專利名稱：適用于亞毫米級(jí)微小物體操作的微裝配機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，它涉及一種適用于亞毫米級(jí)微小物體操作的微裝配機(jī)器人，是一種能對(duì)亞毫米級(jí)物體進(jìn)行操作和裝配作業(yè)的微裝配機(jī)器人，該機(jī)器人由微操作機(jī)械手、真空微夾、顯微視覺和控制器四部分組成，它可用于亞毫米級(jí)微靶、鉆石和各種微零件的選揀、加工和裝配。
國(guó)內(nèi)開展微操作機(jī)器人研究的有，南開大學(xué)、北京航空航天大學(xué)研究的用于生物醫(yī)學(xué)工程的細(xì)胞注射和轉(zhuǎn)基因操作的微操作機(jī)器人，廣東工業(yè)大學(xué)研究的微動(dòng)機(jī)器人可用于微機(jī)械加工，它們的共同特點(diǎn)是精度高、運(yùn)動(dòng)范圍小和少自由度，尚不能滿足微裝配的要求。同時(shí)，國(guó)內(nèi)目前對(duì)微裝配還缺乏有效的工具(微夾)，大多采用手工操作和利用極簡(jiǎn)易的工具(如用動(dòng)物毛發(fā)對(duì)微靶的靜電吸附)并借助顯微鏡進(jìn)行微裝配，操作難度大，可靠性和效率低。
總之，目前國(guó)內(nèi)外雖然對(duì)微操作機(jī)器人的研究工作取得了一些進(jìn)展，但還存在如下問題1)僅著重其中某個(gè)部分的研究而不是系統(tǒng)的整體，如微型末端執(zhí)行器、主動(dòng)視覺、微裝配過程的動(dòng)力學(xué)分析、操作原理與試驗(yàn)方法等；2)對(duì)于系統(tǒng)研究有二種情況，一是借助現(xiàn)有的機(jī)器人加上自己研究的某個(gè)裝置構(gòu)成系統(tǒng)，二是針對(duì)某種特定的對(duì)象構(gòu)建的系統(tǒng)，如用于生物醫(yī)學(xué)工程的細(xì)胞注射和轉(zhuǎn)基因操作的微操作機(jī)器人，用于微機(jī)械加工的微動(dòng)機(jī)器人等；3)運(yùn)動(dòng)范圍小，通常只有微米級(jí)，不能滿足微裝配所需的三維空間的運(yùn)動(dòng)范圍。
澳大利亞的R.A.Russell研究的“用于完成亞毫米級(jí)抓取及操作任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)”(見R.Andrew Russell.A robotic system forperforming sub-millimeter grasping and manipulation tasks.Robotics and Automation Systems，1994-13209-218)，它由控制主機(jī)、機(jī)械手和作為末端執(zhí)行器的微夾組成。其機(jī)械手采用并聯(lián)式機(jī)械結(jié)構(gòu)，其手爪(微夾)位于并聯(lián)結(jié)構(gòu)框架內(nèi)部，不能伸出，因此只能對(duì)置于其框架內(nèi)部臺(tái)面上的微粒物體進(jìn)行操作，運(yùn)動(dòng)空間受到限制，且無法與顯微視覺配合。其機(jī)械手采用彈簧拉伸式結(jié)構(gòu)，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其脈沖當(dāng)量為0.037mm，系統(tǒng)的定位精度只能達(dá)到0.05mm；其微夾是采用二指夾鑷方式，無法克服指尖與微粒物體之間的粘著力(包括靜電力，范德華力和表面張力)，因此在釋放微粒物體時(shí)會(huì)很困難。
為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型的適用于亞毫米級(jí)微小物體操作的微裝配機(jī)器人包括控制主機(jī)、微操作機(jī)械手、真空微夾、帶有攝像頭的顯微鏡，所述微操作機(jī)械手、真空微夾、顯微鏡分別通過機(jī)械手控制器、真空微夾控制器和圖像采集卡與控制主機(jī)連接；所述微操作機(jī)械手由微動(dòng)平臺(tái)組合而成，所述微動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有由帶有光電編碼器的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的限位開關(guān)和零位開關(guān)；所述機(jī)械手控制器由依次相連的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡、轉(zhuǎn)接板及驅(qū)動(dòng)器組成，多軸運(yùn)動(dòng)控制卡與控制主機(jī)連接，驅(qū)動(dòng)器與光電編碼器和伺服電機(jī)相互連接；所述真空微夾由壓力調(diào)節(jié)閥、第一開關(guān)、第二開關(guān)、真空發(fā)生器構(gòu)成，真空發(fā)生器位于二個(gè)開關(guān)之間，吸管通過真空軟管與真空發(fā)生器相連，第一開關(guān)通過壓力調(diào)節(jié)閥與系統(tǒng)外的壓力源相連；所述真空微夾控制器為單片機(jī)，它分別與控制主機(jī)、壓力調(diào)節(jié)閥及第一、二開關(guān)相連。
上述微動(dòng)平臺(tái)可由三個(gè)高精度滾柱絲桿微動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成，第一開關(guān)和第二開關(guān)可選用二通閥。
本實(shí)用新型是一個(gè)將機(jī)器人技術(shù)、微操作技術(shù)、微操作工具(即真空微夾)和顯微視覺有機(jī)地結(jié)合起來的完整的、具有實(shí)用性的系統(tǒng)。其機(jī)械手采用開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，其手爪(即真空微夾)安裝在機(jī)械手的末端，其運(yùn)動(dòng)空間是開放的，可方便地與顯微視覺配合，滿足微裝配的工藝要求。本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的機(jī)械手可采用高精度滾柱絲桿微動(dòng)平臺(tái)組合而成，用帶有位置反饋(由光電編碼器檢測(cè))的交流伺服系統(tǒng)控制，其定位精度可達(dá)到0.002mm。而本實(shí)用新型所采用的末端執(zhí)行器，即真空微夾是根據(jù)真空吸附原理設(shè)計(jì)的，通過控制吸管內(nèi)正負(fù)壓力的大小，可有效地克服吸管尖端與微粒物體之間的粘著力，從而可靠地吸取和釋放微粒物體，操作更加方便。
總之，本實(shí)用新型可方便、高效地對(duì)亞毫米級(jí)微小物體進(jìn)行自動(dòng)和半自動(dòng)操作與裝配作業(yè)，如微靶的制備，鉆石和微型零件的測(cè)量、分揀、加工和裝配等，其定位精度可達(dá)到1～5μm，三維空間的運(yùn)動(dòng)范圍可達(dá)到50～150mm。隨著高技術(shù)產(chǎn)品向微型化發(fā)展的趨勢(shì)日益加快，本實(shí)用新型的應(yīng)用前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。


圖1為本實(shí)用新型基于顯微視覺的微裝配機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為
圖1中真空微夾及其控制器的連接結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為
圖1中機(jī)械手控制器及其連接結(jié)構(gòu)示意圖。
在本實(shí)施例中，操作機(jī)械手3由多個(gè)微動(dòng)平臺(tái)組合而成，采用三個(gè)定位精度為2μm，運(yùn)動(dòng)范圍為50～150mm的高精度滾柱絲桿微動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成三維微動(dòng)平臺(tái)，以滿足機(jī)械手X-Y-Z三維空間的定位與運(yùn)動(dòng)范圍的要求。微動(dòng)平臺(tái)上安裝限位開關(guān)和零位開關(guān)，并由帶有光電編碼器的交流伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，光電編碼器為控制器提供位置與速度反饋信息，從而保證機(jī)械手具有精確的位置與速度控制。機(jī)械手姿態(tài)控制可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要而定，通常微裝配對(duì)姿態(tài)的要求不高，本實(shí)用新型可設(shè)計(jì)一種角度可調(diào)的夾具，將其安裝在三維微動(dòng)平臺(tái)上或?qū)⒄婵瘴A的吸管彎曲成一定的角度來滿足姿態(tài)的要求。
真空微夾5是微操作機(jī)械手3的末端執(zhí)行器，是微裝配操作中吸取和釋放亞毫米級(jí)微小物體或微工件的工具。根據(jù)實(shí)用新型人的研究，當(dāng)對(duì)象為亞毫米級(jí)微粒物體時(shí)，物體的重力不再起主導(dǎo)作用，靜電力、范德華力(即分子間的作用力)和表面張力的影響遠(yuǎn)大于重力的影響。此時(shí)，采用常規(guī)的夾鑷方式難以滿足要求。本實(shí)用新型采用真空吸附原理設(shè)計(jì)，在單片機(jī)22的控制下，可在吸管尖端產(chǎn)生大小適中的正負(fù)氣壓，從而自動(dòng)完成對(duì)微工件的可靠吸取和準(zhǔn)確放置。如圖2所示，真空微夾由壓力調(diào)節(jié)閥20、第一開關(guān)15、第二開關(guān)16和真空發(fā)生器17和吸管19構(gòu)成。吸管19通過真空軟管18與真空發(fā)生器17相連，第一開關(guān)15通過壓力調(diào)節(jié)閥20與系統(tǒng)外的壓力源21相接，第一、二開關(guān)15、16可選用二通閥。真空微夾控制器4由單片機(jī)22及其相應(yīng)的控制軟件構(gòu)成。單片機(jī)22分別與二個(gè)開關(guān)15、16和壓力調(diào)節(jié)閥20相連?？刂浦鳈C(jī)根據(jù)裝配工藝的要求向單片機(jī)發(fā)出指令，單片機(jī)輸出的控制信號(hào)分別控制壓力調(diào)節(jié)閥和第一開關(guān)與第二開關(guān)，使真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓或正壓氣流，產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)吸取微小物體，產(chǎn)生正壓時(shí)釋放微小物體。正負(fù)壓力的大小由壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，使吸管的末端產(chǎn)生大小適中的正負(fù)氣壓，從而可靠地吸取或放置微小物體。
微裝配機(jī)器人的控制器由二級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，上位機(jī)即控制主機(jī)1可選用PC機(jī)或工控機(jī)，它主要完成微操作機(jī)械手3與真空微夾5的協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)的安全與管理，顯微圖像的采集、顯示與標(biāo)定。下位機(jī)包括機(jī)械手控制器2和真空微夾控制器4。
機(jī)械手控制器由多軸運(yùn)動(dòng)控制卡9、轉(zhuǎn)接板10、驅(qū)動(dòng)器11、伺服電機(jī)13和光電編碼器12組成，它們的連接方式如圖3所示。多軸運(yùn)動(dòng)控制卡9通過ISA/PCI總線與控制主機(jī)1連接，接受控制主機(jī)的指令，通過轉(zhuǎn)接板10將各軸的控制參數(shù)和數(shù)據(jù)送入對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器11，同時(shí)接收光電編碼器12(通過驅(qū)動(dòng)器和轉(zhuǎn)接板)的位置反饋信息，使系統(tǒng)形成閉環(huán)控制方式，從而提高控制精度。驅(qū)動(dòng)器11通過轉(zhuǎn)接板10接收多軸運(yùn)動(dòng)控制卡9的控制參數(shù)和數(shù)據(jù)，為各軸伺服電機(jī)13提供動(dòng)力源。各軸伺服電機(jī)13直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械手三維微動(dòng)平臺(tái)14，從而實(shí)現(xiàn)三維空間的位置、速度與加速度的協(xié)調(diào)控制。
真空微夾控制器由單片機(jī)22完成與主機(jī)的通信、并輸出對(duì)壓力調(diào)節(jié)閥21、第一開關(guān)15和第二開關(guān)16的控制信號(hào)。
顯微視覺由帶攝像頭的顯微鏡8、圖像采集卡7和控制主機(jī)1構(gòu)成。安裝在顯微鏡上的攝像頭攝取工作平臺(tái)上的微小物體、真空微夾及其裝配操作過程的動(dòng)態(tài)圖像，圖像采集卡7將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信息送入控制主機(jī)1。系統(tǒng)標(biāo)定、坐標(biāo)變換、活動(dòng)標(biāo)尺以及工件的檢測(cè)與顯示等功能均由控制主機(jī)運(yùn)行相關(guān)軟件完成。
權(quán)利要求1.一種適用于亞毫米級(jí)微小物體操作的微裝配機(jī)器人，包括控制主機(jī)、機(jī)械手、微夾，其特征在于該機(jī)器人還包括帶有攝像頭的顯微鏡(8)，所述機(jī)械手為微操作機(jī)械手(3)，所述微夾為真空微夾(5)，微操作機(jī)械手(3)、真空微夾(5)和顯微鏡(8)分別通過機(jī)械手控制器(2)、真空微夾控制器(4)和圖像采集卡(7)與控制主機(jī)(1)連接；所述微操作機(jī)械手(3)由多個(gè)微動(dòng)平臺(tái)(14)組合而成，所述微動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有由帶有光電編碼器(12)的伺服電機(jī)(13)、驅(qū)動(dòng)器(11)、限位開關(guān)和零位開關(guān)，伺服電機(jī)(13)通過驅(qū)動(dòng)器(11)驅(qū)動(dòng)限位開關(guān)和零位開關(guān)；所述機(jī)械手控制器(2)由依次相連的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡(9)、轉(zhuǎn)接板(10)及驅(qū)動(dòng)器(11)組成，多軸運(yùn)動(dòng)控制卡(9)與控制主機(jī)(1)連接，驅(qū)動(dòng)器(11)與光電編碼器(12)和伺服電機(jī)(13)相互連接；所述真空微夾(5)由壓力調(diào)節(jié)閥(20)、第一開關(guān)(15)、第二開關(guān)(16)、真空發(fā)生器(17)構(gòu)成，真空發(fā)生器(17)位于二個(gè)開關(guān)(15、16)之間，吸管(19)通過真空軟管(18)與真空發(fā)生器(17)相連，第一開關(guān)(15)通過壓力調(diào)節(jié)閥(20)與系統(tǒng)外的壓力源(21)相連；所述真空微夾控制器(4)為單片機(jī)(22)，所述單片機(jī)分別與控制主機(jī)(1)、壓力調(diào)節(jié)閥(20)及第一、二開關(guān)(15、16)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于亞毫米級(jí)微小物體操作的微裝配機(jī)器人，其特征在于所述微動(dòng)平臺(tái)由三個(gè)高精度滾柱絲桿微動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適用于亞毫米級(jí)微小物體操作的微裝配機(jī)械人，其特征在于第一開關(guān)(15)和第二開關(guān)(16)為二通閥。
專利摘要本實(shí)用新型公開的適用于亞毫米級(jí)微小物體操作的微裝配機(jī)器人,由控制主機(jī)、微操作機(jī)械手、真空微夾、帶有攝像頭的顯微鏡構(gòu)成。微操作機(jī)械手由微動(dòng)平臺(tái)組合而成,微動(dòng)平臺(tái)上設(shè)有限位開關(guān)和零位開關(guān),并與帶有光電編碼器的伺服電機(jī)連接;機(jī)械手控制器由依次相連的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡、轉(zhuǎn)接板及驅(qū)動(dòng)器組成,多軸運(yùn)動(dòng)控制卡與主機(jī)連接;真空微夾由壓力調(diào)節(jié)閥、第一開關(guān)、第二開關(guān)、真空發(fā)生器和吸管構(gòu)成;真空微夾控制器為單片機(jī),它分別與控制主機(jī)、壓力調(diào)節(jié)閥及第一、二開關(guān)相連。本實(shí)用新型可方便、高效地對(duì)亞毫米級(jí)微小物體進(jìn)行自動(dòng)和半自動(dòng)操作與裝配作業(yè),其定位精度可達(dá)到1～5μm,三維空間的運(yùn)動(dòng)范圍可達(dá)到50～150mm。本實(shí)用新型具有廣泛的應(yīng)用前景和可觀的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)B25J7/00GK2510248SQ0125246
公開日2002年9月11日 申請(qǐng)日期2001年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月18日
發(fā)明者黃心漢, 王敏, 陳國(guó)良, 劉敏, 呂遐東 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)