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图书摆放机器人的结构设计,图书,摆放,机器人,结构设计
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集成式6自由度微动并联机器人系统第六图书馆基于机构、驱动、检测一体化的思想,研制出了压电陶瓷驱动的6自由度集成式并联微动机器人,对该机器人的机构、驱动、检测、控制及误差补偿方法进行了研究。采用6自由度(6-SPS)并联结构设计了微动并联机器人的构型,对结构参数进行了优化,并进行了运动空间分析和刚度分析。基于模块化设计思想将压电陶瓷驱动电源、微位移传感器检测电路、中央控制器组合在一起,通过自定义的内部总线相连构成了并联机器人的驱动和控制系统。最后,给出了该机器人位姿测量方法,并分别在压电陶瓷的开环与闭环控制状态下进行位姿测量,进而实现误差补偿。实验结果表明:该并联微动机器人可实现10nm平动重复定位精度;0.0001。转动重复定位精度;具有定位精度和可靠性高,使用灵活方便的特点,满足多自由度精密定位的要求。基于机构、驱动、检测一体化的思想,研制出了压电陶瓷驱动的6自由度集成式并联微动机器人,对该机器人的机构、驱动、检测、控制及误差补偿方法进行了研究。采用6自由度(6-SPS)并联结构设计了微动并联机器人的构型,对结构参数进行了优化,并进行了运动空间分析和刚度分析。基于模块化设计思想将压电陶瓷驱动电源、微位移传感器检测电路、中央控制器组合在一起,通过自定义的内部总线相连构成了并联机器人的驱动和控制系统。最后,给出了该机器人位姿测量方法,并分别在压电陶瓷的开环与闭环控制状态下进行位姿测量,进而实现误差补偿。实验结果表明:该并联微动机器人可实现10nm平动重复定位精度;0.0001。转动重复定位精度;具有定位精度和可靠性高,使用灵活方便的特点,满足多自由度精密定位的要求。并联微动机器人 压电陶瓷 位姿测量 误差补偿光学精密工程王振华 陈立国 孙立宁哈尔滨工业大学机器入研究所,黑龙江哈尔滨1500802007第六图书馆第六图书馆第 l 5卷第 9期 2 0 0 7年 9月 光学 精密工程 Op t i c s a n d Pr e c i s i o n E n g i n e e r i n g Vo 1 1 5 No 9 S e p 20 07 文章编号1 0 0 4 9 2 4 X( 2 0 0 7 ) 0 9 1 3 9 1 - 0 7 集成式 6自由度微动并联机器人 系统 王振华， 陈立国， 孙立宁 ( 哈尔滨工业大学 机器入研究所， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 8 0 ) 摘要 ： 基于机构 、 驱动 、 检测一体化的思想 ， 研制 出了压 电陶瓷驱 动的 6自由度集成式并 联微动机 器人 ， 对该 机器人 的机 构、 驱动 、 检测 、 控制及误差补偿方法进行 了研究 。采用 6自由度 ( 6 - S P S ) 并联 结构设计 了微动并 联机 器人 的构 型 ， 对 结 构参数进 行了优化 ， 并进行了运动空间分析和刚度分析 。基于模块化设计思想将压 电陶瓷驱动 电源 、 微 位移传感器检 测 电路 、 中央控制器组合在一起 ， 通过 自定义 的内部总线相连 构成 了并联 机器人 的驱动和控制 系统 。最 后 ， 给 出了该机 器 人位姿测 量方法 ， 并分别在压 电陶瓷 的开环与 闭环控制状态 下进行位姿 测量 ， 进 而实现误 差补偿 。实 验结果表 明 ： 该 并 联微 动机器人可实现 1 0 n m 平动重复定位精度 ； 0 0 0 0 l 。 转动重复定位精度 ； 具有定位精度 和可靠性高 ， 使用灵活方便的 特点 ， 满足多 自由度精密定位 的要求 。 关键词 ： 并联微动机 器人 ； 压 电陶瓷 ； 位姿测量 ； 误 差补偿 中图分类号 ： TP 2 4 2 6 文献标识码 ： A I nt e g r a t e d 6 - DOF p a r a l l e l mi c r o - p o s i t i o ni ng r o b o t W ANG Zhe n - h ua，CHEN Li g uo，S U N Li n i n g ( Ro b o t i c s I n s t i t u t e，Ha r b i n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o gy，Ha r b i n 1 5 0 0 8 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ：A p i e z o e l e c t r i c e l e m e n t d r i v e n 6 - DOF p a r a l l e l mi c r o p os i t i o n i n g r ob ot i s de s i g ne d b a s e d on i nt e g r a t i o n o f m e c h an i s m ，d r i v e r a n d me a s ur e m e nt By- u s i n g t he 6 - SPS me c h a ni s m t o d e ve l o p t he p a r a l l e l r o bo t ，t he m e c h a ni c a l p a r a m e t e r s of t he s t r uc t u r e a r e o pt i m i z e d，a n d t h e wo r ki ng s p a c e a n d s t i f f ne s s o f t h e s t r uc t u r e a r e a n a l y z e dTh e n t h e d r i ve r，s e ns o r a nd c o nt r o l l e r a r e i n t e gr a t e d t o g e t h e r wi t h a d e f i n e d i nt e r n a l bus ba s e d o n t h e m o d u1 a r i z a t i on Fi n a l l y，t he po s e s o f a pa r a l l e l r o bo t a r e m e a s u r e d b o t h i n o pe n 1 oo p a n d c l o s e 1 o o p c o nt r o1 c o n di t i on s，a nd t he e r r or c o mpe n s a t i o n i s e x e c ut e d The e x pe r i m e n t a 1 r e s ul t s i n d i c a t e t ha t t h e 1 i n e r pr e c i s i on a nd t h e r o t a t i on p r e c i s i on a r e 1 0 n m a n d 0 0 0 0 1 。 ， r e s p e c t i v e l y，whi c h s ho ws t ha t t he r o bo t h a s hi g h p os i t i on i ng p r e c i s i o n a nd hi g h r e l i a bi l i t y，a n d c a n be u s e d e x pe di e nt l y f o r t h e h i gh i n t e g r a t i o n s t r uc t ur e Ke y wo r d s ：p a r a l l e 1 m i c r o r o b ot ；PZT； p o s e me a s u r e m e n t ；e r r or c o mpe n s a t i o n 收稿 日期 ： 2 0 0 7 0 1 2 5 ： 修订 日期 ： 2 0 0 7 0 3 0 1 基金项 目： 国家 8 6 3 高技术计划资助项 目( No 2 0 0 6 A A0 4 Z 2 5 6 ) 维普资讯 第六图书馆第六图书馆光学精 密工程 第1 5 卷 1 引 言 微动机器人具有 高精度定位特性 ， 是微操作 系统不可或缺的组成部分 ， 在精密工程 、 生物工程 等多个领域得到广泛重视。随着微操作对象尺度 的不断减小以及操作过程复杂度要求不断增加， 多 自由度 、 高精度、 高集成度成为微动机器人发展 的重要 方 向。 单 自由度 、 纳米级定位精度 的驱动和控制技 术 已经得 到 了较 为 深 入研 究 ， 而在 多 自由度定 位 方 面 ， 通 常采 用 串联 式 或积 木 式 结 构 。随着 自由 度数 的增 多 ， 串联 结 构 会 产 生 误 差 积 累 、 精 度 下 降、 系统刚度低、 响应速度慢、 承载能力下降等问 题 。 针 对这些 问题 ， E l l i s最 早 提 出 了一 种 压 电 陶 瓷驱 动 的并 联微 动 结 构_ 1 ； Hu d g e n s采 用六 个 旋 转输入实 现 了六 自由度 微动并联 结构_ 2 ； G r a c e 研制了一种六 自由度并联微动操作手实现 了眼外 科手术作业_ 3 ； Wa n g研究 了 6自由度 弹性 铰链 并联微操作手的动力学和运动学模型 。与串联 和积木结构相比， 并联机器人具有刚度大、 承载能 力强、 误差小 、 精度高、 响应速度快 、 自重符合 比小 等优点 ， 而且很容易实现 6自由度运动， 更适合作 为 多 自由度微 动机器 人 。 目前 压 电 电致 伸 缩 陶瓷 驱 动 的 柔 性 支 承微 位移机构具有结构紧凑、 体积小 、 无机械摩擦 、 无 间隙 、 具有很 高的位移分辨率等特点。由于压 电 或电致伸缩器件的机电耦合效应效率高 ， 速度快 ， 来不及与外界热交换 ， 因此不存在发热问题 ， 同时 没有噪声 ， 适用于在各种介质环境下工作 ， 是比较 理想的微位移器件_ 7 。 为了满足高精度 、 多 自由度定位的要求 ， 本文 将压电陶瓷致动器与并联机构相结合设计了一种 新型的压 电陶瓷驱动并联微动机器人 ， 可作为理 想的多 自由度精密定位平台使用。 2 6自由度微 动并联机 器人 结 构设 计 2 1 机构 形式 图 1是作者研制 的集成式 6 一 DO F微动并联 机器人 ， 图 2是该机构 的原理 图。这种机器人属 于六杆件双平台结构 ， 上下两个平台通过六个运 动副结构形式相同的分支以并联方式相联接 。根 据压电陶瓷直线输 出位移的特点 ， 本文采用标准 6 - S P S结构形式 ， 每个杆的两端是两个球铰 ， 中间 是一个移动副。六路驱动杆采用压 电陶瓷作为驱 动器 ， 同时作为支撑结构和位移传感器， 实现了驱 动 、 机构 、 检测一体化集成 。压 电陶瓷选择德 国 P I 公司生产 的 P 8 4 1 2 0型压 电陶瓷 。其行程为 3 0 m( 1 0 0 V) ， 内置电阻应变 片式传感 器， 方便 实现闭环控制 ， 两端带有连接螺纹 ， 其开环分辨率 可 达 到 0 3 n m， 刚 度 2 7 N t m， 出 力 达 到 1 0 00 N 基 座 图 2 6 - S P S并联机构原理图 Fi g 2 Ske t c h of p a r a l l e l r ob ot 并 联 机构末 端 空间 自由度数 ， 可通 过如 下公 式计算： M =6 ( n -g- 1 ) + ， ( 1 ) 式中M 一机构 自由度数 ； n 组成 机构 的杆件 数 ； g机 构 中运动 副 的数 目； 第 i 运动副的相对 自由度数 。 通过上式计算可知 ， 该机构的动平台 自由度 数为 6 。 2 2铰链 形式选 择及 尺寸 设计 为实现微动机器人六 自由度运动 ， 要求柔性 维普资讯 第六图书馆第六图书馆第 9 期 王振 华 ， 等 ： 集 成式 6自由度 微动 并联 机器 人系 统 铰链可以实现绕三个正交轴的转动 ， 所 以需采用 万 向柔性 铰链 ( 柔 性球 铰 ) 。 柔性铰链 的设计要求转动精度高、 寄生运动 小 ， 本文采用理论计算与有限元分析 的方法对柔 性 铰链 进 行 优 化 设 计 。首 先 采 用 s o l i d w o r k s软 件进行实体 建模 ， 有 限元分析 软件采 用 c o s mo s wo r k s ， 模 型如 图 3所 示 。考 虑 到 实 际加 工 能 力 和结构 强度 ， 铰链 最小 直径 D一2 mm。 图 3 柔性铰链有限元模 型 Fi g 3 Fl ex i bl e hi n g e an a l y s i s 在 分析 中分 别采 用铝 合金 和尼龙 两种 结构 材 料 ， 分 析结 果如 表 1 。 表 1 有 限元分析数据 Ta b 1 Ana l ys i s r e s ul t s 由于压 电陶瓷抗 剪切 力 和抗扭 曲力 的能 力较 差， 在保证结构强度前提下， 选择旋转刚度较小 的 材料利于改善压电陶瓷的受力状态 。综合上述 因 素 ， 在本设计中采用尼龙作为柔性铰链材料 。 2 3 其 它参 数选择 为了扩大工作空间 ， 上下平 台半径之 比一般 取为 一0 7 1 2 ， 现取上 平 台直径 为 8 5 mm( 铰 链点 所在 圆 周 ) ， 下 平 台直 径 为 1 1 0 mm( 铰 链 点 所在 圆周 ) ， 上平 台短边 夹角取 3 0 。 ， 为 了计算方 便， 将上平台短边连线与下平台长边连线投影重合。 3 6 - DOF微 动并联机 器人性 能分析 3 1 运动学 分析 根 据 6 - S P S并 联机 构运 动学逆 解方程 ： R= T R +P ， ( 2 ) 式 中 卜 坐 标 变换矩 阵 ； P 一 动 坐标 系原点 在 固定 坐标 系 中 的位 置矢 量 。 对 于运 动范 围在微 米 级 的微 动 机 器人 ， 上述 转换矩阵中的正 弦及余弦函数 ， 因为转角足够小 ( 微弧度级) ， 可近似认为 s i n 、 C O S 1 、 s i n 、 C O S 1、 s i n 0 、 C O S 0 1。 于是 T矩 阵可简 化为 ： 厂 1 0 0 T l + 1 一 0 一 I， ( 3 ) L 一 + 1 j 忽 略高 阶无穷 小 ， 可简 化得 到 ： 厂 1 0 0 I I T I 一0 1 一 I ( 4 ) I I L一 0 1 J 3 2工作 空 间分析 当结构 尺寸 确 定 以后 ， 各铰 链 点 在 空 间 中 的 位 置也 随之 确定 ， 根据 前述 运动 学逆解 方程 ， 采用 Ma t l a b软件进行理论求解 ， 其结果如下 ： 绕 轴 方 向 ： 0 0 3 3 。 ； 绕 轴方 向 ： 0 0 3 5 。 ； 绕 z轴 方 向 ： 0 1 。 。 假 设绕 、 z角 为 0时 ， 平 台 中心 运动 空 间 仿真结果如下： 杆 长变 化最 大 0 0 3 2 mm； 沿 z轴 方 向 ： 0 0 5 0 mm； 沿 Y轴方 向 ： 0 0 5 8 mm； 沿 z轴 方 向 ： 0 0 0 3 3 mm。 图 4为通过仿真计算得到的微动并联机器人 在绕 z、 Y 、 z角为 0时的工作空间。 3 3 刚度 分析 采用 c o s mo s w o r k s 软件对模型进行工作台 整体刚度分析和安全校核 ， 分析结果如图 5所示。 维普资讯 第六图书馆第六图书馆光学精密工程 第1 5 卷 0 0 0 0 -0 图 4 微 动并联机器人工作空间 Fi g 4 W o r ki n g s p a c e o f t he p a r a l l e l mi c r o r ob ot 一 一 ( c )切 向刚度分析 ( d ) 切 向安全校核 ( c ) Ta ng e nt s t i f f ne s s a na l ys i s ( d) Ta n ge nt s a f e t y v e r i f y 图 5 微动并联 机器人 刚度分析 Fi g 5 St i f f n e s s a na l y s i s 表 2 机器人整体分析数据 Ta b 2 An a l y s i s r e s ul t s o f t h e wh ol e s y s t e m 项 目 数值 法向剐度 法向安全系数 ( 负载=5 0 N) 切向刚度 切 向安全系数 ( 负载一2 0 N) 2 0 2 N m 7 2 0 6 7 N “ m 2 2 分析 数据见 表 2 。 可见 ， 并联机器人法线刚度要远 大于切向刚 度， 法 向承载能力也远大 于切 向承载能力。从结 果来看， 法向承载 5 0 N时， 其安全系数足够大， 但 切 向承载 2 0 N时， 安全系数接近安全下限 。 4控 制 系统 设 计 压电陶瓷具有体积小、 质量轻、 分辨率高、 响 应速度快等优点， 同时也存在迟滞、 蠕变、 非线性 等不足 。本设计基于主从计算机控制 系统， 采用 数字 P I D控制算法对压电陶瓷驱动器进行位置 闭环控 制 。 该系统采用工控机作为主控计算机 ， 实现人 机交互功能和运动轨迹的规划 ， 而从计算机高速 数字信号处理器 DS P单片机实现并联微动机器 人六个压电陶瓷的控制 。主计算机直接接收外界 的控制命令和参数 ， 对机器人位置实时监控 ， 显示 信息， 向下级发出各种控制命令等 。从计算机接 收上一级计算机送入 的命令和相应的位置信息 ， 实时检测被控压 电陶瓷的状态值 ； 依据给定量和 实际检测量的差值进行控制策略的计算 ， 以求出 被控对象应有的控制信息。信息通讯 口采用高速 E P P接口方式 ， 实现 两级 计算机 之间 信息 的通 讯 ， 此接 口传递两级计算机协调控制所必需信息 ， 并可实现多台从计算机的级连。系统中压电陶瓷 的位置反馈信号来源于集成在压电陶瓷内部的半 导体应变片的电压 ， 此 电压经精密运算放 大电路 和 A D转换电路送入到单片机 内部。压 电陶瓷 的驱动采用哈工大博实精密测控有限公司研制的 HP V 系列 压 电陶瓷驱 动 电源 。 图 6 数字化精密定位闭环控制器 Fi g。6 Di gi t a l c ont r o l l e r 采用模块方式将压电陶瓷驱动电源、 微位移 维普资讯 第六图书馆第六图书馆第9 期 王振华 ， 等： 集成式 6自由度微动并联机器人系统 传感器检测电路 、 中央控制器组合在一起 ， 通过 自 定 义 的内部 总线相 连 ， 外部通 过 E P P数 字接 口和 主计算机相连 ， 设计 了一个数字化 的精密定位 闭 环控制器 ， 其 实物照片如 图 6所示 。每一 台控制 器可同时控制两路压电陶瓷， 三台该控制器级连 使用可同时控制六路压电陶瓷。 5 微 动并联机 器人 测试及误差补偿 5 1系统 测试 本 机器 人具 有 六 个独 立 自由度 ， 因此 要 全 面 测量 空间姿 态需 要 六 路 测 量装 置 ， 测量 装 置 采 用 L VDT式( 电感式) 测微仪 ， 为了提 高测量精度及 实现测量装置的合理摆放 ， 专门研制了测量支架 ， 如图 7所示 。图中 d 。 为六路 L VDT微位移 传感器 ， 分布在互相垂直的三个平面上。这个测 试块可以直接连接在工作平 台上 ， 通过直接测试 这个测试块 的运动情况 ， 得到工作台的运动姿态 。 图 7 测量 系统原理 图 Fi g7 M e a s u r e m e n t pr i n c i pl e 基 本测 量原 理 ： -z方向位移 ： A xA d 。 ； 转 角 ： = = ： ( A d 6 一A d s ) L 2 ； Y方 向位移 ： 一( + 2 ) 2 ； 转 角 ： 一( A d 一A d ) L 。 ； 方 向位移 ： A d ； 转角 ： ： 一( A d 一A d 2 ) L 。 开环测量中， 将前 述的精密定位闭环控制器 传感器反馈通道隔离， 根据理论计算值给压电陶 瓷 加一 定 的电 压 ， 输 出对 应 的位 移 。 由于 受压 电 陶瓷本身迟滞、 蠕变等特性的影响， 使其位移与电 压 的对应关 系 造成 的误 差较 大 。相 比而言 ， 、 、 方 向的误差 相对 较小 ， 而 、 Y 、 方 向 的误 差 相 对较大。误差曲线如图 8 ( a ) 所示。 ，-、005 0 _ o05 ( a ) 开 环 ( a )0pe n l o o p 委一 2：0E三 三 委。 厂 一 一 亨 1 J矿 宓 要一 1：0E三三 0卜 1 一 亨 喜 一 E三三 。卜 一 1 00 亩 巨三三 。卜 V 1 _O-00 占_ 厂 方 oEI三 三 圳 _ ( b ) 闭环 ( b)Cl os e l o op 图 8 开环、 闭环测试曲线 F i g 8 Me a s u r e me n t r e s u l t s wi t h o p e n l o o p a n d c l o s e l o o p 对压电陶瓷 的闭环控制实验 中， 加入传感器 。 一 。 gj g1 1 Z 一。 ) 一。 ) 维普资讯 第六图书馆第六图书馆光学精 密工程 第1 5 卷 反馈通道 ， 传感器实时检测压 电陶瓷的位移状况， 根据控制器的控制策略使理想位移与实际位移保 持一致 ， 控制精度为 0 1 ， 基本消除 了压 电陶瓷 的迟滞与蠕变影 响。闭环测试 曲线如图 8 ( b ) 所 示 。可见 闭环 试 验 结 果 比开 环 效 果 明显 要 好 得 多 。 虽然末端姿态位置误差受到压电陶瓷驱动杆 长度 误差 、 上下 平 台铰 链 的 空 间位 置 误差 的直 接 影响 ， 但不是各误差源的简单线形叠加， 而是同时 可能 含有不 同程 度 的部 分 重 叠 或抵 消 ， 这也 正 是 并联机构优于串联机构的优点之一 。 5 2 初 始误 差修正 首先假设上、 下平台的每一个铰链都有 ， Y， z方 向上 的三 个 误差 ， 且 每条 杆 没 有 伸 长 时 的长 度也存在误差( 原始误差) ， 无误差时对应每一个 指定点 ， 都可由反解 的思想求 出各杆 的长度 L 。 在已知各杆的理想原始长度 L 。 时 ， 可由 d L =L 一L 。 求得各杆 的长度增量。令有误差 时各杆 的 原始长度为 L 所以各杆的实际长度应该为 L 一d L +L 由于这 些实 际长度 可 由测 量得 到 ， 所 以也可将其称为测量值。用 ( 。 ， Y 。 ， z 。 ， ， ， ) 表示上平台的初始位姿 ， 将其设为指定点位 姿 ， 反解求 出对应该位姿 的各杆长度 ， 称 为计算 值 ， 把各杆 的实际值和计算值的差值记为 L ， 表 示杆 长 的 增 量 ， ( A x ， A y ， A z ， A ， A 0 Y ， ) 表 示 位姿 的增 量。通过 L 求 出 ( A x， A y， A z ， A ， ， ) 。之后 ， 让位姿各个增量变为： 0 + Ax， Y Yo + Ay ， ： + A 重复 以上过程 ， 直到 ma x I L I 小于指定的 允差值 e止。这时可认为平台初始位姿测量值 已 求出来 了。测 量各 个杆 长 初始 值 为： ( 6 3 0 6 2 ， 6 2 9 9 6 ， 6 3 0 2 5 ， 6 3 0 3 3 ， 6 3 0 4 1 ， 6 2 9 4 2 ) ， 由程序 计算初始 位 姿误 差 为 ( 一0 0 0 0 3 4 ， 0 0 0 0 1 8 ， 0 0 0 0 3 ， 一0 0 0 1 2 ， 0 0 0 0 1 7 ， 一0 0 0 0 0 2 8 ) 。对 各输入电压进行修正， 在实验输入电压前 ， 六路电 压要 分别减 去 ( 2 8 ， 0 2 ， 一0 7 ， 一0 3 ， 0 7 ， 3 ) V。 5 3 误差 补偿 前面提到的闭环测量实际上只是针对压电陶 瓷的闭环， 只是 消除 了压电陶瓷的迟滞 与蠕变对 定位精度的影响， 并没有消除系统其它误差因素 ， 对 于整个 系统 确切 的应 为半闭 环 。下 面提 出全 闭 环思 想 ， 并 通过 试验来 验证 。 上位机中给 出理论末端姿态， 计算出各杆 的 伸长量， 将指令发送给闭环控制器 ， 闭环控制器驱 动机器人动作 。由 L VD T测量出实际的末端姿 态 ， 将数据传回上位机， 上位机处理后将补偿量指 令送 到 闭环控 制 器 ， 调 整 机器 人 的姿态 ， 再 由 L VD T测出实际值 ， 送 回上位机 。如此直到末端 位姿 达到一 定误 差范 围 内的值 。 对 ( 1 0 ， 1 0 ， 1 5 ， 0 ， 0 ， 0 ) 和 ( 8 ， 8 ， 1 6 ， 0 ， 0 ， 0 ) 两种 机器 人位姿 进行 了误 差补偿 。其 中( 1 0 ， 1 0 ， 1 5 ， 0 ， 0 ， 0 ) 的 测 量 值 为 ( 1 1 0 7 ， 9 3 6 ， 1 3 4 ， 0 0 0 1 1 ， 0 0 0 2 3 ， 0 0 0 1 7 ) ， 第 一 次 补 偿 后 为 ( 9 7 9 ， 1 0 0 1 ， l 4 8 9 ， 0 0 0 0 9 ， 0 0 0 2 ， 0 0 0 1 5 ) ， 已 经 达 到很 高精度 ， 如果再次补偿 ， L VDT的误差 开始 影响 数 据 精度 ； ( 8 ， 8 ， 1 6 ， 0 ， 0 ， 0 ) 的测 量 值 为 ( 7 83， 9 7 2， 1 4 5 1， 0 0 0 0 7， 0 00 1 2， 0 0 04 2)， 第 一次 补偿 后为 ( 7 4 8 ， 8 4 3 ， 1 5 6 4 ， 0 0 0 1 ， 0 0 0 1 1 ， 0 0 0 2 5 ) ， 第 二 次 补 偿 后 为 ( 7 8 8 ， 8 2 ， 1 6 1 ， 0 0 0 0 7 ， 0 0 0 1 2 ， 0 0 0 1 4 ) 。从 上述数据可以看 出， 经过两次补偿后 ， 系统误差 明显减小 ， 但 由于 机构耦合因素 ， 并不能完全消除定位误差。 6 结 论 本文将压电陶瓷与并联机构相结合， 设计 了 一种 集成 式 的并联 微 动 机 器 人 ， 该 微 动机 器 人 采 用压电陶瓷微驱动元件， 充分利用其高精度 、 高分 辨率 、 高频响、 无发热 、 体积小、 出力大等优点 。采 用柔性铰链机构作为传动机构 ， 具有无间隙、 无摩 擦 、 高稳定性 、 高重复性 的特点 。整体采用 6 - S P S 并联机构形式 ， 具有结构紧凑 、 体积小、 重量轻 、 刚 度大、 在工作范 围内一般不存在反解 的多值性等 优点。该机器人将机构 、 驱动 、 检测一体化设计 ， 显示出很好 的集成性。通过修正压 电元件迟滞、 蠕变等误差 因素， 获得了很高 的定位精度 。实验 表明， 该机器人可以实现 1 0 n m 直线重复定位精 度和 0 0 0 0 1 。 转动重复定位精度。该机器人具有 集成度高、 定位精度高的特点 ， 可以方便地集成到 精密操作系统中实现多 自由度 、 高精度定位。 维普资讯 第六图书馆第六图书馆第9 期 王振华 ， 等 ： 集成式 6自由度微动并联机器人系统 1 3 9 7 参考 文献 ： 1 E L L I S G WP i e z o e l e c t r i c mi c r o ma n i p u l a t o r s E J S c i e n c e I n s t r u me n t s a n d T e c h n i q u e s ，1 9 6 2 ， 1 3 8 ：8 4 9 1 2 HUD G E N S J C， TE S AR D An a l y s i s o f a f u l l y - p a r a l l e l s i x d e g r e e - o f - f r e e d o m mi c r o ma n i p u l a t o r C Pr o c e e d i n g s 0 f I EEE I n t e r n a t i o n a l C o n r e n c e o n Adv a n c e d Ro b o t i c s，Pi s a，I t a l y，1 9 9 1：8 1 4 8 2 0 3 G RA C E K W ， C OL G AT E J E ， GL UC KB E R G M R A s i x d e g r e e o f f r e e d o m mi c r o ma n i p u l a t o r f o r o p h t h a l mi c s u r g e r y c P r o c e e d i n g s o f I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n r e n c e o n R o b o t i c s a n d Au t o ma t i o n ，At l a n t a ，U S A，1 9 9 3 ： 6 30 6 35 4 3 WANG S C， HI KI T A H， KU B O H， e t a 1 Ki n e m a t i c s a n d d y n a mi c s o f a 6 d e g r e e - o f - f r e e d o m f u l l y p a r a l l e l ma n i p u l a t o r wi t h e l a s t i c j o i n t s J Me c h a n i s m a n d Ma c h i n e T h e o r y， 2 0 0 3 ， 3 8 ： 4 3 9 4 6 1 5 3 黄真 ， 孔令富 ， 方跃法并联机 器人机 构学理 论及控 制 M 北京 ： 机械工业 出版社 ，1 9 9 7 HUAN G Z H，K ONG L F ，F ANG Y F T h e o r y a n d C o n t r o l o f P a r a l l e l Ro b o t i c s Me c h a n i s m M B e ij i n g ：Me c h a n i c a l I n d u s t r y P r e s s ，1 9 9 7 ( i n C h i n e s e ) 6 3 安辉 压电陶瓷驱 动六 自由度 并联微 动机 器人 的研 究 D 哈尔滨工业大学博士学位论文
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