(jié)，系統(tǒng)的耦合輸出 小，通過采用 pzt 驅(qū)動，材料為鋁 6061-t6，系統(tǒng)在受 y 軸方向 100n 的力時沿 y 軸方向發(fā)

14、 生 21.4m 的微位移和沿 x 軸方向 0.0184m 的耦合輸出14。圖5 基于柔性并聯(lián)機構(gòu)的平面兩自由度微動執(zhí)行器14fig. 5 two dimensional planar micro-manipulator based on compliant parallel mechanism如圖 6 所示，美國北卡羅來納州大學 polit 和 dong 等研究人員于 2011 年為微納制造 研制了一種基于平面并聯(lián)柔性機構(gòu)的高頻響兩自由度平面納米微執(zhí)行器，系統(tǒng)采用 pzt 驅(qū)動，采用兩個電容式傳感器構(gòu)成位置閉環(huán)控制，具有較高的頻響和較好的線性度，行 程和分辨力分別可達 15m 和 1nm15

15、。110115（a） （b）圖6 基于平面并聯(lián)柔性機構(gòu)的兩自由度平面納米微執(zhí)行器15 （a） 結(jié)構(gòu)示意圖；（b）微執(zhí)行器實驗樣機fig.6 cpm-based planar micro-manipulator with two dofs (a) diagrammatic sketch of the micro-manipulator(b) prototype of the micro-manipulator如圖 7 所示，新加坡南洋理工大學的 pham 等設計了一種空間三自由度的柔性并聯(lián)機構(gòu)， 并提出一種針對柔性機構(gòu)的剛度建模方法，通過實驗和有限方法對其建模方法進行了驗證。 系統(tǒng)在運動行程為

16、0200 m 和 200500 m 時線性誤差分別為 6.62%和 4.61% 16。120125130135（a） （b）圖 7 三自由度柔性并聯(lián)機構(gòu)16 （a）機構(gòu)的三維模型；（b）實驗樣機fig. 7 compliant parallel mechanism with three dofs (a) 3-d model of the mechanism (b) prototype國立臺灣大學的 wu 等 2008 年研制了一種納米級的六自由度微定位平臺，采用 6-pss 柔性并聯(lián)機構(gòu)，利用 pzt 進行驅(qū)動。如圖 8 所示，樣機尺寸為 15155 cm3，能跟蹤一個半 徑為 5 納米的圓周

17、軌跡。線位移行程達 8 微米，分辨率達 5 納米；轉(zhuǎn)動行程達 200 微弧度， 分辨率為 0.7 微弧度17。圖 8 六自由度納米級微動平臺17fig. 8 six dimensional micro-manipulator哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所的 wei dong 等研制了一種高精度六自由度定位平臺，如 圖 9 所示，該機構(gòu)采用新型柔性鉸鏈，利用六個大行程壓電電動機和六微動壓電陶瓷驅(qū)動， 能同時實行大行程和高精度要求，工作空間能達到立方厘米級18。圖 9 六自由度納米級精度并聯(lián)微動平臺18fig. 9 six dimensional precise micro-manipulator14

18、0145如圖 10 所示為北京航空航天大學的 chao 于 2005 年提出一種用于光纖對接操作的柔性并聯(lián)機構(gòu)，由一個三自由度平面柔性并聯(lián)機構(gòu)提供三個平面自由度（沿 x 軸和 y 軸的移動， 繞 z 軸的轉(zhuǎn)動），在其上接一個 3-rps 的空間柔性并聯(lián)機構(gòu)提供另外三個自由度（沿 z 軸的 移動，繞 x 軸和 y 軸的轉(zhuǎn)動），共同實現(xiàn)空間六個自由度。傳動精度能達到 50 納米左右19。（a） （b）圖 10 用于光纖對準的柔性并聯(lián)機構(gòu)19 （a）三自由度平面柔性并聯(lián)機構(gòu)（b）實驗樣機fig. 10 compliant parallel mechanism used for fiber-align

19、ment connector (a) planar three-dof cpm (b) prototype150澳門大學的 li 和 xu 于 2011 年設計了一種基于壓電驅(qū)動的全解耦三自由度微動執(zhí)行器（如圖 11 所示），結(jié)合 mpi+pid 控制方法，其微位移精度可達亞微米級，一階共振頻率為49.59hz，通過有限元分析軟件和實驗驗證了系統(tǒng)和控制方法的有效性20。155（a） （b）圖 11 基于柔性并聯(lián)機構(gòu)的三自由度全解耦微動執(zhí)行器20 （a）結(jié)構(gòu)示意圖（b）有限元分析fig. 11 three-dof decoupled micro-manipulator based on cpm

20、(a) diagrammatic sketch of the micro-manipulator (b) fea of the micro-manipulator160加拿大的 zhang 等于 2008 年提出了一種基于柔性并聯(lián)機構(gòu)三自由度微動執(zhí)行器（如圖12 所示），系統(tǒng)采用 3rps 作為其機械本體結(jié)構(gòu)，使用三個主動直線關(guān)節(jié)驅(qū)動，通過有限元 分析軟件驗證其最大行程為 61m，通過采用帶中間從動支鏈的構(gòu)型，提高了系統(tǒng)的安全系 數(shù)21。165（a） （b）圖 12 三自由度微動執(zhí)行器21 （a）不帶中間從動支鏈的執(zhí)行器（b）帶中間從動支鏈的執(zhí)行器fig. 12 three-dof micro

21、-manipulator based on cpm (a) cpm-based micro-manipulator without passive leg (b) cpm-based micro-manipulator with passive leg170新加坡制造技術(shù)研究所和南洋理工的研究人員 yang 和 chen 等于 2011 年研制了一種基于 3pps 柔性并聯(lián)機構(gòu)的空間三自由度微動執(zhí)行器用于納米對齊等操作，如圖 13 所示，執(zhí) 行器可沿 z 軸作直線移動，并能繞 x 軸和 y 軸轉(zhuǎn)動，工作空間達 555mm，工作空間 內(nèi)定位和角度分辨力可分別達 20nm 和 0.05 弧秒22。

22、175（a） （b）圖 13 基于 3pps 柔性并聯(lián)機構(gòu)的空間三自由度微動執(zhí)行器22 （a）結(jié)構(gòu)示意圖（b）實驗樣機fig. 13 spatial three-dof micro-manipulator based on 3pps cpm (a) diagrammatic sketch of the micro-manipulator (b)prototype of the micro-manipulator針對普通的柔性關(guān)節(jié)運動范圍小的缺點，韓國 kang 和 gweon 等研究人員于 2012 年為空間六自由度精密執(zhí)行器設計了相應的新型柔性關(guān)節(jié)，如圖 14 所示，通過對精密執(zhí)行器的 分析

23、和有限元仿真，驗證了柔性關(guān)節(jié)的優(yōu)越性，其誤差可限制在 14%以內(nèi)23。180185190195200205圖 14 應用新型柔性關(guān)節(jié)的六自由度精密執(zhí)行器23fig. 14 six-dimensional precise micro-manipulator based on novel compliant joints關(guān)于微執(zhí)行器的商品化產(chǎn)品也有很多，如圖 15 所示為德國 physik instrumente (pi)公司 的系列產(chǎn)品，其產(chǎn)品被廣泛應用在航天、顯微科學、光學、醫(yī)療、半導體等多個領域。其精 度可以達到納米級，行程可達 800 m800 m200 m 和 10 mrad 的超大行程

24、24。圖 15 pi 公司的六自由度微操作機器人24fig. 15 six-dimensional micro-manipulator of pi company另外，芬蘭的 tampere 大學，美國麻省理工學院，德國 braunschweig 大學，加拿大拉 瓦爾大學等諸多科研單位都對柔性機構(gòu)進行了廣泛深入的研究252627。2存在的問題和未來展望目前，基于柔性并聯(lián)機構(gòu)的微操作機器人技術(shù)已得到了廣泛的重視和研究，其研究熱點 和挑戰(zhàn)主要有：（一）力/位置感知問題：目前基于柔性并聯(lián)機構(gòu)的微操作機器人的研究主要集中在構(gòu) 型設計，而微操作技術(shù)應該是包括微位移機構(gòu)、檢測裝置和控制系統(tǒng)三大部分，因此對

25、微操 作機器人的力/位置感知亟待解決。如文獻28中的微操作研究都未涉及力/位置感知等問 題。而力/位置信息對實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)精度必不可少。（二）有限工作空間：并聯(lián)機構(gòu)一個主要的缺點就是其工作空間有限，且基于柔性并聯(lián) 機構(gòu)的微操作機器人一般采用 pzt 等高精度驅(qū)動產(chǎn)品來進行驅(qū)動，而高精度的驅(qū)動產(chǎn)品一 般行程都較小。另外柔性關(guān)節(jié)的許用行程也不能太大，因此大部分基于柔性并聯(lián)機構(gòu)的微操 作機器人工作空間都十分有限，極大限制了系統(tǒng)的應用范圍。（三）相關(guān)理論有待進一步深入研究：目前一般的柔性機構(gòu)都采用虛剛體模型來分析， 但這種方法在大行程、高精度等應用場合受到一定限制。210215（四）成本

26、高，實際應用少：柔性機構(gòu)的材料、加工、熱處理、驅(qū)動部件、信號采集與處理等相關(guān)費用成本居高不下，影響了柔性機構(gòu)的廣泛的實際應用。3結(jié)論本文主要對基于平面和空間多自由度柔性并聯(lián)機構(gòu)的微動執(zhí)行器進行了一定的調(diào)研，并 對研究熱點和發(fā)展趨勢作了簡單的分析。從調(diào)研的資料上看，平面柔性并聯(lián)微動執(zhí)行器已取 得了良好的效果，也有一定的實際應用，而空間多自由度的柔性并聯(lián)微動執(zhí)行器還沒有真正 的投入實際使用，還存在著諸多應用問題尚未解決，有限的研究還只是停留在實驗室原型設 計、研制和分析階段。在未來的發(fā)展上，柔性并聯(lián)微動執(zhí)行器將結(jié)合材料、微電子、精密機 電系統(tǒng)和測量技術(shù)、自動控制、機器人技術(shù)、計算機和信息技術(shù)等新成

27、果，繼續(xù)成為研究熱 點之一，并朝著實用化、低成本化、高可靠性、低成本方向不斷發(fā)展。參考文獻 (references)2202252302352402452502552601 bottema, o. o., roth, b. theoretical kinematicsm. new york: north-holand pub. co., 1979.2 c. amici. kinematic analysis of a compliant, parallel and three-dimensional meso-manipulator generated from a planar struct

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