第44卷第12期机械工程学报V01.44 No.12 2008年1 2月CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Dec. 2 0 0 8 DoI:10.3901/JME.2008.12.012 并联微操作机器人技术及应用进展 贪 远徐青松 李杨民 (澳门大学科技学院机电工程系澳门) 摘要:微/纳米并联微操作机器人技术是综合微/纳米技术和并联机器人技术迅速发展而形成的新研究方向,涉及精密机械、 机器人、计算机、自动控制、精密测量等多学科领域,广泛应用于生物医学领域中的细胞与基因操作、精细外科手术、微电 子装配、微细加工、光纤对接等领域.通过对当前国内外并联微操作机器人的研究状况、产品化应用以及实际应用等方面的 发展态势进行详细地回顾,总结微/纳米级并联微操作机器人这一研究方向在工作空间、运动解耦性、承载能力、理论分析、 柔性铰链设计、实时标定与测量、新材料、驱动等方面存在的问题,并提出改进意见,以期对该领域未来的创新设计以及发 展研究产生一定的推动作用. 关键词:微操作并联机器人柔性铰链 中图分类号:TP24 Survey on Parallel Manipulators with Micro/Nano Manipulation Technology and Applications YUN Yuan XU Qingsong LI Yangmin (Department of Electromechanical Engineering,Faculty of Science and Technology, University of Macao,Macao) Abstract:Micro/nano manipulation is a new research direction of parallel manipulator along with the development of nanoteclmology,which covers precision machinery,robotics,computer technology,automatic control,and precise measu rement,ere., and has been widely used in cells or gene manipulation in biomedical field,precise surgery,microelectronic assembly, micromachining,fiber alignment,etc.The most recent work on mieromanipulator research,related industrial products and applications are surveyed,then some problems existing in workspace,movement decoupling,bearing capacity,theoretical analysis, flexure hinge design, real·time calibration and measurement,new materials and actuators,etc.,are pointed out and some improvements are proposed.The research will be helpful to future creative design and research development. Key words:Micromanipulation Parallel manipulator Flexure hinge ' 0前言 并联机构由于本身结构的特点,多用在需要高 刚度、高精度和高速度且无需很大工作空间的场合 中.随着科学技术的深入,并联机构己被广泛应用 于航空航海、加工制造装配、轻工业和医疗器械等 领域.并联机构还被广泛应用于特种加工、测量作 业、焊接、铆接、土方挖掘、煤矿开采、娱乐设施、 食品包装、天文望远镜、机器人手臂、误差补偿器 以及力传感器等诸多方面. 20071210收到初稿,20080902收到修改稿 由于近年来微电子等学科的蓬勃发展,设备微 型化、微芯片高度集成化、操作精密化使微/纳米技 术成为国内外重点研究的核心方向,精密制造装配 等操作精细程度已经远远超出了人类的操作极限, 将机器人技术引入微/纳米制造及作业领域己经成 为日益迫切的要求.微操作的研究开始于20世纪 30年代,当时为进行细胞研究,出现了一些气动、 液压、机械式的微操作器,20世纪90年代开始受 到国内外科研机构的重视,并于20世纪90年代末 针对微操作系统的机构、控制和驱动等方面展开了 广泛的研究.微操作技术的研究领域覆盖从医疗技 术到环境工程等人类生活的各个方面,是具有极大 应用前景且能够对国民经济产生巨大影响的一项关 万方数据 2008年12月负远等:并联微操作机器人技术及应用进展 13 键技术. 微/纳米并联微操作机器人技术是随着微/纳米 技术和并联机器人的发展而形成的新的研究方向, 涉及精密机械、机器人、计算机、自动控制、精密 测量等多学科领域.并联微操作机器人具有结构紧 凑、运动链短、刚度高和承载能力大等优点.同时, 为了保证并联微操作机器人终端执行器的高精度特 性,通常以柔性铰链代替传统运动副,消除机械摩 擦和间隙对精度的影响,例如眼科手术中治疗视网 膜静脉闭塞,在微细外科手术中的细胞操作等.近 些年出现的采用宏/微结合的纳米并联微操作机器 人,可以实现厘米级大行程运动和纳米级微运动定 位和操作,是光纤接合作业、IC封装与测试、微机 电系统(Micro—electro—mechanical systems,MEMS)技术(制造、检测、封装和微装配)、超精密加工、光 学调整等先进制造领域的关键技术之一. 本文对世界范围内的并联微操作机器人技术 进行较为详细地回顾,其中将涌盖已有的研究成果 以及工业产品等方面,并总结其中存在的问题,提 出改进意见,以期对该领域未来的创新设计以及发 展研究提供一定的参考及指导作用. 1并联微操作机器人 1.1并联机构概述 并联机构是由多个并行链构成的闭环运动系 统,即由多个运动链的一端同时与一个具有多个自 由度的终端操作器相连而构成.并联机构按自由度 不同可以划分为2----6自由度并联机构,按连接方 式,可以划分为并联、串并联和混联三种类型. 并联机构的构想最早可追溯到1895年,数学 家CAUCHY研究了一种"用关节连接的八面体", 这是迄今为止知道的最早的并联机构111 0 1938年, POLLARD采用并联机构设计汽车喷漆装置.1 949 年,GOUGH等【2】设计了一种类似的机构用来检测 轮胎,这是并联机构首次的实际应用.1965年STEWART[剐提出一种六条腿连接基础平台与动平 台的6自由度并联机构,并发表论文阐述了可将此 类机构用在飞行模拟器上,这是至今应用最为广泛 的并联机构.1978年澳大利亚著名机构学教授 HUNTt41指出,可以应用Stewart机构作为机器人机 构,这才引起学术界的重视.到20世纪80年代末 特别是90年代,并联机构被广为关注,成为新的研 究热点,取得了不少研究成果,如由CLAVELl5】在1986年提出的3自由度并联机构、NEUMANN[6】 于1988年发明的Tricept机器人、1989年一种具有 3平移自由度的Delta机构17I,由PIERROTl8l在1991 年提出的Hexa机构、由HERVE[91在1992年提出的 Star机构、由TSAI等¨ol在1996年提出的Tsai机构 和由HEBSACKER在1999年提出的Hexi-glide机 构等. 并联机构与传统的串联机构相比,具有以下特 点Ill】:①较高的刚度重量比,刚度大,结构稳定. ②具有较高的载荷重量比.③容易实现高速运动. ④在位置求解上,正解困难逆解容易.⑤结构简 单,模块化程度高.⑥工作空间较小,且会出现奇 异位置.⑦灵活性能差. 1.2并联微操作机器人研究概况 并联微操作机器人终端自由度一般为2~6,大 多由传统并联机构的已有构型发展而来.早在1989 年HARA等Il2】提出了一种柔性6自由度6-SPS微定 位平台,由压电陶瓷驱动.1990年TANIGUCHI 掣"J研制成功另一种柔性6自由度6-PSS微定位平 台.1994年瑞士联邦技术研究所开发出一种应用于 光纤对接的3自由度3-RPS柔性并联微定位平 台ll4|.之后的十几年中涌现了大量用于各种用途的 并联微操作机器人,机器人终端精度也从开始的微 米级逐渐降至纳米级.近些年来更有很多的研究人 员将目标扩展到研发具有更大工作空间、更高的终 端精度、更好的灵活性能、更高的频率响应以及更 少的制造成本的新型微操作机器人. 1995年日本的TAMIO开发出了一种双指微操 作手Il引,操作手的两个手指分别安装在6自由度 Stewart平台上,如图l所示.平台各个运动链由压 电陶瓷驱动.通过控制上平台的操作手,可以实现 精确定位,定位精度在0.1 gm以内.控制基座平台 的压电陶瓷可以获得较大的工作空间如图2所示, 单位为"m. 图l双指微操作手示意图 图2微操作手的工作空间 万方数据 14 机械工程学报 第44卷第12期1998年芬兰Tampere大学KALLIO等¨oI提出 了一种3自由度压电液压驱动微操作机器人,结构 形式类似于空间3-RPS并联机构,如图3所示.驱 动部分由压电激励器、小型液压缸和波纹管组成, 具体结构如图4所示,其中波纹管为被动弹簧式组 件.当压电陶瓷弯曲变形时,缸内液压油受压将作 用力传递到波纹管上,由于波纹管内径较小,所以 可成比例放大得到250 pm左右的位移.整个系统 由三组相同的驱动元件共同驱动,平面工作空间可 达1.5 mmx0.6 mm,z向最大垂直位移约为0.25 mm, 精度为1 pm. 图3 3自由度压电液压驱动微操作器 管图4压电液压驱动元件原理示意图 2002年加拿大Saskatchewan大学的ZHANG 等【l 7】开发出一种平面3-RRR微动并联机器人,如图 5所示.图5a中没有显示终端执行器,终端执行器 是安装在4、日、C点上的盘形物体,3个压电陶瓷 电动机将运动分别传至4、B、C三点,并通过这三 点同时驱动终端执行器.图5b为实物图.这种微操 作机器人的x、),向运动范围为77.28岫和71.02 岬,z轴转动范围为2.16 mrad,且当压电陶瓷电动 机精度为0.01/am时终端执行器的z、Y向精度为 13.2 nlTl和3.4 nlll,z轴转动的精度为0.6 grad. 2003年北京航空航天大学的张建军等【18l利用 坐标变换法,建立了一种新型6自由度并联微动机 器人的微运动学模型,并对运动解耦性进行分析, 采用不同的初始驱动位移量和驱动方式,对机器入 的有限元模型进行分析,深入讨论了微运动学上的 解耦性,最后对研制的微动机器人样机进行了运动 解耦性测试和验证,证明这种新型并联微动机器入 的运动解耦,机器人结构示意图如图6所示. 图5平面3-RRR微动并联机器人 徽动平台 弹性球铰 连杆 弹性移动副 压电陶瓷 驱动器 下平台 图6新型6自由度并联微动机器人结构示意图 2004年由美国麻省理工学院的CULPEPPER 等【19】提出了一种低成本的HexFlex平面式六轴柔性 并联纳米微操作机器人,并经试验验证在光纤对接 中的实际应用,结构示意图如图7所示.机器人的 终端执行器由柔性铰链与柔性支撑相连接,通过磁 电式激励器从点么、召、C输入运动,使终端执行器 实现6自由度的微小运动,当工作空间为100 nln* 100 nlTIXl00 nln时终端精度在5 nm以下,当工作空 间大于100"m*100 lam*100 lam时终端误差在最大 空间尺寸的0.2%以内,图8详细描述了机器人终端 6自由度运动的实现,图9为实物图. 图7 HexFlex平面六轴并联纳米微操作 机器人结构示意图 万方数据 2008年12月负远等:并联微操作机器人技术及应用进展 15 图8 HexFlex6自由度运动实现 群优化算法进行了机构优化,如图13所示.2007 年LI等'矧又提出了3-PRC式的纳米级微操作机器 人,克服了传统3-PRC机器人的应力刚化、结构翘 曲及寄生运动大等缺点,如图14所示. 动平台 图11 2-DOF微操作机器人 U铰 P铰 陶瓷 图12正交3-PUU微操作机器人 图9 HexFlex平面式六轴并联纳米微操作机器人实物图' 2005年,北京航空航天大学的CHAO等[20l提 出了一种用于光纤对接的串并联微动机构,由一个 3-RRR并联机构做为底座,上部装配一个3-RPS并 联机构,使终端执行器实现6个自由度的运动,如图lO所示.底部3-RRR机构的工作空间为120啪* 130岫*l 8 mrad,精度为50 nmx50 nmx5 mrad. 图10 3-RRR并联机构实物图及 混联微动机构实物图 2005年,澳门大学已经开始针对并联微操作机 构的研究,由LI等【2lJ提出了一种2自由度柔性并 联微操作机器人,如图11,并基于伪刚体模型法建 立了数学模型,针对机构的工作空间及运动学性能 进行分析并优化.该机构具有180 gmx 180 gm的工 作空间,并能达到几纳米的终端精度.同时提出了 一种正交结构的纳米级柔性并联微操作机器人模 型22J,如图12所示,机构为3-PUU式并联结构, 工作空间为140 gmxl40 panxl40 lam.随后于2006 年,XU掣23 J针对另一种3.Puu并联机构采用粒子 图14 3-PRC微操作机器人 1.3大行程并联微操作机器人 随着军事工程、光通信工程、生物工程、精密 机械工程和精密光学工程等领域的科学技术不断发 展,迫切需要在运动范围、操作精度、响应速度、 承载力、可控性和灵活性等方面的性能都更加出色 的新型机器人来适应越来越高的操作需求.例如在 实现大范围工作空间的情况下同时能够实现微/纳 米级的运动精度,或在大范围工作空间的情况下要 求机器人不但能进行快速操作并具有更高的承载力 等,传统的采用单一驱动方式以及普通微小行程柔 性铰链支撑的机器人系统越来越难以胜任这些苛刻 万方数据 16 机械工程学报 第44卷第12期 的工作要求. 早在20世纪80年代的中后期就相继有国内外 学者提出了宏/微双驱动机器人系统的初步想法,近 几年在国内外已经有应用的成功先例,而且也有少 数研究者对柔性铰链进行材料及构型上的改进,克 服承载以及行程小的缺点. 2004年,德国Braunschweig大学的HESSELB. ACH等【25】开发出一种微装配作业用大行程高精度 并联机器人,如图15所示.机器人采用了一种Delta 机构和Star机构的变异形式,并将传统的运动副用 伪弹性柔性铰链替代,柔性铰链采用了记忆合金材 料,弹性应变可达17%,这种柔性结构最大可达角 度为+300,使终端工作空间高达200 mmx200 mnl* 60m/n,精度可达1岬和0.1 jam. 图1 5微装配作业用大行程高精度并联机器人 2005年加拿大Saskatchewan大学OUYANGM叫 描述了一种大行程高精度的并联微操作机构 HMM,如图16所示.设计的主要思路是将两种类 型的电动机结合起来,直流电动机控制机构大范围 运动,压电陶瓷激励器保证终端执行器的高精度. 克服了传统的微操作机器人工作空间小的弊端. 图16 HMM微动机构3D结构图及原理示意图 2004年,哈工大的DONG等【2 7】设计了一种6 自由度大行程纳米精度并联微操作机器人,如图17 所示.它采用了一种新型柔性铰链代替传统柔性铰 链,使机器人终端能够达到立方厘米级的工作空间, 并利用六个大行程的以色列产HR8压电电动机和 六个微动压电陶瓷进行驱动,压电电动机的精度在 100 IlIn左右,行程理论上可达到无限大.压电陶瓷 可以实现终端执行器的高精度,采用了德国生产的 PStl 50/7/40VS 12,精度可达1 nm.目前已成功应用 于核工程试验的精密定位中. 图17哈工大6自由度大行程纳米精度并联微操作机器人 另外,2006年,新加坡南洋理工大学的TANG 等'281提出了一种大行程3自由度解耦并联微动机器 人,如图18所示.机构采用正交3-PPP并联结构, 由于每个柔性移动铰链均能够实现大的位移,所以 动平台在每个方向上的输出位移均大于l mln. 图18南洋理工大学3-DOF大行程并联微操作机器人 1.4并联微操作机器人工业产品 德国Physik Instrumente(PI)公司【29l是世界上最 早将并联微操作机器人商品化的公司,产品已经广 泛应用到医疗、航天、显微科学、光学、半导体等 多个领域.图19所示为PI公司研发的串并联微动 机构原理示意图,左图为一个三轴的并联柔性机构, 右图为二轴的串联柔性机构.图20为PI公司的一 款用于扫描显微的6自由度亚纳米精度微操作机器 人产品. 图19 PI公司的串并联微动机构原理示意图 图20 Pl公司生产的亚纳米精度 6自由度微操作机器人 万方数据 2008年12月负远等:并联微操作机器人技术及应用进展 17 PI公司曾为美国宇航局的红外望远镜装置开 发了一种Hexapod构型的并联机器人,同时类似产 品也应用于英国红外望远镜上,如图2l左图所示. 基于已有的开发经验,1994年PI公司推出了M.800 系列的工业级高精度并联机器人.如图2l右图所 示.20世纪90年代中期,PI公司又开发了M.840 及M.850等一系列改进产品,如图22所示,由于 高精度、高可靠性及运动多样性,可用于外科手术 等需要复杂精细操作的领域. 图2l PI公司的6自由度微操作机器人及M.800 图22 PI公司开发的M.850并联微操作机器人 近年来,PI公司开发的许多成熟产品已经可以 达到纳米级精密定位,如P.587等6自由度并联纳 米定位系统Piezo Hexapod并联运动机构,图23所 示为P.587及控制器.P.587是具有超高精度6自 由度扫描与定位系统,提供高达800¨m*800 1.tmx 200岬和最高10 mrad的超大行程.P一587与E一710 六轴数字控制器配合工作,可实现自校准、零扫描 跟踪误差、超高动态线性度等功能. 图23 P.587 6自由度并联纳米定位系统 随着并联微操作机器人技术的发展,在十几年 中涌现了大量新型用于各种用途的新型微操作机 器入,终端精度从开始的微米级逐渐提高至纳米 级,工作空间也从开始的立方微米扩大到几立方厘 米的范围,近些年来更多的研究人员将目标扩展到 研发具有更大工作空间、更高的终端精度、更好的 灵活性能、更高的频率响应以及更少的制造成本的 新型并联微操作机器人.但从调研结果发现,这些 研究成果大部分仍无法普遍应用于实际当中. 2并联微操作机器人结构部件 并联微操作机器人是力与位移高度耦合、高度 非线性的空间柔性体.微动机器人经高精度电动机 驱动,通过柔性铰链的弹性变形实现终端平台的微 运动.所以各类纳米并联微操作机器人的核心结构 部件集中于所选用的驱动激励器、柔性铰链设计形 式以及制造材料等方面. 2.1激励器 目前可应用于微操作机器人的高精度驱动激 励器大致有直流电动机、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、 形状记忆合金、磁致伸缩材料、超磁致伸缩材料、 超声波电动机、尺蠖电动机、微动电动机(Picomotor) 及滑滞电动机等,其中主要类型激励器的性能对比 如下表所示. 表主要激励器性能对比 序号类型名称 工作机理 主要性能 精度 直流电动机具有平稳、连续、高速等特点,相 比其他各种电动机,它输出的力/力矩更大,且输出 位移不受限制,但由于它本身的精度最高只能达到 亚微米级,所以若选用此类电动机仍需要与其他高 精度电动机配合使用才能使终端执行器达到纳米级 精度.价格比较便宜,一般在5~100美元左右. 压电陶瓷是早期应用比较广泛的一种驱动材 料.驱动机理是利用压电材料的逆压电效应,通过 万方数据 18 机械工程学报 第44卷第12期 施加外部电场,将电能转化为机械能.压电陶瓷响 应速度快,一般在亚毫秒级别,适应的频率范围大, 对温度变化不敏感,无磁场影响等优点.但输出位 移量较小(约1%形变量),一般为几十到几百微米. 要求的驱动电压较高,约为100~1 000 V.压电陶 瓷输出位移、外加电压与控制力之间的关系为 z:五+艿矿 屯 式中x——位移 矿——外加电压 疋——控制力 屯——压电陶瓷刚度 J——压电陶瓷上加单位电压产生的位移量 压电陶瓷存在滞后现象,111]1',长量要依赖于电 压升高和下降,这将导致对结构的非线性激励,因 此为了提高控制性能,较好的办法是采用闭环控制 器.压电驱动器的输出推力较大(一般为1 kN左右), 但只能实现单向驱动.压电陶瓷驱动器的价格在 100~160美元. 电致伸缩陶瓷也算是一种压电陶瓷,但因为它 的性能相对传统压电陶瓷有很大的改观,因此又把 它叫做电致伸缩陶瓷.同压电陶瓷相比,电致伸缩 陶瓷作动器有以下优点. (1)无需极化,避免了压电陶瓷容易退极化的 缺点. (2)电致伸缩材料不会老化,压电陶瓷则寿命 较低. (3)相同的电压的作用下,电致伸缩材料的位 移较大. (4)高电压的作用下,电致伸缩材料反应更加 灵敏,滞后现象不明显.电致伸缩材料的位移与电 压的平方成正比.虽然线性度稍差,但回零性能优 于压电陶瓷. 形状记忆合金驱动时需要通过改变温度产生形 变,反应速度极慢,一般温度在90~180℃时响应 时间约为4.6~6.5 ms.虽然电加热可以使温度迅速 上升,但是冷却过程却难以控制,这限制了此类电 动机在高频场合中的应用.它同时也具有低应变、 非线性、迟滞现象明显等缺点,迟滞现象给这种电 动机的连续控制带来了一定的难度.因此,目前还 主要应用于开关型执行器中.形状记忆合金电动机 的建模和精确控制是目前研究的重点.另外,形状 记忆合金的价格仍然比较昂贵,一般为每克0.3~ 1.5美元. 磁致伸缩材料是指具有磁致伸缩效应的磁(电) 与机械能转换材料,它的饱和磁致伸缩系数兀通常 为10-6数量级.超磁致伸缩材料是具有大磁致伸缩 系数的磁致伸缩材料,以一般大于3*lO~,且可低 阻抗运行,在室温下机械能一电能转换率高、能量 密度大、响应速度高、可靠性好、驱动方式简单, 正是这些性能优点引发了传统电子信息系统、传感 系统、振动系统等的革命性变化.但磁致伸缩材料 和压电陶瓷材料一样也存在一定的迟滞现象. 超声波电动机又可称为压电电动机,图24为一 种旋转式超声波电动机的爆炸视图【301.它是利用压 电陶瓷的逆压电效应和超声振动,将弹性材料的微 观改变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块 的宏观运动的一种新型电动机,因其超声频率超过 20 kHz,故称之为超声波电动机.这种电动机具有 结构简单、小型轻量、响应速度快、能获得低速大 转矩和可用于直接驱动、断电时具有高自锁力矩, 不受电磁场干扰等优点,另外还具有耐低温、真空 等适合太空环境的特点.但由于摩擦的原因在长时 间运转时电动机效率会降低,且因转子的惯性问题, 不利于瞬问起停的精确控制,所以电动机精度稍差. 此类电动机的价格在75~750美元之间. 盘形/.. 弹尊∥叠Y::q越 "圈 接漱压电劢磁系统≯.." 图24旋转式超声波电动机结构示意图 此外,尺蠖电动机、微动电动机、滑滞电动机 等也可用于微操作机器人. 尺蠖电动机是利用压电效应根据仿生原理研制 的一种驱动器,具有行程大、运动分辨率高等特点, 但它的体积偏大,且输出力较小,一般为0.343 3~ 45.0 N,驱动速度一般为2 prrgs和5 pm./s.价格昂 贵,Rs.800(Burleigh'S FreedomlM)的价格为3 500 美元,而TS.100/RS.800(Burleigh's Freedom TM)的价 格为12 900美元. 微动电动机也是应用压电效应的一种新型电动 机,其原理如图25所示【3¨,电动机精度小于0.1岬, 驱动速度为1.2 InlTl·min-1或3~4 r·min一,此种 电动机由于压电陶瓷只是用于推动螺旋而不是直接 驱动,所以不存在滞后、爬行等特性,且在无电压 时也可保持位移.但它存在回程误差,尤其是在反 复运行下会有误差累积,且由于摩擦的存在限制了 万方数据 2008年12月炱远等:并联微操作机器人技术及应用进展 19 它的速度和承载.微动电动机的单价大约为895美元. 舯螺距螺杆 叉钳<重蓟 压电陶瓷 (a) 一耍重虱 (" 二重重虱 (c) 图25微动电动机驱动原理 滑滞电动机130】是利用组件间的惯性摩擦进行 驱动的,但每次的滑动会引起后冲及轻微振动,且 承载力小.但它的驱动速度很快,可以达到500"-" 600mm/s.PI公司的P.661、M.663和M.662型号 的滑滞电动机价格约为700"--4 000美元. 2.2柔性铰链 传统并联机构中采用的传统运动副存在摩擦、 回程间隙、后冲等问题,使终端精度大幅下降.将 传统机构小型化并不能满足对微操作机器人的设计 要求.在这种情况下,一种新型的柔性铰链受到了 人们的广泛关注.早在20世纪60年代,柔性铰链 已经开始用于航空航天等领域,柔性铰链具有结构 简单、无需润滑、无间隙、无摩擦、精度高和环境 适应性强等优点,通常会使整体系统在更加小型化 的基础上得到较高的精度和分辨率,但弹性变形会 产生弹性反力或反力矩,而且采用柔性铰链作为运 动副的机器人系统,末端的位移是由柔性铰链的变 形得到的,由于柔性铰链的变形量极为有限,这就 必然导致机器人的末端工作空间相对狭小,末端的 工作空间多在立方微米级.柔性铰链还存在承载较 小、存在洄滞、易疲劳等缺点,而且对加工要求比较 严格,否则会出现局部的应力集中造成断裂的现象. 柔性铰链的一般描述为:在两部分刚体之间薄 弱的柔顺机构,通常可以实现两端刚体之间相对微 小的转动.柔性铰链的运动范围与盯/E成正比(所用 材料的许用应力与弹性模量之比),一般选用铍青 铜、钛合金、聚丙烯、铝青铜、锡青铜、硅青铜、 黄铜和弹簧钢等易于变形但不易于破坏的材料.随 着新型柔性铰链的不断出现,已经使柔性铰链不仅 仅限于绕单一轴线转动.一般的柔性铰链有单自由 度移动的移动副、单轴转动、双轴转动及球铰类柔 性铰链,如图26所示.其中移动类的铰链输出位移 较大;双轴转动类型中第1图所示铰链在加工上比 较困难,第2图所示铰链两个转动轴间存在一定距 离的偏置,而其他三种并不存在这个问题,第3图 所示铰链结构不够紧凑,第4图所示铰链采用了直 圆倒角,比普通细长轴式柔性铰链的精度和刚度要 好得多,且避免了一些不必要的弯折,但相比之下 工作空间也更小,适用于工作空间不大的纳米级微 动机器人;球铰类的柔性铰链中第1图类型不易加 工,第2图的运动范围更大,但精度有限且一体化 制造也比较麻烦,第3图即为在2自由度的铰链上 串联一个单自由度铰链,刚度也比较好,但同样有 中心偏置问题.一般单轴或双轴以及球铰类铰链的 运动范围基本为立方微米量级. 亘画画器蜜如国 (a)移动 (b)双轴转动 器嚣霏嚣器器囱 (c)单轴转动 (d)球饺 图26常用的柔性铰链 为了克服传统柔性铰链工作空间较小的缺点, 哈尔滨工业大学的孙立宁等p6J利用一种大行程的 柔性铰链设计了一款6自由度并联机器人系统,可 以在立方厘米级的工作空间内提供亚微米级的运动 精度.如图27所示,这种柔性铰链的结构为细长轴 形状,难于加工,因此采用了装配的方法实现,见图28.虽然有可能引入新的装配误差,但轴孔之间 的装配较容易实现高精度,因此这种大行程柔性铰 链的设计不仅能够实现较高的运动精度,而且能提 供毫米级的运动行程. 吕日昌 图27大行程柔性铰链设计与实现 图28一种正交双轴柔性铰链 万方数据 机械工程学报 第44卷第12期第l节提到的德国Braunschweig大学开发的微 装配作业用大行程高精度并联机器人,采用了记忆 合金材料的伪弹性组合式双轴柔性铰链,弹性应变 可达17%,可使机器人终端执行器具有极大的运动 空间,如图29所示. 图29记忆合金材料伪弹性组合式双轴柔性铰链 如图30所示为另一种阵列式柔性铰链13 2|,具 有两个自由度,采用铸造铝合金材料,用于驱动一 个反射红外光束的镜面,机构全貌如图3l所示,最 大转角为1.,最大VOIl Mises应力为144 MPa,一 阶自然频率为132 Hz,这种柔性铰链在上述转角范 围内不会产生塑性形变,而且不会有滞后现象发生. 图30阵列式双轴柔性铰链 图3I 2自由度旋转镜面支持系统 文献[33-341qu详尽叙述了多种新型大行程高精 度柔性铰链,这里不再赘述.柔性铰链的结构与材 料设计多种多样,但基本的构型为图26所示的几类 铰链,设计者们常通过多种排列组合使铰链达到更 好的性能,用以适合各种各样的工作环境以及作业 对象.由于柔性铰链本身存在的一些缺点,成为制 约机器人发展的主要因素,因此如何设计柔性铰链 使机器人能够达到更好的性能,是并联机器人研究 的一个具有重大理论意义和实用价值的研究方向. 3微操作并联机器人研究中存在的问题 微/纳操作技术在过去的lO年蓬勃发展,在众 多领域日益显示了重要性,但是目前对微/纳操作并 联机器人的有关理论和应用的研究还远远不够.主 要存在的问题如下. (1)终端执行器工作空间较小.由于高精度的 驱动电动机行程较小,且一些柔性铰链的运动行程 也不大,因此造成终端的工作空间小,一般在立方 微米级,限制了大部分微操作机器人的应用范围. 在前面的综述中提到少数研究者已经针对这个问题 提出了一些改进措施,例如将大行程低精度电动机 和微小行程高精度电动机组合应用、采用新型电动 机、设计新型材料及构型的柔性铰链等方法,为未 来并联微操作机器人的设计工作提供了十分有意义 的借鉴. (2)运动解耦性差.由于传统的并联机构本身 结构布局造成了运动解耦性差,运动输出高度非线 性,直接导致控制方法复杂化.在前边综述中也提 到了一些新型的微动并联机构,在运动学上可以很 好地解耦,但大部分仍停留在理论分析上,实际应 用极少,在将来的研究中可以考虑突破传统的并联 机构类型,设计更多新型的并联微操作机器人,以 适应工程应用的需求. (3)承载能力较小.由于柔性铰链在地面上应 用存在重力影响,承载过大会直接导致柔性结构的 寿命大幅缩短,近些年出现了一些新型的组合及阵 列式的柔性铰链可以在理论上解决这个问题,实际 上需要更多地进行应用验证.另外一些驱动电动机 的输出力较小也不能用于承载较大的作业场合. (4)相关理论不成熟.虽然伪刚体模型法是一 种极其有效的针对柔性体的建模方法,但在有些领 域会受到PIlaU.目前国内外大多文献研究停留在对 微操作机器人的运动学分析及优化上,少有动力学 方面的理论研究,但在一些需要大行程高速、高精 度或振动环境的工况下,基于运动学的控制方法往 往不能很好地达到控制要求,未来研究应针对一些 特殊工况设计更加实时有效的新型控制系统. (5)柔性结构存在的问题.柔性铰链的种类较 为单一,近些年来也出现了一些组合式阵列式的新 万方数据 2008年12月炱远等:并联微操作机器人技术及应用进展 2l 型柔性铰链,不但可以增大终端载荷,还有容错性 能,但柔性结构在加工上很难批量产品化,而且柔 性铰链存在工作空间小、对加工要求比较严格、容 易出现局部的应力集中、以及洄滞和易疲劳等问题, 仍是未来迫切需要解决的问题. (61标定与测量.在针对微/纳米级的微操作机 器人进行试验时,各种微小振动以及传感器的噪声 都会对试验的最终结果产生极大影响,如何能够屏 蔽外界干扰以及正确地采集信号也是需要仔细考虑 的重要环节之一. (7)造价高.从精密微电动机到柔性铰链的设 计及材料选择,加之针对各种工况需单独设计机构 类型,均造成了微/纳米级并联微操作机器人的成本 居高不下.近些年也有研究热点集中在一些低成本 的微操作机器人上,但距实际应用仍有一定差距. (8)实际应用较少.目前实际应用最好的当数 PI公司推出的一系列多自由度微/纳米并联式精密 定位工作台,但产品价格十分昂贵,且应用范围有 限.国内外学者的一些研究成果虽然也有成功应用 于光纤接合作业、IC封装与测试、MEMS技术等方 面,但大部分不能形成产品,仍停留在实验室研究 阶段. 4结论 (1)微操作机器人系统可广泛应用于生物医学 领域中的细胞与基因操作、精细外科手术、微电子 装配、微细加工、光纤对接等领域. (2)微操作系统的核心是微操作机构,而微操 作机构中最受青睐的是并联或串并联机构.微/纳米 级并联微操作机器人这一研究方向在工作空间、运 动解耦性、承载能力、理论分析、柔性铰链设计、 实时标定与测量、新材料、驱动等方面都还有许多 问题没有得到完全解决,仍有很多问题值得研究 探讨. (3)未来的发展方向应为融合微电子、材料、 精密机械、精密测量、传感器、自动控制、机器人 和计算机等多学科技术来解决微观领域的问题,最 终实现设计出结构简单、输出精度高、控制系统简 洁快速、可靠性高、生产成本低的微/纳米并联微操 作机器人并使其产品化. 参考文献 【1】TONSHOFF H K GRENDEL H.A systematic comparison of parallel kinematics[C]//BOER C l乙MOLINARI TOSATTI L,SMITHh K S.Parallel kinematic machines:theoretical aspects and industrial requirements.Proceedings of the First European- American Forum on PKM,Aug.31一Sep.1,1998,Milan, Italy.London:Springer-Verlag,1999:295-3 12. 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第44卷第12期机械工程学报V01.44 No.12 2008年1 2月CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Dec. 2 0 0 8 DoI:10.3901/JME.2008.12.012 并联微操作机器人技术及应用进展 贪 远徐青松 李杨民 (澳门大学科技学院机电工程系澳门) 摘要:微/纳米并联微操作机器人技术是综合微/纳米技术和并联机器人技术迅速发展而形成的新研究方向,涉及精密机械、 机器人、计算机、自动控制、精密测量等多学科领域,广泛应用于生物医学领域中的细胞与基因操作、精细外科手术、微电 子装配、微细加工、光纤对接等领域.通过对当前国内外并联微操作机器人的研究状况、产品化应用以及实际应用等方面的 发展态势进行详细地回顾,总结微/纳米级并联微操作机器人这一研究方向在工作空间、运动解耦性、承载能力、理论分析、 柔性铰链设计、实时标定与测量、新材料、驱动等方面存在的问题,并提出改进意见,以期对该领域未来的创新设计以及发 展研究产生一定的推动作用. 关键词:微操作并联机器人柔性铰链 中图分类号:TP24 Survey on Parallel Manipulators with Micro/Nano Manipulation Technology and Applications YUN Yuan XU Qingsong LI Yangmin (Department of Electromechanical Engineering,Faculty of Science and Technology, University of Macao,Macao) Abstract:Micro/nano manipulation is a new research direction of parallel manipulator along with the development of nanoteclmology,which covers precision machinery,robotics,computer technology,automatic control,and precise measu rement,ere., and has been widely used in cells or gene manipulation in biomedical field,precise surgery,microelectronic assembly, micromachining,fiber alignment,etc.The most recent work on mieromanipulator research,related industrial products and applications are surveyed,then some problems existing in workspace,movement decoupling,bearing capacity,theoretical analysis, flexure hinge design, real·time calibration and measurement,new materials and actuators,etc.,are pointed out and some improvements are proposed.The research will be helpful to future creative design and research development. Key words:Micromanipulation Parallel manipulator Flexure hinge ' 0前言 并联机构由于本身结构的特点,多用在需要高 刚度、高精度和高速度且无需很大工作空间的场合 中.随着科学技术的深入,并联机构己被广泛应用 于航空航海、加工制造装配、轻工业和医疗器械等 领域.并联机构还被广泛应用于特种加工、测量作 业、焊接、铆接、土方挖掘、煤矿开采、娱乐设施、 食品包装、天文望远镜、机器人手臂、误差补偿器 以及力传感器等诸多方面. 20071210收到初稿,20080902收到修改稿 由于近年来微电子等学科的蓬勃发展,设备微 型化、微芯片高度集成化、操作精密化使微/纳米技 术成为国内外重点研究的核心方向,精密制造装配 等操作精细程度已经远远超出了人类的操作极限, 将机器人技术引入微/纳米制造及作业领域己经成 为日益迫切的要求.微操作的研究开始于20世纪 30年代,当时为进行细胞研究,出现了一些气动、 液压、机械式的微操作器,20世纪90年代开始受 到国内外科研机构的重视,并于20世纪90年代末 针对微操作系统的机构、控制和驱动等方面展开了 广泛的研究.微操作技术的研究领域覆盖从医疗技 术到环境工程等人类生活的各个方面,是具有极大 应用前景且能够对国民经济产生巨大影响的一项关 万方数据 2008年12月负远等:并联微操作机器人技术及应用进展 13 键技术. 微/纳米并联微操作机器人技术是随着微/纳米 技术和并联机器人的发展而形成的新的研究方向, 涉及精密机械、机器人、计算机、自动控制、精密 测量等多学科领域.并联微操作机器人具有结构紧 凑、运动链短、刚度高和承载能力大等优点.同时, 为了保证并联微操作机器人终端执行器的高精度特 性,通常以柔性铰链代替传统运动副,消除机械摩 擦和间隙对精度的影响,例如眼科手术中治疗视网 膜静脉闭塞,在微细外科手术中的细胞操作等.近 些年出现的采用宏/微结合的纳米并联微操作机器 人,可以实现厘米级大行程运动和纳米级微运动定 位和操作,是光纤接合作业、IC封装与测试、微机 电系统(Micro—electro—mechanical systems,MEMS)技术(制造、检测、封装和微装配)、超精密加工、光 学调整等先进制造领域的关键技术之一. 本文对世界范围内的并联微操作机器人技术 进行较为详细地回顾,其中将涌盖已有的研究成果 以及工业产品等方面,并总结其中存在的问题,提 出改进意见,以期对该领域未来的创新设计以及发 展研究提供一定的参考及指导作用. 1并联微操作机器人 1.1并联机构概述 并联机构是由多个并行链构成的闭环运动系 统,即由多个运动链的一端同时与一个具有多个自 由度的终端操作器相连而构成.并联机构按自由度 不同可以划分为2----6自由度并联机构,按连接方 式,可以划分为并联、串并联和混联三种类型. 并联机构的构想最早可追溯到1895年,数学 家CAUCHY研究了一种"用关节连接的八面体", 这是迄今为止知道的最早的并联机构111 0 1938年, POLLARD采用并联机构设计汽车喷漆装置.1 949 年,GOUGH等【2】设计了一种类似的机构用来检测 轮胎,这是并联机构首次的实际应用.1965年STEWART[剐提出一种六条腿连接基础平台与动平 台的6自由度并联机构,并发表论文阐述了可将此 类机构用在飞行模拟器上,这是至今应用最为广泛 的并联机构.1978年澳大利亚著名机构学教授 HUNTt41指出,可以应用Stewart机构作为机器人机 构,这才引起学术界的重视.到20世纪80年代末 特别是90年代,并联机构被广为关注,成为新的研 究热点,取得了不少研究成果,如由CLAVELl5】在1986年提出的3自由度并联机构、NEUMANN[6】 于1988年发明的Tricept机器人、1989年一种具有 3平移自由度的Delta机构17I,由PIERROTl8l在1991 年提出的Hexa机构、由HERVE[91在1992年提出的 Star机构、由TSAI等¨ol在1996年提出的Tsai机构 和由HEBSACKER在1999年提出的Hexi-glide机 构等. 并联机构与传统的串联机构相比,具有以下特 点Ill】:①较高的刚度重量比,刚度大,结构稳定. ②具有较高的载荷重量比.③容易实现高速运动. ④在位置求解上,正解困难逆解容易.⑤结构简 单,模块化程度高.⑥工作空间较小,且会出现奇 异位置.⑦灵活性能差. 1.2并联微操作机器人研究概况 并联微操作机器人终端自由度一般为2~6,大 多由传统并联机构的已有构型发展而来.早在1989 年HARA等Il2】提出了一种柔性6自由度6-SPS微定 位平台,由压电陶瓷驱动.1990年TANIGUCHI 掣"J研制成功另一种柔性6自由度6-PSS微定位平 台.1994年瑞士联邦技术研究所开发出一种应用于 光纤对接的3自由度3-RPS柔性并联微定位平 台ll4|.之后的十几年中涌现了大量用于各种用途的 并联微操作机器人,机器人终端精度也从开始的微 米级逐渐降至纳米级.近些年来更有很多的研究人 员将目标扩展到研发具有更大工作空间、更高的终 端精度、更好的灵活性能、更高的频率响应以及更 少的制造成本的新型微操作机器人. 1995年日本的TAMIO开发出了一种双指微操 作手Il引,操作手的两个手指分别安装在6自由度 Stewart平台上,如图l所示.平台各个运动链由压 电陶瓷驱动.通过控制上平台的操作手,可以实现 精确定位,定位精度在0.1 gm以内.控制基座平台 的压电陶瓷可以获得较大的工作空间如图2所示, 单位为"m. 图l双指微操作手示意图 图2微操作手的工作空间 万方数据 14 机械工程学报 第44卷第12期1998年芬兰Tampere大学KALLIO等¨oI提出 了一种3自由度压电液压驱动微操作机器人,结构 形式类似于空间3-RPS并联机构,如图3所示.驱 动部分由压电激励器、小型液压缸和波纹管组成, 具体结构如图4所示,其中波纹管为被动弹簧式组 件.当压电陶瓷弯曲变形时,缸内液压油受压将作 用力传递到波纹管上,由于波纹管内径较小,所以 可成比例放大得到250 pm左右的位移.整个系统 由三组相同的驱动元件共同驱动,平面工作空间可 达1.5 mmx0.6 mm,z向最大垂直位移约为0.25 mm, 精度为1 pm. 图3 3自由度压电液压驱动微操作器 管图4压电液压驱动元件原理示意图 2002年加拿大Saskatchewan大学的ZHANG 等【l 7】开发出一种平面3-RRR微动并联机器人,如图 5所示.图5a中没有显示终端执行器,终端执行器 是安装在4、日、C点上的盘形物体,3个压电陶瓷 电动机将运动分别传至4、B、C三点,并通过这三 点同时驱动终端执行器.图5b为实物图.这种微操 作机器人的x、),向运动范围为77.28岫和71.02 岬,z轴转动范围为2.16 mrad,且当压电陶瓷电动 机精度为0.01/am时终端执行器的z、Y向精度为 13.2 nlTl和3.4 nlll,z轴转动的精度为0.6 grad. 2003年北京航空航天大学的张建军等【18l利用 坐标变换法,建立了一种新型6自由度并联微动机 器人的微运动学模型,并对运动解耦性进行分析, 采用不同的初始驱动位移量和驱动方式,对机器入 的有限元模型进行分析,深入讨论了微运动学上的 解耦性,最后对研制的微动机器人样机进行了运动 解耦性测试和验证,证明这种新型并联微动机器入 的运动解耦,机器人结构示意图如图6所示. 图5平面3-RRR微动并联机器人 徽动平台 弹性球铰 连杆 弹性移动副 压电陶瓷 驱动器 下平台 图6新型6自由度并联微动机器人结构示意图 2004年由美国麻省理工学院的CULPEPPER 等【19】提出了一种低成本的HexFlex平面式六轴柔性 并联纳米微操作机器人,并经试验验证在光纤对接 中的实际应用,结构示意图如图7所示.机器人的 终端执行器由柔性铰链与柔性支撑相连接,通过磁 电式激励器从点么、召、C输入运动,使终端执行器 实现6自由度的微小运动,当工作空间为100 nln* 100 nlTIXl00 nln时终端精度在5 nm以下,当工作空 间大于100"m*100 lam*100 lam时终端误差在最大 空间尺寸的0.2%以内,图8详细描述了机器人终端 6自由度运动的实现,图9为实物图. 图7 HexFlex平面六轴并联纳米微操作 机器人结构示意图 万方数据 2008年12月负远等:并联微操作机器人技术及应用进展 15 图8 HexFlex6自由度运动实现 群优化算法进行了机构优化,如图13所示.2007 年LI等'矧又提出了3-PRC式的纳米级微操作机器 人,克服了传统3-PRC机器人的应力刚化、结构翘 曲及寄生运动大等缺点,如图14所示. 动平台 图11 2-DOF微操作机器人 U铰 P铰 陶瓷 图12正交3-PUU微操作机器人 图9 HexFlex平面式六轴并联纳米微操作机器人实物图' 2005年,北京航空航天大学的CHAO等[20l提 出了一种用于光纤对接的串并联微动机构,由一个 3-RRR并联机构做为底座,上部装配一个3-RPS并 联机构,使终端执行器实现6个自由度的运动,如图lO所示.底部3-RRR机构的工作空间为120啪* 130岫*l 8 mrad,精度为50 nmx50 nmx5 mrad. 图10 3-RRR并联机构实物图及 混联微动机构实物图 2005年,澳门大学已经开始针对并联微操作机 构的研究,由LI等【2lJ提出了一种2自由度柔性并 联微操作机器人,如图11,并基于伪刚体模型法建 立了数学模型,针对机构的工作空间及运动学性能 进行分析并优化.该机构具有180 gmx 180 gm的工 作空间,并能达到几纳米的终端精度.同时提出了 一种正交结构的纳米级柔性并联微操作机器人模 型22J,如图12所示,机构为3-PUU式并联结构, 工作空间为140 gmxl40 panxl40 lam.随后于2006 年,XU掣23 J针对另一种3.Puu并联机构采用粒子 图14 3-PRC微操作机器人 1.3大行程并联微操作机器人 随着军事工程、光通信工程、生物工程、精密 机械工程和精密光学工程等领域的科学技术不断发 展,迫切需要在运动范围、操作精度、响应速度、 承载力、可控性和灵活性等方面的性能都更加出色 的新型机器人来适应越来越高的操作需求.例如在 实现大范围工作空间的情况下同时能够实现微/纳 米级的运动精度,或在大范围工作空间的情况下要 求机器人不但能进行快速操作并具有更高的承载力 等,传统的采用单一驱动方式以及普通微小行程柔 性铰链支撑的机器人系统越来越难以胜任这些苛刻 万方数据 16 机械工程学报 第44卷第12期 的工作要求. 早在20世纪80年代的中后期就相继有国内外 学者提出了宏/微双驱动机器人系统的初步想法,近 几年在国内外已经有应用的成功先例,而且也有少 数研究者对柔性铰链进行材料及构型上的改进,克 服承载以及行程小的缺点. 2004年,德国Braunschweig大学的HESSELB. ACH等【25】开发出一种微装配作业用大行程高精度 并联机器人,如图15所示.机器人采用了一种Delta 机构和Star机构的变异形式,并将传统的运动副用 伪弹性柔性铰链替代,柔性铰链采用了记忆合金材 料,弹性应变可达17%,这种柔性结构最大可达角 度为+300,使终端工作空间高达200 mmx200 mnl* 60m/n,精度可达1岬和0.1 jam. 图1 5微装配作业用大行程高精度并联机器人 2005年加拿大Saskatchewan大学OUYANGM叫 描述了一种大行程高精度的并联微操作机构 HMM,如图16所示.设计的主要思路是将两种类 型的电动机结合起来,直流电动机控制机构大范围 运动,压电陶瓷激励器保证终端执行器的高精度. 克服了传统的微操作机器人工作空间小的弊端. 图16 HMM微动机构3D结构图及原理示意图 2004年,哈工大的DONG等【2 7】设计了一种6 自由度大行程纳米精度并联微操作机器人,如图17 所示.它采用了一种新型柔性铰链代替传统柔性铰 链,使机器人终端能够达到立方厘米级的工作空间, 并利用六个大行程的以色列产HR8压电电动机和 六个微动压电陶瓷进行驱动,压电电动机的精度在 100 IlIn左右,行程理论上可达到无限大.压电陶瓷 可以实现终端执行器的高精度,采用了德国生产的 PStl 50/7/40VS 12,精度可达1 nm.目前已成功应用 于核工程试验的精密定位中. 图17哈工大6自由度大行程纳米精度并联微操作机器人 另外,2006年,新加坡南洋理工大学的TANG 等'281提出了一种大行程3自由度解耦并联微动机器 人,如图18所示.机构采用正交3-PPP并联结构, 由于每个柔性移动铰链均能够实现大的位移,所以 动平台在每个方向上的输出位移均大于l mln. 图18南洋理工大学3-DOF大行程并联微操作机器人 1.4并联微操作机器人工业产品 德国Physik Instrumente(PI)公司【29l是世界上最 早将并联微操作机器人商品化的公司,产品已经广 泛应用到医疗、航天、显微科学、光学、半导体等 多个领域.图19所示为PI公司研发的串并联微动 机构原理示意图,左图为一个三轴的并联柔性机构, 右图为二轴的串联柔性机构.图20为PI公司的一 款用于扫描显微的6自由度亚纳米精度微操作机器 人产品. 图19 PI公司的串并联微动机构原理示意图 图20 Pl公司生产的亚纳米精度 6自由度微操作机器人 万方数据 2008年12月负远等:并联微操作机器人技术及应用进展 17 PI公司曾为美国宇航局的红外望远镜装置开 发了一种Hexapod构型的并联机器人,同时类似产 品也应用于英国红外望远镜上,如图2l左图所示. 基于已有的开发经验,1994年PI公司推出了M.800 系列的工业级高精度并联机器人.如图2l右图所 示.20世纪90年代中期,PI公司又开发了M.840 及M.850等一系列改进产品,如图22所示,由于 高精度、高可靠性及运动多样性,可用于外科手术 等需要复杂精细操作的领域. 图2l PI公司的6自由度微操作机器人及M.800 图22 PI公司开发的M.850并联微操作机器人 近年来,PI公司开发的许多成熟产品已经可以 达到纳米级精密定位,如P.587等6自由度并联纳 米定位系统Piezo Hexapod并联运动机构,图23所 示为P.587及控制器.P.587是具有超高精度6自 由度扫描与定位系统,提供高达800¨m*800 1.tmx 200岬和最高10 mrad的超大行程.P一587与E一710 六轴数字控制器配合工作,可实现自校准、零扫描 跟踪误差、超高动态线性度等功能. 图23 P.587 6自由度并联纳米定位系统 随着并联微操作机器人技术的发展,在十几年 中涌现了大量新型用于各种用途的新型微操作机 器入,终端精度从开始的微米级逐渐提高至纳米 级,工作空间也从开始的立方微米扩大到几立方厘 米的范围,近些年来更多的研究人员将目标扩展到 研发具有更大工作空间、更高的终端精度、更好的 灵活性能、更高的频率响应以及更少的制造成本的 新型并联微操作机器人.但从调研结果发现,这些 研究成果大部分仍无法普遍应用于实际当中. 2并联微操作机器人结构部件 并联微操作机器人是力与位移高度耦合、高度 非线性的空间柔性体.微动机器人经高精度电动机 驱动,通过柔性铰链的弹性变形实现终端平台的微 运动.所以各类纳米并联微操作机器人的核心结构 部件集中于所选用的驱动激励器、柔性铰链设计形 式以及制造材料等方面. 2.1激励器 目前可应用于微操作机器人的高精度驱动激 励器大致有直流电动机、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、 形状记忆合金、磁致伸缩材料、超磁致伸缩材料、 超声波电动机、尺蠖电动机、微动电动机(Picomotor) 及滑滞电动机等,其中主要类型激励器的性能对比 如下表所示. 表主要激励器性能对比 序号类型名称 工作机理 主要性能 精度 直流电动机具有平稳、连续、高速等特点,相 比其他各种电动机,它输出的力/力矩更大,且输出 位移不受限制,但由于它本身的精度最高只能达到 亚微米级,所以若选用此类电动机仍需要与其他高 精度电动机配合使用才能使终端执行器达到纳米级 精度.价格比较便宜,一般在5~100美元左右. 压电陶瓷是早期应用比较广泛的一种驱动材 料.驱动机理是利用压电材料的逆压电效应,通过 万方数据 18 机械工程学报 第44卷第12期 施加外部电场,将电能转化为机械能.压电陶瓷响 应速度快,一般在亚毫秒级别,适应的频率范围大, 对温度变化不敏感,无磁场影响等优点.但输出位 移量较小(约1%形变量),一般为几十到几百微米. 要求的驱动电压较高,约为100~1 000 V.压电陶 瓷输出位移、外加电压与控制力之间的关系为 z:五+艿矿 屯 式中x——位移 矿——外加电压 疋——控制力 屯——压电陶瓷刚度 J——压电陶瓷上加单位电压产生的位移量 压电陶瓷存在滞后现象,111]1',长量要依赖于电 压升高和下降,这将导致对结构的非线性激励,因 此为了提高控制性能,较好的办法是采用闭环控制 器.压电驱动器的输出推力较大(一般为1 kN左右), 但只能实现单向驱动.压电陶瓷驱动器的价格在 100~160美元. 电致伸缩陶瓷也算是一种压电陶瓷,但因为它 的性能相对传统压电陶瓷有很大的改观,因此又把 它叫做电致伸缩陶瓷.同压电陶瓷相比,电致伸缩 陶瓷作动器有以下优点. (1)无需极化,避免了压电陶瓷容易退极化的 缺点. (2)电致伸缩材料不会老化,压电陶瓷则寿命 较低. (3)相同的电压的作用下,电致伸缩材料的位 移较大. (4)高电压的作用下,电致伸缩材料反应更加 灵敏,滞后现象不明显.电致伸缩材料的位移与电 压的平方成正比.虽然线性度稍差,但回零性能优 于压电陶瓷. 形状记忆合金驱动时需要通过改变温度产生形 变,反应速度极慢,一般温度在90~180℃时响应 时间约为4.6~6.5 ms.虽然电加热可以使温度迅速 上升,但是冷却过程却难以控制,这限制了此类电 动机在高频场合中的应用.它同时也具有低应变、 非线性、迟滞现象明显等缺点,迟滞现象给这种电 动机的连续控制带来了一定的难度.因此,目前还 主要应用于开关型执行器中.形状记忆合金电动机 的建模和精确控制是目前研究的重点.另外,形状 记忆合金的价格仍然比较昂贵,一般为每克0.3~ 1.5美元. 磁致伸缩材料是指具有磁致伸缩效应的磁(电) 与机械能转换材料,它的饱和磁致伸缩系数兀通常 为10-6数量级.超磁致伸缩材料是具有大磁致伸缩 系数的磁致伸缩材料,以一般大于3*lO~,且可低 阻抗运行,在室温下机械能一电能转换率高、能量 密度大、响应速度高、可靠性好、驱动方式简单, 正是这些性能优点引发了传统电子信息系统、传感 系统、振动系统等的革命性变化.但磁致伸缩材料 和压电陶瓷材料一样也存在一定的迟滞现象. 超声波电动机又可称为压电电动机,图24为一 种旋转式超声波电动机的爆炸视图【301.它是利用压 电陶瓷的逆压电效应和超声振动,将弹性材料的微 观改变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块 的宏观运动的一种新型电动机,因其超声频率超过 20 kHz,故称之为超声波电动机.这种电动机具有 结构简单、小型轻量、响应速度快、能获得低速大 转矩和可用于直接驱动、断电时具有高自锁力矩, 不受电磁场干扰等优点,另外还具有耐低温、真空 等适合太空环境的特点.但由于摩擦的原因在长时 间运转时电动机效率会降低,且因转子的惯性问题, 不利于瞬问起停的精确控制,所以电动机精度稍差. 此类电动机的价格在75~750美元之间. 盘形/.. 弹尊∥叠Y::q越 "圈 接漱压电劢磁系统≯.." 图24旋转式超声波电动机结构示意图 此外,尺蠖电动机、微动电动机、滑滞电动机 等也可用于微操作机器人. 尺蠖电动机是利用压电效应根据仿生原理研制 的一种驱动器,具有行程大、运动分辨率高等特点, 但它的体积偏大,且输出力较小,一般为0.343 3~ 45.0 N,驱动速度一般为2 prrgs和5 pm./s.价格昂 贵,Rs.800(Burleigh'S FreedomlM)的价格为3 500 美元,而TS.100/RS.800(Burleigh's Freedom TM)的价 格为12 900美元. 微动电动机也是应用压电效应的一种新型电动 机,其原理如图25所示【3¨,电动机精度小于0.1岬, 驱动速度为1.2 InlTl·min-1或3~4 r·min一,此种 电动机由于压电陶瓷只是用于推动螺旋而不是直接 驱动,所以不存在滞后、爬行等特性,且在无电压 时也可保持位移.但它存在回程误差,尤其是在反 复运行下会有误差累积,且由于摩擦的存在限制了 万方数据 2008年12月炱远等:并联微操作机器人技术及应用进展 19 它的速度和承载.微动电动机的单价大约为895美元. 舯螺距螺杆 叉钳<重蓟 压电陶瓷 (a) 一耍重虱 (" 二重重虱 (c) 图25微动电动机驱动原理 滑滞电动机130】是利用组件间的惯性摩擦进行 驱动的,但每次的滑动会引起后冲及轻微振动,且 承载力小.但它的驱动速度很快,可以达到500"-" 600mm/s.PI公司的P.661、M.663和M.662型号 的滑滞电动机价格约为700"--4 000美元. 2.2柔性铰链 传统并联机构中采用的传统运动副存在摩擦、 回程间隙、后冲等问题,使终端精度大幅下降.将 传统机构小型化并不能满足对微操作机器人的设计 要求.在这种情况下,一种新型的柔性铰链受到了 人们的广泛关注.早在20世纪60年代,柔性铰链 已经开始用于航空航天等领域,柔性铰链具有结构 简单、无需润滑、无间隙、无摩擦、精度高和环境 适应性强等优点,通常会使整体系统在更加小型化 的基础上得到较高的精度和分辨率,但弹性变形会 产生弹性反力或反力矩,而且采用柔性铰链作为运 动副的机器人系统,末端的位移是由柔性铰链的变 形得到的,由于柔性铰链的变形量极为有限,这就 必然导致机器人的末端工作空间相对狭小,末端的 工作空间多在立方微米级.柔性铰链还存在承载较 小、存在洄滞、易疲劳等缺点,而且对加工要求比较 严格,否则会出现局部的应力集中造成断裂的现象. 柔性铰链的一般描述为:在两部分刚体之间薄 弱的柔顺机构,通常可以实现两端刚体之间相对微 小的转动.柔性铰链的运动范围与盯/E成正比(所用 材料的许用应力与弹性模量之比),一般选用铍青 铜、钛合金、聚丙烯、铝青铜、锡青铜、硅青铜、 黄铜和弹簧钢等易于变形但不易于破坏的材料.随 着新型柔性铰链的不断出现,已经使柔性铰链不仅 仅限于绕单一轴线转动.一般的柔性铰链有单自由 度移动的移动副、单轴转动、双轴转动及球铰类柔 性铰链,如图26所示.其中移动类的铰链输出位移 较大;双轴转动类型中第1图所示铰链在加工上比 较困难,第2图所示铰链两个转动轴间存在一定距 离的偏置,而其他三种并不存在这个问题,第3图 所示铰链结构不够紧凑,第4图所示铰链采用了直 圆倒角,比普通细长轴式柔性铰链的精度和刚度要 好得多,且避免了一些不必要的弯折,但相比之下 工作空间也更小,适用于工作空间不大的纳米级微 动机器人;球铰类的柔性铰链中第1图类型不易加 工,第2图的运动范围更大,但精度有限且一体化 制造也比较麻烦,第3图即为在2自由度的铰链上 串联一个单自由度铰链,刚度也比较好,但同样有 中心偏置问题.一般单轴或双轴以及球铰类铰链的 运动范围基本为立方微米量级. 亘画画器蜜如国 (a)移动 (b)双轴转动 器嚣霏嚣器器囱 (c)单轴转动 (d)球饺 图26常用的柔性铰链 为了克服传统柔性铰链工作空间较小的缺点, 哈尔滨工业大学的孙立宁等p6J利用一种大行程的 柔性铰链设计了一款6自由度并联机器人系统,可 以在立方厘米级的工作空间内提供亚微米级的运动 精度.如图27所示,这种柔性铰链的结构为细长轴 形状,难于加工,因此采用了装配的方法实现,见图28.虽然有可能引入新的装配误差,但轴孔之间 的装配较容易实现高精度,因此这种大行程柔性铰 链的设计不仅能够实现较高的运动精度,而且能提 供毫米级的运动行程. 吕日昌 图27大行程柔性铰链设计与实现 图28一种正交双轴柔性铰链 万方数据 机械工程学报 第44卷第12期第l节提到的德国Braunschweig大学开发的微 装配作业用大行程高精度并联机器人,采用了记忆 合金材料的伪弹性组合式双轴柔性铰链,弹性应变 可达17%,可使机器人终端执行器具有极大的运动 空间,如图29所示. 图29记忆合金材料伪弹性组合式双轴柔性铰链 如图30所示为另一种阵列式柔性铰链13 2|,具 有两个自由度,采用铸造铝合金材料,用于驱动一 个反射红外光束的镜面,机构全貌如图3l所示,最 大转角为1.,最大VOIl Mises应力为144 MPa,一 阶自然频率为132 Hz,这种柔性铰链在上述转角范 围内不会产生塑性形变,而且不会有滞后现象发生. 图30阵列式双轴柔性铰链 图3I 2自由度旋转镜面支持系统 文献[33-341qu详尽叙述了多种新型大行程高精 度柔性铰链,这里不再赘述.柔性铰链的结构与材 料设计多种多样,但基本的构型为图26所示的几类 铰链,设计者们常通过多种排列组合使铰链达到更 好的性能,用以适合各种各样的工作环境以及作业 对象.由于柔性铰链本身存在的一些缺点,成为制 约机器人发展的主要因素,因此如何设计柔性铰链 使机器人能够达到更好的性能,是并联机器人研究 的一个具有重大理论意义和实用价值的研究方向. 3微操作并联机器人研究中存在的问题 微/纳操作技术在过去的lO年蓬勃发展,在众 多领域日益显示了重要性,但是目前对微/纳操作并 联机器人的有关理论和应用的研究还远远不够.主 要存在的问题如下. (1)终端执行器工作空间较小.由于高精度的 驱动电动机行程较小,且一些柔性铰链的运动行程 也不大,因此造成终端的工作空间小,一般在立方 微米级,限制了大部分微操作机器人的应用范围. 在前面的综述中提到少数研究者已经针对这个问题 提出了一些改进措施,例如将大行程低精度电动机 和微小行程高精度电动机组合应用、采用新型电动 机、设计新型材料及构型的柔性铰链等方法,为未 来并联微操作机器人的设计工作提供了十分有意义 的借鉴. (2)运动解耦性差.由于传统的并联机构本身 结构布局造成了运动解耦性差,运动输出高度非线 性,直接导致控制方法复杂化.在前边综述中也提 到了一些新型的微动并联机构,在运动学上可以很 好地解耦,但大部分仍停留在理论分析上,实际应 用极少,在将来的研究中可以考虑突破传统的并联 机构类型,设计更多新型的并联微操作机器人,以 适应工程应用的需求. (3)承载能力较小.由于柔性铰链在地面上应 用存在重力影响,承载过大会直接导致柔性结构的 寿命大幅缩短,近些年出现了一些新型的组合及阵 列式的柔性铰链可以在理论上解决这个问题,实际 上需要更多地进行应用验证.另外一些驱动电动机 的输出力较小也不能用于承载较大的作业场合. (4)相关理论不成熟.虽然伪刚体模型法是一 种极其有效的针对柔性体的建模方法,但在有些领 域会受到PIlaU.目前国内外大多文献研究停留在对 微操作机器人的运动学分析及优化上,少有动力学 方面的理论研究,但在一些需要大行程高速、高精 度或振动环境的工况下,基于运动学的控制方法往 往不能很好地达到控制要求,未来研究应针对一些 特殊工况设计更加实时有效的新型控制系统. (5)柔性结构存在的问题.柔性铰链的种类较 为单一,近些年来也出现了一些组合式阵列式的新 万方数据 2008年12月炱远等:并联微操作机器人技术及应用进展 2l 型柔性铰链,不但可以增大终端载荷,还有容错性 能,但柔性结构在加工上很难批量产品化,而且柔 性铰链存在工作空间小、对加工要求比较严格、容 易出现局部的应力集中、以及洄滞和易疲劳等问题, 仍是未来迫切需要解决的问题. (61标定与测量.在针对微/纳米级的微操作机 器人进行试验时,各种微小振动以及传感器的噪声 都会对试验的最终结果产生极大影响,如何能够屏 蔽外界干扰以及正确地采集信号也是需要仔细考虑 的重要环节之一. (7)造价高.从精密微电动机到柔性铰链的设 计及材料选择,加之针对各种工况需单独设计机构 类型,均造成了微/纳米级并联微操作机器人的成本 居高不下.近些年也有研究热点集中在一些低成本 的微操作机器人上,但距实际应用仍有一定差距. (8)实际应用较少.目前实际应用最好的当数 PI公司推出的一系列多自由度微/纳米并联式精密 定位工作台,但产品价格十分昂贵,且应用范围有 限.国内外学者的一些研究成果虽然也有成功应用 于光纤接合作业、IC封装与测试、MEMS技术等方 面,但大部分不能形成产品,仍停留在实验室研究 阶段. 4结论 (1)微操作机器人系统可广泛应用于生物医学 领域中的细胞与基因操作、精细外科手术、微电子 装配、微细加工、光纤对接等领域. (2)微操作系统的核心是微操作机构,而微操 作机构中最受青睐的是并联或串并联机构.微/纳米 级并联微操作机器人这一研究方向在工作空间、运 动解耦性、承载能力、理论分析、柔性铰链设计、 实时标定与测量、新材料、驱动等方面都还有许多 问题没有得到完全解决,仍有很多问题值得研究 探讨. (3)未来的发展方向应为融合微电子、材料、 精密机械、精密测量、传感器、自动控制、机器人 和计算机等多学科技术来解决微观领域的问题,最 终实现设计出结构简单、输出精度高、控制系统简 洁快速、可靠性高、生产成本低的微/纳米并联微操 作机器人并使其产品化. 参考文献 【1】TONSHOFF H K GRENDEL H.A systematic comparison of parallel kinematics[C]//BOER C l乙MOLINARI TOSATTI L,SMITHh K S.Parallel kinematic machines:theoretical aspects and industrial requirements.Proceedings of the First European- American Forum on PKM,Aug.31一Sep.1,1998,Milan, Italy.London:Springer-Verlag,1999:295-3 12. 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