[精品论文]基于柔性并联机构的微动执行器.doc

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1、基于柔性并联机构的微动执行器梁桥康1，王耀南1，周寒英1，葛运建2（1. 湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082；52. 中国科学院合肥智能机械研究所，合肥 230031） 摘要：微动执行器在微操作、微装配和微位移等领域得到了深入的应用，被广泛应用于细胞 操作、精细外科手术、微机电系统装配、光纤对接、细微操控等。而柔性并联机构因具有诸 如精度高、无间隙和摩擦、稳定可靠、重复性高等优点被作为微动执行器的机构本体也得到 深入的研究。通过对柔性并联机构和微动执行器的特点介绍，对基于柔性并联机构的微动执10行器领域的国内外发展现状作了一定的介绍，并指出了目前存在的若干主要问题。关键词：检测技术

2、与自动化装置；柔性并联机构；微动执行器中图分类号：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随着微电子技术和生物医学工程等学科的不断发展，使用精细操作的微动执行器及相关 技术受到人们的日益关注，由于人类的操作极限有限，如微电子技术中的精密操作和生物医 学工程中的细胞操作等精细操作等问题迫切需要将机器人技术及自动控制引入微米甚

6、至纳 米操控领域。微动执行器能完成微米甚至纳米级分辨力的移动和操作任务1，是精密机械和精密仪器35实现高精度微位移的关键技术之一，涉及精密仪器及机械、计算机及通信、机器人、微电子 技术、自动控制、精密测量等多个学科领域。随着微电子技术、生物医学工程、宇航等领域 的发展，微动执行器及相关技术被广泛应用于细胞操作、微细精加工、微细外科手术、光纤 对接、微机电系统装配等领域2-8。为了克服传统并联机构存在的间隙、摩擦等诸多误差因素对基于传统并联机构的执行器40操作精度的影响，同时保留并联结构紧凑、重量轻、体积小、刚度大、承载能力强、精度高、 动态性能好等优良特性，柔性并联机构被引入操作执行器中并渐渐

7、成为一种最主要的机械本 体结构。柔性并联机构最显著的特点在于采用具有无间隙、无摩擦、高稳定性、高重复性等基金项目：博士点新教师基金（20120161120015）；湖南省科技厅科技计划一般项目（2012RS4046）作者简介：梁桥康，（1982-），男，讲师，主要研究方向：机器人技术，机器人传感器。E-mail:qiaokang特性的柔性关节作为执行器的各支链的连接。柔性并联机构微操作机器人的研究已有三十多年的历史，如今发展仍十分活跃，国内外45不断有各种相关技术和成果涌现。本文在对近年来主要的基于柔性并联机构的微动执行器进 行综述的基础上，力求发现和总结目前存在的问题，并总结相应的发展方向，

8、以期对微动执 行器领域未来的发展提供一定的参考作用。1基于柔性并联机构的微动执行器研究进展1.1基于柔性并联机构的微动执行器50微执行器操作系统通常由微操作末端执行器，控制器，人机交互界面，驱动，检测与反 馈装置等构成，其原理如如图 1 所示。系统中的检测与反馈感知部分按其所处于系统中的位 置可以细分成执行器外部感知（如显微成像装置）和内部感知（如集成式力/位置传感器） 两大类。55图 1 微操作执行器示意图Fig.1 Schematic diagram of micro-manipulator目前，基于柔性并联机构的微操作机器人相关的机构、控制和驱动等技术已得到了广泛 的重视和深入的研究，近

9、年来出现的宏/微机器人技术结合的混联或多重并联微操作技术可60以同时实现厘米级大行程和纳米级微运动定位和操作，在医疗技术、机械精密加工、电子信息工程到光学工程都有广泛的应用，具有极大的应用前景。 柔性并联机构与传统的串联机构相比，集成了并联机构和柔性机构的诸多优点，如结构紧凑稳定、刚度重量比大、载荷重量大、运动和定位精度高、动态性能好适宜高速运动、位 置正解求解容易、相关的理论分析如工作空间和刚度分析比较成熟。但其工作空间相对较小，65受限于机构的特点，存在多种奇异位置。1.2基于柔性并联机构的微动执行器研究概况微操作机器人的研究是从平面柔性机构的应用研究开始的，随着柔性机器人机构的研究 不断

10、深入，日益复杂的作业要求迫使研究者采用更加复杂的具有空间多自由度的柔性并联机 构作为其新型的机械本体结构。柔性并联机构最早可追溯到 1989 年 Hara 等提出的一种柔性70六自由度 6-SPS 构型的微定位平台，其驱动为压电陶瓷9。1990 年，Taniguchi 等研制了另一种柔性六自由度 6-SPS 构型的微定位平台10。瑞士联邦技术研究所于 1994 年设计了一种 面向光纤对接应用的三自由度 3-RPS 柔性并联微定位平台。其后几十年里，面向各种领域 和需求的柔性并联微操作机器人系统及相关理论和关键技术被广泛研究，可以达到的分辨率 和精度越来越高，工作空间越来越大，频率响应越来越高。

11、75如图 2 所示为 2002 年加拿大萨省大学 Zhang 设计的一种采用压电陶瓷驱动的平面三自 由度微动执行器，其采用 3PRR 结构的平面柔性并联机构作为其本体机构，可实现沿 x，y 轴分别产生 77.28 m 和 71.02 m 的微移动，和绕 z 轴产生 2.16 mrad 的微转动11。图 2 三自由度平面微动执行器结构示意图1180Fig. 2 Three DOFs planar micro-manipulator2009 年澳大利亚的 Yong 等研制了一种基于平面柔性机构的两自由度纳米级微执行器，如图 3 所示，机构采用两个压电叠堆分别为 X 和 Y 方向提供驱动，能提供 2

12、5m25m 的 较大工作空间，系统还具有宽频响和低耦合等优点12。85（a） （b）图 3 平面两自由度微动执行器12 (a) 微执行器结构示意图；（b）微执行器受 x 方向力时的有限元分析 Fig. 3 Two-dimensional planar micro-manipulator (a) prototype of the micro-manipulator (b) FEA of the micro-manipulator under x-axis load90如图 4 所示，荷兰科学家 Boudewijn R. de Jong 等研究了基于 MEMS 工艺的平面三自度微执行器，能操作一个

13、 10 20 0.2 m3 的微小样品，在平面内 X、Y 方向可产生一 个10 m 的行程，能绕 Z 轴产生一个2的旋转范围13。95图 4 基于 MEMS 工艺的平面三自由度微动执行器13Fig. 4 Planar three DOFs MEMS-based micro-manipulator100105韩国科学家 Wang 等设计了一种基于柔性并联机构的平面两自由度微动执行器（如图 5所示），基于约束分析设计，采用双线性柔性关节和复合直线柔性关节，系统的耦合输出 小，通过采用 PZT 驱动，材料为铝 6061-T6，系统在受 Y 轴方向 100N 的力时沿 Y 轴方向发 生 21.4m 的

14、微位移和沿 X 轴方向 0.0184m 的耦合输出14。图5 基于柔性并联机构的平面两自由度微动执行器14Fig. 5 Two dimensional planar micro-manipulator based on compliant parallel mechanism如图 6 所示，美国北卡罗来纳州大学 Polit 和 Dong 等研究人员于 2011 年为微纳制造 研制了一种基于平面并联柔性机构的高频响两自由度平面纳米微执行器，系统采用 PZT 驱动，采用两个电容式传感器构成位置闭环控制，具有较高的频响和较好的线性度，行 程和分辨力分别可达 15m 和 1nm15。110115（a）

15、 （b）图6 基于平面并联柔性机构的两自由度平面纳米微执行器15 （a） 结构示意图；（b）微执行器实验样机Fig.6 CPM-based planar micro-manipulator with two DOFs (a) diagrammatic sketch of the micro-manipulator(b) prototype of the micro-manipulator如图 7 所示，新加坡南洋理工大学的 Pham 等设计了一种空间三自由度的柔性并联机构， 并提出一种针对柔性机构的刚度建模方法，通过实验和有限方法对其建模方法进行了验证。 系统在运动行程为 0200 m 和 2

16、00500 m 时线性误差分别为 6.62%和 4.61% 16。120125130135（a） （b）图 7 三自由度柔性并联机构16 （a）机构的三维模型；（b）实验样机Fig. 7 Compliant parallel mechanism with three DOFs (a) 3-D model of the mechanism (b) prototype国立台湾大学的 Wu 等 2008 年研制了一种纳米级的六自由度微定位平台，采用 6-PSS 柔性并联机构，利用 PZT 进行驱动。如图 8 所示，样机尺寸为 15155 cm3，能跟踪一个半 径为 5 纳米的圆周轨迹。线位移行程达

17、8 微米，分辨率达 5 纳米；转动行程达 200 微弧度， 分辨率为 0.7 微弧度17。图 8 六自由度纳米级微动平台17Fig. 8 Six dimensional micro-manipulator哈尔滨工业大学机器人研究所的 Wei Dong 等研制了一种高精度六自由度定位平台，如 图 9 所示，该机构采用新型柔性铰链，利用六个大行程压电电动机和六微动压电陶瓷驱动， 能同时实行大行程和高精度要求，工作空间能达到立方厘米级18。图 9 六自由度纳米级精度并联微动平台18Fig. 9 Six dimensional precise micro-manipulator140145如图 10

18、所示为北京航空航天大学的 Chao 于 2005 年提出一种用于光纤对接操作的柔性并联机构，由一个三自由度平面柔性并联机构提供三个平面自由度（沿 x 轴和 y 轴的移动， 绕 z 轴的转动），在其上接一个 3-RPS 的空间柔性并联机构提供另外三个自由度（沿 z 轴的 移动，绕 x 轴和 y 轴的转动），共同实现空间六个自由度。传动精度能达到 50 纳米左右19。（a） （b）图 10 用于光纤对准的柔性并联机构19 （a）三自由度平面柔性并联机构（b）实验样机Fig. 10 Compliant parallel mechanism used for fiber-alignment conne

19、ctor (a) planar three-DOF CPM (b) prototype150澳门大学的 Li 和 Xu 于 2011 年设计了一种基于压电驱动的全解耦三自由度微动执行器（如图 11 所示），结合 MPI+PID 控制方法，其微位移精度可达亚微米级，一阶共振频率为49.59Hz，通过有限元分析软件和实验验证了系统和控制方法的有效性20。155（a） （b）图 11 基于柔性并联机构的三自由度全解耦微动执行器20 （a）结构示意图（b）有限元分析Fig. 11 Three-DOF decoupled micro-manipulator based on CPM (a) diagra

20、mmatic sketch of the micro-manipulator (b) FEA of the micro-manipulator160加拿大的 Zhang 等于 2008 年提出了一种基于柔性并联机构三自由度微动执行器（如图12 所示），系统采用 3RPS 作为其机械本体结构，使用三个主动直线关节驱动，通过有限元 分析软件验证其最大行程为 61m，通过采用带中间从动支链的构型，提高了系统的安全系 数21。165（a） （b）图 12 三自由度微动执行器21 （a）不带中间从动支链的执行器（b）带中间从动支链的执行器Fig. 12 Three-DOF micro-manipulat

21、or based on CPM (a) CPM-based micro-manipulator without passive leg (b) CPM-based micro-manipulator with passive leg170新加坡制造技术研究所和南洋理工的研究人员 Yang 和 Chen 等于 2011 年研制了一种基于 3PPS 柔性并联机构的空间三自由度微动执行器用于纳米对齐等操作，如图 13 所示，执 行器可沿 Z 轴作直线移动，并能绕 X 轴和 Y 轴转动，工作空间达 555mm，工作空间 内定位和角度分辨力可分别达 20nm 和 0.05 弧秒22。175（a） （b）

22、图 13 基于 3PPS 柔性并联机构的空间三自由度微动执行器22 （a）结构示意图（b）实验样机Fig. 13 Spatial three-DOF micro-manipulator based on 3PPS CPM (a) diagrammatic sketch of the micro-manipulator (b)prototype of the micro-manipulator针对普通的柔性关节运动范围小的缺点，韩国 Kang 和 Gweon 等研究人员于 2012 年为空间六自由度精密执行器设计了相应的新型柔性关节，如图 14 所示，通过对精密执行器的 分析和有限元仿真，验证了

23、柔性关节的优越性，其误差可限制在 14%以内23。180185190195200205图 14 应用新型柔性关节的六自由度精密执行器23Fig. 14 Six-dimensional precise micro-manipulator based on novel compliant joints关于微执行器的商品化产品也有很多，如图 15 所示为德国 Physik Instrumente (PI)公司 的系列产品，其产品被广泛应用在航天、显微科学、光学、医疗、半导体等多个领域。其精 度可以达到纳米级，行程可达 800 m800 m200 m 和 10 mrad 的超大行程24。图 15 PI

24、 公司的六自由度微操作机器人24Fig. 15 Six-dimensional micro-manipulator of PI company另外，芬兰的 Tampere 大学，美国麻省理工学院，德国 Braunschweig 大学，加拿大拉 瓦尔大学等诸多科研单位都对柔性机构进行了广泛深入的研究252627。2存在的问题和未来展望目前，基于柔性并联机构的微操作机器人技术已得到了广泛的重视和研究，其研究热点 和挑战主要有：（一）力/位置感知问题：目前基于柔性并联机构的微操作机器人的研究主要集中在构 型设计，而微操作技术应该是包括微位移机构、检测装置和控制系统三大部分，因此对微操 作机器人的力/

25、位置感知亟待解决。如文献28中的微操作研究都未涉及力/位置感知等问 题。而力/位置信息对实现系统的闭环控制，提高系统精度必不可少。（二）有限工作空间：并联机构一个主要的缺点就是其工作空间有限，且基于柔性并联 机构的微操作机器人一般采用 PZT 等高精度驱动产品来进行驱动，而高精度的驱动产品一 般行程都较小。另外柔性关节的许用行程也不能太大，因此大部分基于柔性并联机构的微操 作机器人工作空间都十分有限，极大限制了系统的应用范围。（三）相关理论有待进一步深入研究：目前一般的柔性机构都采用虚刚体模型来分析， 但这种方法在大行程、高精度等应用场合受到一定限制。210215（四）成本高，实际应用少：柔性

26、机构的材料、加工、热处理、驱动部件、信号采集与处理等相关费用成本居高不下，影响了柔性机构的广泛的实际应用。3结论本文主要对基于平面和空间多自由度柔性并联机构的微动执行器进行了一定的调研，并 对研究热点和发展趋势作了简单的分析。从调研的资料上看，平面柔性并联微动执行器已取 得了良好的效果，也有一定的实际应用，而空间多自由度的柔性并联微动执行器还没有真正 的投入实际使用，还存在着诸多应用问题尚未解决，有限的研究还只是停留在实验室原型设 计、研制和分析阶段。在未来的发展上，柔性并联微动执行器将结合材料、微电子、精密机 电系统和测量技术、自动控制、机器人技术、计算机和信息技术等新成果，继续成为研究热

27、点之一，并朝着实用化、低成本化、高可靠性、低成本方向不断发展。参考文献 (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 StructureA. The

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