微夹持机器人.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010163411.8 (22)申请日 2020.03.10 (71)申请人 重庆大学 地址 400030 重庆市沙坪坝区沙正街174号 (72)发明人 王代华包丽萍王坎赵建宇 (74)专利代理机构 重庆华科专利事务所 50123 代理人 康海燕 (51)Int.Cl. B23P 19/00(2006.01) B25J 7/00(2006.01) B25J 9/12(2006.01) B25J 9/16(2006.01) B25J 15/02(2006.01) (54)发明。

2、名称 一种微夹持机器人 (57)摘要 本发明涉及一种微夹持机器人， 实现微型零 件的夹持和高精密运动定位的同时可实现对夹 爪位移、 夹持力和微装配力的检测和反馈控制。 微夹持机器人由同时实现夹爪位移检测、 夹持力 检测和微装配力检测的微夹钳、 精密定位系统和 微夹持机器人控制器构成， 实现沿X轴、 Y轴和Z轴 的直线运动和旋转运动， 同时实现对夹爪位移、 夹持力和微装配力的同时检测、 传感与反馈。 微 夹钳由基座、 固定在基座上的单片柔顺机构、 执 行器以及微夹钳控制构成。 单片柔顺机构上有对 称设置的一级杠杆机构、 对称设置的三级串联平 行四边形机构和对称设置的夹爪。 权利要求书4页 说明书。

3、12页 附图10页 CN 111299996 A 2020.06.19 CN 111299996 A 1.一种微夹持机器人， 其特征在于， 所述微夹持机器人由同时实现夹爪位移检测、 夹持 力检测和微装配力检测的微夹钳， 可沿X轴、 Y轴和Z轴直线运动的精密电动平台(3)， 可沿X 轴和Z轴旋转的双轴精密电动旋转台(4)， 可沿Y轴旋转的精密电动旋转台(5)和微夹持机器 人控制器(1)构成， 双轴精密电动旋转台(4)由螺钉安装在精密电动平台(3)上， 精密电动旋 转台(5)由螺钉安装在双轴精密电动旋转台(4)上； 所述微夹钳由螺钉(17)安装在微夹钳与 精密定位系统转接器(7)上， 所述微夹钳与。

4、精密定位系统转接器(7)通过螺钉或卡扣安装在 所述精密电动旋转台(5)上； 所述微夹钳包括： 基座(8)、 固定在基座(8)上的单片柔顺机构(16)、 安装在单片柔顺机 构(16)上开设的空腔内的执行器(9)、 进行夹爪位移检测的夹爪位移传感单元、 进行夹持力 检测的夹持力传感单元和进行微装配力检测的微装配力传感单元； 所述微夹持机器人控制器(1)由精密定位系统控制器(2)、 微夹钳控制器(13)和微装配 力控制器(14)组成， 微装配力控制器(14)通过电缆线分别连接精密定位系统控制器(2)和 微夹钳控制器(13)； 所述微夹钳控制器(13)包括应变解调仪(26)、 信号控制器(27)和驱动。

5、 放大器(28)； 所述驱动放大器(28)通过信号线连接所述执行器(9)， 所述信号控制器(27)通 过信号线分别连接所述驱动放大器(28)和应变解调仪(26)； 所述单片柔顺机构(16)包括： 对称设置的一级杠杆机构(18)、 对称设置的三级串联平 行四边形机构和对称设置的夹爪(22)； 一级杠杆机构(18)和三级串联平行四边形机构中的 第一级平行四边形机构(19)形成位移放大机构， 第一级平行四边形机构(19)形成夹爪位移 传感机构， 三级串联平行四边形机构中的第二级平行四边形机构(20)形成夹持力传感机 构， 三级串联平行四边形机构中的第三级平行四边形机构(21)形成微装配力传感机构 (。

6、24)； 第一级平行四边形机构(19)和第二级平行四边形机构(20)在X轴方向和Y轴方向形成 的平面上串联， 第二级平行四边形机构(20)和第三级平行四边形机构(21)在垂直于X轴方 向和Y轴方向的平面上正交串联； 所述一级杠杆机构(18)作为第一级位移放大机构对执行器(9)在Y轴方向上传递的位 移进行第一次放大并转换为X轴方向的运动位移， 第一级平行四边形机构作为第二级位移 放大机构对传递至X轴方向的位移进行第二次放大； 其中， 微夹钳控制器(13)驱动执行器 (9)在Y轴方向推动一级杠杆机构的输入端时， 一级杠杆机构(18)的输入端将执行器(9)在Y 轴方向上推动产生的运动位移转换并放大为。

7、X轴方向上的运动位移， 并经由第一级平行四 边形机构(19)和第二级平行四边形机构(20)以及第三级平行四边形机构(21)依次传递至 夹爪(22)位置处， 使两个夹爪(22)在X轴方向上平行闭合， 对待夹持部件进行夹持； 所述夹爪位移传感单元由第一级平行四边形机构(19)与第一应变传感器(10)组成， 所 述夹持力传感单元由第二级平行四边形机构(20)与第二应变传感器(11)组成， 所述微装配 力传感单元由第三级平行四边形机构(21)与第三应变传感器(12)组成； 其中， 检测夹爪位 移的第一应变传感器(10)安装于第一级平行四边形机构(19)的最大应变处以感应其形变， 第二应变传感器(11)。

8、安装于第二级平行四边形机构(20)的最大应变处以感应其形变， 第三 应变传感器(12)安装于第三级平行四边形机构(21)的最大应变处以感应其形变； 所述微夹 钳控制器(13)分别连接第一应变传感器(10)、 第二应变传感器(11)和第三应变传感器 (12)； 实现夹爪位移反馈控制的系统由第一应变传感器(10)、 微夹钳控制器(13)的应变解调 权利要求书 1/4 页 2 CN 111299996 A 2 仪(26)、 信号控制器(27)、 驱动放大器(28)和执行器(9)构成； 实现夹持力反馈控制的系统 由第二应变传感器(11)、 应变解调仪(26)、 信号控制器(27)、 驱动放大器(28)。

9、和执行器(9) 构成； 实现微装配力反馈控制的系统由第三应变传感器(12)、 应变解调仪(26)、 信号控制器 (27)和驱动放大器(28)， 精密定位系统控制器(2)和沿Z轴方向运动的精密电动平台(3)构 成； 所述Y轴方向为执行器(9)伸长收缩的位移方向， X轴方向与Y轴方向在同一平面上相互 垂直， Z轴方向与X轴方向和Y轴方向形成的平面相垂直。 2.根据权利要求1所述的微夹持机器人， 其特征在于， 所述一级杠杆机构(18)为对称加 工的两个杠杆机构或直圆位移放大机构； 一级杠杆机构(18)的输入端与执行器(9)相抵接， 一级杠杆机构(18)的两个输出端分别与两个第一级平行四边形机构(19。

10、)一一对应， 且一级 杠杆机构(18)的两个输出端分别与两个第一级平行四边形机构(19)的其中一根连杆连接。 3.根据权利要求1所述的微夹持机器人， 其特征在于， 所述夹爪(22)夹持微型零件后， 在Y轴方向上， 由夹持力Fg引起的第一级平行四边形机构(19)的前端位移dA、 第一应变传感 器(10)测得的第二级平行四边形机构(20)的变形 g与夹爪(22)的位移dg之间的关系为： dgdA- g (1) 其中， 由夹持力Fg引起的第一级平行四边形机构(19)的前端位移dA与第一应变传感器 (10)测得的第一级平行四边形机构(19)的纵向应变 A之间的关系为： 由夹持力Fg引起的第二级平行四边。

11、形机构(20)的形变量 g与第二应变传感器(11)测得 的第二级平行四边形机构(20)的纵向应变 E之间的关系为： 因此， 微夹钳夹持零件时， 夹持力Fg引起的夹爪(22)在Y轴方向上的夹爪位移dg为： 其中， E为单片柔顺机构(16)的材料的杨氏模量， bA为第一级平行四边形机构(19)的宽 度， tA为第一级平行四边形机构(19)的厚度， l5为第一级平行四边形机构(19)的长度， KA为 第一级平行四边形机构(19)的柔性铰链的刚度， A为被测的第一级平行四边形机构(19)的 纵向应变； bE为第二级平行四边形机构(20)的宽度， tE为第二级平行四边形机构(20)的厚 度， l6为第二。

12、级平行四边形机构(20)的长度， KE为第二级平行四边形机构(20)的柔性铰链的 刚度，E为第二级平行四边形机构(20)的纵向应变。 4.根据权利要求1所述的微夹持机器人， 其特征在于， 夹持力传感单元检测到的夹持力 Fg与夹爪位移传感单元检测到的夹爪(22)在X轴方向上的夹爪位移dg的关系为： 式中， 1(l2/l3)(tan2-tan1)-1， 2(l2/l3)(tan1-tan2)-(l2/l4)， 1为连 接杆(B1C)和Y轴方向之间的夹角， 2为连接杆(A1B2)与Y轴方向之间的夹角； Fin为执行器 (9)的输入力， 为一级杠杆机构的位移放大倍数， l2l5/l1l4， dg为夹爪。

13、(22)在X轴方向上 权利要求书 2/4 页 3 CN 111299996 A 3 的夹爪位移， KA为第一级平行四边形机构(19)的刚度， KE为第二级平行四边形机(20)的刚 度，为柔性铰链(B1)的刚度，为柔性铰链(B2)的刚度， KC为柔性铰链(C)的刚度， KD为 柔性铰链(D)的刚度， l1为连接杆(CD)的长度， l2为连接杆(B1C)的长度， l4为连接杆(A1B2)的 长度， l5为第一级平行四边形机构(19)的长度， l6为第二级平行四边形机构(20)的长度； 夹持力传感单元检测到的夹持力Fg与第二应变传感器(11)检测到的被测的第二级平行 四边形机构(20)的纵向应变 E。

14、之间的关系为： 式中， E为单片柔顺机构(16)的材料的杨氏模量， bE为第二级平行四边形机构(20)的宽 度， tE为第二级平行四边形机构(19)的厚度； E为第二级平行四边形机构(20)的纵向应变， l6为第二级平行四边形机构(20)的长度； 两个所述夹爪(22)夹持微小部件且在Z轴方向上对被装配的两个微小部件施加压力 后， 被装配部件之间相互作用产生微装配力Fa， 所产生的微装配力Fa与第三应变传感器(12) 检测的第三级平行四边形机构(21)的纵向应变 F之间的关系为： 式中， E为单片柔顺机构(16)的材料的杨氏模量， bF为第三级平行四边形机构(21)的宽 度， tF为第三级平行四。

15、边形机构(21)的厚度， l7为第三级平行四边形机构(21)的长度， F为 第三级平行四边形机构(21)的纵向应变。 5.根据权利要求1所述的微夹持机器人， 其特征在于， 所述一级杠杆机构(18)、 第一级 平行四边形机构(19)、 第二级平行四边形机构(20)和第三级平行四边形机构(21)为直圆柔 性机构、 双柔性梁机构(34)和直梁柔性机构(37)中的至少一种。 6.根据权利要求1所述的微夹持机器人， 其特征在于， 第一级平行四边形机构(19)为双 柔性梁机构或直梁柔顺机构时， 第一应变传感器(10)安装于双柔性梁机构或直梁柔顺机构 的一侧表面最大形变处， 或者， 安装于两根柔性梁的内表面。

16、上或者两根柔性梁的外表面最 大形变处， 或， 安装于两根柔性梁的内表面和外表面最大形变处； 第二级平行四边形机构(20)为双柔性梁机构或直梁柔顺机构时， 第二应变传感器(11) 安装于双柔性梁机构或直梁柔顺机构的一侧表面最大形变处， 或， 两根柔性梁的内表面上 或者两根柔性梁的外表面最大形变处， 或， 两根柔性梁的内表面和外表面最大形变处； 第三级平行四边形机构(21)为双柔性梁机构或直梁柔顺机构时， 第三应变传感器(12) 安装于双柔性梁机构或直梁柔顺机构一侧表面最大形变处， 或， 安装于两根柔性梁的内表 面最大形变处或者两根柔性梁的外表面最大形变处， 或， 安装于两根柔性梁的内表面和外 表。

17、面最大形变处。 7.根据权利要求1所述的微夹持机器人， 其特征在于， 夹爪(22)在Y轴方向上的弯曲刚 度大于夹持力传感机构在Y轴方向上的弯曲刚度， 夹爪(22)在Z轴方向上的弯曲刚度大于微 装配力传感机构(24)在Z轴方向上的弯曲刚度； 夹爪(22)的夹持面为平面或与被夹持部件表面相贴合的曲面， 夹爪尖端的形状为弧形 口(22)或平口(36)。 8.根据权利要求1所述的微夹持机器人， 其特征在于， 沿X轴、 Y轴和Z轴直线运动的精密 权利要求书 3/4 页 4 CN 111299996 A 4 电动平台(3)、 沿X轴和Z轴旋转的双轴精密电动旋转台(4)和沿Y轴旋转的精密电动旋转台 (5)构。

18、成六自由度的精密定位系统； 或者 沿X轴、 Y轴和Z轴直线运动的精密电动平台(3)和沿X轴和Z轴旋转的双轴精密电动旋转 台(4)构成五自由度精密定位系统； 或者 沿X轴、 Y轴和Z轴直线运动的精密电动平台(3)和沿Y轴旋转的精密运动平台(5)构成四 自由度的精密定位系统； 或者 沿X轴、 Y轴和Z轴直线运动的精密电动平台(3)构成三自由度的精密定位系统。 9.根据权利要求1所述的微夹持机器人， 其特征在于， 所述微夹持机器人能实现对夹爪 位移、 夹持力和微装配力的反馈控制， 其中由第一应变传感器(10)感应第一级平行四边形 机构(19)的形变， 由应变解调仪(26)解调夹爪位移值传递给信号控制。

19、器(27)， 并由信号控 制器(27)输出调节电压信号经由驱动放大器(28)放大后驱动执行器(9)做出响应， 实现夹 爪位移的反馈控制； 由第二应变传感器(11)感应第二级平行四边形机构(20)的形变， 由应变解调仪(26)解 调夹持力值传递给信号控制器(27)， 并由信号控制器(27)输出调节电压信号经由驱动放大 器(28)放大后驱动执行器(9)做出响应， 实现夹持力的反馈控制； 由第三应变传感器(12)感应第三级平行四边形机构(21)的形变， 由应变解调仪(26)解 调微装配力值由信号控制器(27)传递给微装配力控制器(14)， 由微装配力控制器(14)给出 调节信号由精密定位系统控制器(。

20、2)驱动沿Z轴方向运动的精密电动平台(3)做出响应， 实 现微装配力的反馈控制。 10.根据权利要求1所述的微夹持机器人， 其特征在于， 第一应变传感器(10)由第一半 桥电路(25)解调夹爪位移大小， 第二应变传感器(11)由第二半桥电路(24)解调夹持力大 小， 第三应变传感器(12)由第三半桥电路(23)解调微装配力大小， 以实现检测和反馈控制； 或 第一应变传感器(10)由第一单桥电路(31)解调夹爪位移大小， 第二应变传感器(11)由 第二单桥电路(30)解调夹持力大小， 第三应变传感器(12)由第三单桥电路(29)解调微装配 力大小， 以实现检测和反馈控制； 或 第一应变传感器(1。

21、0)由第一全桥电路(31)解调夹爪位移大小， 第二应变传感器(11)由 第二全桥电路(30)解调夹持力大小， 第三应变传感器(12)由第三全桥电路(29)解调微装配 力大小， 以实现检测和反馈控制。 权利要求书 4/4 页 5 CN 111299996 A 5 一种微夹持机器人 技术领域 0001 本发明涉及微装配领域， 具体是一种微夹持机器人。 背景技术 0002 随着微纳米器件制造技术的快速发展， 异质异构的非硅微纳器件及系统的需求逐 渐显现并增加。 这些技术所需的零件多是具有复杂三维几何结构、 由不同材料制造的， 而微 装配技术是实现异质异构的非硅微系统集成的重要途经。 微夹持机器人是微。

22、装配系统的末 端执行系统， 其夹爪直接与被夹持对象相接触， 因此微夹持机器人的研究对于微装配技术 至关重要。 微夹持机器人作为一种典型的微执行机构， 在微机械零件的加工、 微装配和生物 工程等领域均有很好的应用前景。 0003 在微装配中， 装配对象的尺寸一般为亚微米至微米量级， 夹持力大小不合适， 易使 被夹持的零件发生变形、 破碎等损坏。 准确获取夹持力是实现精确可靠微装配的前提。 另一 方面， 微装配力会影响微装配的一致性， 因此在微型零件夹持装配过程中， 准确获取微装配 力是确保装配一致性的关键。 0004 微装配过程在微装配空间中进行， 由于显微视觉系统具有景深小、 视场小的特点， 。

23、要通过显微视觉技术实时检测视场空间中各个零件和微夹钳的运动特征较为困难。 但要快 速、 精确地实现自动装配任务， 必须实时获取夹爪运动特征信息。 0005 另外， 为了保证微夹持机器人在夹持锥形或圆柱形物体时被夹持物不易脱落， 要 求微夹持机器人的末端夹爪能够平行移动。 目前开发的微夹持机器人， 在空载时夹爪能够 平行移动， 但是为了实现夹持力传感， 采用了悬臂梁作为夹持力传感机构， 导致夹持零件时 夹爪不再平行移动。 因此， 为了实现微型零件的可靠夹持， 需要保证微夹钳在夹持零件时夹 爪仍保持平行移动， 夹爪承载保持平行移动是目前微装配领域亟待解决的问题。 一般微装 配系统中， 应用微夹持器。

24、夹取微小物体时， 需集成夹持力传感器， 组成闭环控制系统实现夹 持零件无损伤操作； 集成微装配力传感器， 组成闭环控制系统实现装配零件无损伤操作。 发明内容 0006 本发明的目的在于提供一种微夹持机器人， 实现微夹钳六自由度精密定位运动， 同时集成的夹爪位移传感单元、 夹持力传感单元和微装配力传感单元实现对夹爪位移、 夹 持力和微装配力的检测、 传感， 并配合微夹持机器人控制器实现夹爪位移、 夹持力和微装配 力的反馈控制。 0007 本发明的技术方案为： 0008 本发明实施例提供了一种微夹持机器人， 所述的微夹持机器人由同时集成夹爪位 移传感单元、 夹持力传感单元和微装配力传感单元的微夹钳。

25、、 可沿X轴、 Y轴和Z轴直线运动 的精密电动平台、 可沿X轴和Z轴旋转的双轴精密电动旋转台、 可沿Y轴旋转的精密电动旋转 台和微夹持机器人控制器构成， 双轴精密电动旋转台由螺钉安装在精密电动平台上， 精密 电动旋转台由螺钉安装在双轴精密电动旋转台上； 所述微夹钳由螺钉安装在微夹钳与精密 说明书 1/12 页 6 CN 111299996 A 6 定位系统转接器上， 所述微夹钳与精密定位系统转接器通过螺钉或卡扣安装在所述精密电 动旋转台上， 所述微夹钳在实现微型零件夹持的同时可实现对夹爪位移、 夹持力和微装配 力的同时检测、 传感， 并配合微夹持机器人控制器实现夹爪位移、 夹持力和微装配力的反。

26、馈 控制。 精密定位系统可实现沿X轴、 Y轴和Z轴的直线运动和旋转运动， 不仅能实现夹持微型 零件的精密定位， 沿Z轴直线运动的精密电动平台与微夹钳一起可实现微装配力的反馈控 制。 0009 其中， 双轴精密电动旋转台、 精密电动平台和精密电动旋转台这些产品属于现有 技术所存在的产品， 例如采用日本神精津机所制造的产品。 0010 所述微夹钳包括： 基座、 固定在基座上的单片柔顺机构、 安装在单片柔顺机构上开 设的空腔内的执行器以及进行夹爪位移检测的夹爪位移传感单元、 进行夹持力检测的夹持 力传感单元和进行微装配力检测的微装配力传感单元。 微夹持机器人的高精密运动定位系 统由沿X轴、 Y轴和Z。

27、轴的精密电动台实现沿X轴、 Y轴和Z轴方向的三个自由度的正交直线运 动， 由沿X轴和Z轴的双轴精密电动旋转台实现沿X轴和Z轴的旋转运动， 由沿Y轴的精密电动 旋转台实现沿Y轴的旋转运动。 0011 所述微夹持机器人控制器由精密定位系统控制器、 微夹钳控制器和微装配力控制 器组成， 微装配力控制器通过电缆线分别连接精密定位系统控制器和微夹钳控制器； 微装 配力控制器通过电缆线分别连接精密定位系统控制器和微夹钳控制器； 所述微夹钳控制器 包括应变解调仪、 信号控制器和驱动放大器； 所述驱动放大器通过信号线连接所述执行器， 所述信号控制器通过信号线分别连接所述驱动放大器和应变解调仪； 0012 所述。

28、单片柔顺机构包括： 对称设置的一级杠杆机构、 对称设置的三级串联平行四 边形机构和对称设置的夹爪； 其中一级杠杆机构和三级串联平行四边形机构中的第一级平 行四边形机构形成位移放大机构， 第一级平行四边形机构形成夹爪位移传感机构， 三级串 联平行四边形机构中的第二级平行四边形机构形成夹持力传感机构， 三级串联平行四边形 机构中的第三级平行四边形机构形成微装配力传感机构； 第一级平行四边形机构和第二级 平行四边形机构在X轴方向和Y轴方向形成的平面上串联， 第二级平行四边形机构和第三级 平行四边形机构在垂直于X轴方向和Y轴方向的平面上正交串联； 0013 所述一级杠杆机构作为第一级位移放大机构对执行。

29、器在Y轴方向上传递的位移进 行第一次放大并转换为X轴方向的运动位移， 第一级平行四边形机构作为第二级位移放大 机构对传递至X轴方向的位移进行第二次放大； 其中， 微夹钳控制器驱动执行器在Y轴方向 推动一级杠杆机构的输入端时， 一级杠杆机构的输入端将执行器在Y轴方向上推动产生的 运动位移转换并放大为X轴方向上的运动位移， 并经由第一级平行四边形机构和第二级平 行四边形机构以及第三级平行四边形机构依次传递至夹爪位置处， 使两个夹爪在X轴方向 上平行闭合， 对待夹持部件进行夹持； 0014 所述夹爪位移传感单元由第一级平行四边形机构与第一应变传感器组成， 所述夹 持力传感单元由第二级平行四边形机构与。

30、第二应变传感器组成， 所述微装配力传感单元由 第三级平行四边形机构与第三应变传感器组成； 其中， 检测夹爪位移的第一应变传感器安 装于第一级平行四边形机构的最大应变处以感应其形变， 第二应变传感器安装于第二级平 行四边形机构的最大应变处以感应其形变， 第三应变传感器安装于第三级平行四边形机构 的最大应变处以感应其形变； 所述微夹钳控制器分别连接第一应变传感器、 第二应变传感 说明书 2/12 页 7 CN 111299996 A 7 器和第三应变传感器； 0015 实现夹爪位移反馈控制的系统由第一应变传感器、 微夹钳控制器的应变解调仪、 信号控制器、 驱动放大器和执行器构成； 实现夹持力反馈控。

31、制的系统由第二应变传感器、 应 变解调仪、 信号控制器、 驱动放大器和执行器构成； 实现微装配力反馈控制的系统由第三应 变传感器、 应变解调仪、 信号控制器和驱动放大器， 精密定位系统控制器和沿Z轴方向运动 的精密电动平台构成； 0016 所述Y轴方向为执行器伸长收缩的位移方向， X轴方向与Y轴方向在同一平面上相 互垂直， Z轴方向与X轴方向和Y轴方向形成的平面相垂直。 0017 优选地， 所述一级杠杆机构为对称加工的两个杠杆机构或直圆位移放大机构； 一 级杠杆机构的输入端与执行器相抵接， 一级杠杆机构的两个输出端分别与两个第一级平行 四边形机构一一对应， 且一级杠杆机构的两个输出端分别与两个。

32、第一级平行四边形机构的 其中一根连杆连接。 0018 所述夹爪夹持微型零件后， 在Y轴方向上， 由夹持力Fg引起的第一级平行四边形机 构的前端位移dA、 第一应变传感器测得的第二级平行四边形机构的变形 g与夹爪的位移dg 之间的关系为： 0019 dgdA- g (1) 0020 其中， 由夹持力Fg引起的第一级平行四边形机构的前端位移dA与第一应变传感器 测得的第一级平行四边形机构的纵向应变 A之间的关系为： 0021 0022 由夹持力Fg引起的第二级平行四边形机构的形变量 g与第二应变传感器测得的第 二级平行四边形机构的纵向应变 E之间的关系为： 0023 0024 因此， 微夹钳夹持零。

33、件时， 夹持力Fg引起的夹爪在Y轴方向上的所述夹爪位移dg为： 0025 0026 其中， E为单片柔顺机构的材料的杨氏模量， bA为第一级平行四边形机构的宽度， tA 为第一级平行四边形机构的厚度， l5为第一级平行四边形机构的长度， KA为第一级平行四边 形机构的柔性铰链的刚度，A为被测的第一级平行四边形机构的纵向应变； bE为第二级平行 四边形机构的宽度， tE为第二级平行四边形机构的厚度， l6为第二级平行四边形机构的长 度， KE为第二级平行四边形机构的柔性铰链的刚度， E为第二级平行四边形机构的纵向应 变。 0027 优选地， 夹持力传感单元检测到的夹持力Fg与夹爪位移传感单元检测。

34、到的夹爪 (22)在X轴方向上的夹爪位移dg的关系为： 0028 0029 式中， 1(l2/l3)(tan2-tan1)-1， 2(l2/l3)(tan1-tan2)-(l2/l4)， 1为连接杆B1C和Y轴方向之间的夹角， 2为连接杆A1B2与Y轴方向之间的夹角； Fin为执行 说明书 3/12 页 8 CN 111299996 A 8 器的输入力， 为一级杠杆机构的位移放大倍数， l2l5/l1l4， dg为夹爪在X轴方向上的夹爪 位移， KA为第一级平行四边形机构的刚度， KE为第二级平行四边形机的刚度，为柔性铰链 B1的刚度，为柔性铰链B2的刚度， KC为柔性铰链C的刚度， KD为柔。

35、性铰链D的刚度， l1为连接 杆CD的长度， l2为连接杆B1C的长度， l4为连接杆A1B2的长度， l5为第一级平行四边形机构的 长度， l6为第二级平行四边形机构的长度； 0030 夹持力传感单元检测到的夹持力Fg与第二应变传感器检测到的被测的第二级平 行四边形机构的纵向应变 E之间的关系为： 0031 0032 式中， E为单片柔顺机构的材料的杨氏模量， bE为第二级平行四边形机构的宽度， tE 为第二级平行四边形机构的厚度；E为第二级平行四边形机构的纵向应变， l6为第二级平行 四边形机构的长度； 0033 两个所述夹爪夹持微小部件且在Z轴方向上对被装配的两个微小部件施加压力 后， 。

36、被装配部件之间相互作用产生微装配力Fa， 所产生的微装配力Fa与第三应变传感器检测 的第三级平行四边形机构的纵向应变 F之间的关系为： 0034 0035 式中， E为单片柔顺机构(16)的材料的杨氏模量， bF为第三级平行四边形机构的宽 度， tF为第三级平行四边形机构的厚度， l7为第三级平行四边形机构的长度， F为第三级平 行四边形机构的纵向应变。 0036 优选地， 所述一级杠杆机构、 第一级平行四边形机构、 第二级平行四边形机构和第 三级平行四边形机构为直圆柔性机构、 双柔性梁机构和直梁柔性机构中的至少一种。 0037 优选地， 第一级平行四边形机构为双柔性梁机构或直梁柔顺机构时， 。

37、第一应变传 感器安装于双柔性梁机构或直梁柔顺机构的一侧表面最大形变处， 或者， 安装于两根柔性 梁的内表面上或者两根柔性梁的外表面最大形变处， 或， 安装于两根柔性梁的内表面和外 表面最大形变处； 0038 第二级平行四边形机构为双柔性梁机构或直梁柔顺机构时， 第二应变传感器安装 于双柔性梁机构或直梁柔顺机构的一侧表面最大形变处， 或， 两根柔性梁的内表面上或者 两根柔性梁的外表面最大形变处， 或， 两根柔性梁的内表面和外表面最大形变处； 0039 第三级平行四边形机构为双柔性梁机构或直梁柔顺机构时， 第三应变传感器安装 于双柔性梁机构或直梁柔顺机构一侧表面最大形变处， 或， 安装于两根柔性梁。

38、的内表面最 大形变处或者两根柔性梁的外表面最大形变处， 或， 安装于两根柔性梁的内表面和外表面 最大形变处。 0040 优选地， 夹爪在Y轴方向上的弯曲刚度大于夹持力传感机构在Y轴方向上的弯曲刚 度， 夹爪在Z轴方向上的弯曲刚度大于微装配力传感机构在Z轴方向上的弯曲刚度； 0041 夹爪的夹持面为平面或与被夹持部件表面相贴合的曲面， 夹爪尖端的形状为弧形 口或平口。 0042 优选地， 沿X轴、 Y轴和Z轴直线运动的精密电动平台、 沿X轴和Z轴旋转的双轴精密 电动旋转台和沿Y轴旋转的精密电动旋转台构成六自由度的精密定位系统； 或者 说明书 4/12 页 9 CN 111299996 A 9 0。

39、043 沿X轴、 Y轴和Z轴直线运动的精密电动平台和沿X轴和Z轴旋转的双轴精密电动旋 转台构成五自由度精密定位系统； 或者 0044 沿X轴、 Y轴和Z轴直线运动的精密电动平台和沿Y轴旋转的精密运动平台构成四自 由度的精密定位系统； 或者 0045 沿X轴、 Y轴和Z轴直线运动的精密电动平台构成三自由度的精密定位系统。 0046 优选地， 所述微夹持机器人能实现对夹爪位移、 夹持力和微装配力的反馈控制， 其 中由第一应变传感器感应第一级平行四边形机构的形变， 由应变解调仪解调夹爪位移值传 递给信号控制器， 并由信号控制器输出调节电压信号经由驱动放大器放大后驱动执行器做 出响应， 实现夹爪位移的。

40、反馈控制； 0047 由第二应变传感器感应第二级平行四边形机构的形变， 由应变解调仪解调夹持力 值传递给信号控制器， 并由信号控制器输出调节电压信号经由驱动放大器放大后驱动执行 器做出响应， 实现夹持力的反馈控制； 0048 由第三应变传感器感应第三级平行四边形机构的形变， 由应变解调仪解调微装配 力值由信号控制器传递给微装配力控制器， 由微装配力控制器给出调节信号由精密定位系 统控制器驱动沿Z轴方向运动的精密电动平台做出响应， 实现微装配力的反馈控制。 0049 优选地， 第一应变传感器由第一半桥电路解调夹爪位移大小， 第二应变传感器由 第二半桥电路解调夹持力大小， 第三应变传感器由第三半桥。

41、电路解调微装配力大小， 以实 现检测和反馈控制； 或 0050 第一应变传感器由第一单桥电路解调夹爪位移大小， 第二应变传感器由第二单桥 电路解调夹持力大小， 第三应变传感器由第三单桥电路解调微装配力大小， 以实现检测和 反馈控制； 或 0051 第一应变传感器由第一全桥电路解调夹爪位移大小， 第二应变传感器由第二全桥 电路解调夹持力大小， 第三应变传感器由第三全桥电路解调微装配力大小， 以实现检测和 反馈控制。 0052 精密定位系统还配置有位移量标准量系统， 测量精密定位系统的位置信息； 包括 设置于精密定位系统的运动机构上实现位移传感的位移量传感器， 以及进行导轨运动控制 及反馈控制的精。

42、密定位系统控制器和位移传感器控制器。 0053 所述微夹持机器人由夹爪位移传感单元的第一应变传感器感应第一级平行四边 形机构的形变， 由微夹钳控制器的应变解调仪解调夹爪位移值传递给信号控制器， 并由信 号控制器输出调节电压信号经由驱动放大器放大后驱动执行器做出响应， 实现夹爪位移的 反馈控制； 由夹持力传感器的应变传感器感应第二级平行四边形机构的形变， 由微夹钳控 制器的应变解调仪解调夹持力值传递给信号控制器， 并信号控制器输出调节电压信号经由 驱动放大器放大后驱动执行器做出响应， 实现夹持力的反馈控制； 由微装配力传感器的应 变传感器感应第三级平行四边形机构的形变， 由微夹钳控制器的应变解调。

43、仪解调微装配力 值由信号控制器传递给微装配力控制器， 由微装配力控制器给出调节信号由精密定位系统 控制器驱动沿Z轴方向运动的精密定位平台系统做出响应， 实现微装配力的反馈控制。 0054 本发明的优势为： 0055 1)、 微夹持机器人的精密定位系统可根据需求设置不同型号、 不同行程和不同精 度， 适用于不同的应用场合， 可在较大范围内实现微夹持机器人末端夹持器的高精密定位、 说明书 5/12 页 10 CN 111299996 A 10 大范围空间定位和多自由度空间定位。 0056 2)、 同时集成夹爪位移传感单元、 夹持力传感单元和微装配力传感单元， 传感单元 中传感器的安装工艺简单， 传。

44、感机构分辨率高， 能实现对夹爪位移、 夹持力和微装配力的精 确测量和高精度反馈控制， 能保证可靠地完成夹持装配任务。 0057 3)、 利用平行四边形机构作为夹爪位移、 夹持力和微装配力的传感机构， 使得夹爪 在空载时能平行移动， 也能保证夹持微小零件后夹爪平行移动， 不易造成零件滑动、 脱落或 破损等问题。 0058 4)、 微夹钳的位移放大机构、 夹持力传感机构、 微装配力传感机构、 夹爪和放置执 行器的空腔为一体化加工的单片柔顺机构， 尺寸小， 结构紧凑， 整体性好， 易于加工、 安装、 使用和维护， 提高了本发明的适用广度。 附图说明 0059 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，。

45、 下面将对实施例中所需要使用的附 图做简单的介绍， 以下附图仅展示出了本发明的某些实施例， 因此不应被看作是对范围的 限定， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图 获得其他相关的附图。 0060 图1为可沿X轴、 Y轴和Z轴分别做直线运动和旋转运动的六自由度微夹持机器人； 0061 图2为可沿X轴、 Y轴和Z轴做直线运动的三自由度微夹持机器人； 0062 图3为可沿X轴、 Y轴和Z轴做直线运动和沿Y轴做旋转运动的四自由度微夹持机器 人； 0063 图4为可沿X轴、 Y轴和Z轴做直线运动和沿X轴和Z轴旋转运动的五自由度微夹持机 器人； 0064 图5为微。

46、夹钳夹爪位移、 夹持力与微装配力的半桥应变解调电路的结构示意图； 0065 图6为微夹钳夹爪位移、 夹持力与微装配力的单桥应变解调电路的结构示意图； 0066 图7为双柔性梁三级串联平行四边形机构的单片柔顺机构的结构示意图； 0067 图8为平直夹爪的单片柔顺机构的结构示意图； 0068 图9为第二级平行四边形机构为直梁平行四边形机构的单片柔顺机构示意图； 0069 图10(a)为夹爪位移传感机构、 夹持力传感机构和微装配力传感机构的结构原理 示意图； 0070 图10(b)为夹持微小部件后第一级平行四边形机构和第二级平行四边形机构的变 形示意图； 0071 附图标记说明： 0072 1微夹持。

47、机器人控制器； 2精密定位系统控制器； 3可沿X轴、 Y轴和Z轴直线运 动的精密电动平台； 4可沿X轴和Z轴旋转的双轴精密电动旋转台； 5可沿Y轴旋转的精密 电动旋转台； 6空间直角坐标系； 7微夹钳与精密定位系统转接器； 8基座； 9执行器； 10第一应变传感器； 11第二应变传感器； 12第三应变传感器； 13微夹钳控制器； 14微装配力控制器； 15垫块； 16单片柔顺机构； 17螺钉； 18一级杠杆机构； 19第 一级平行四边形机构； 20第二级平行四边形机构； 21第三级平行四边形机构； 22扁平 夹爪； 23微装配力半桥检测电路； 24夹持力半桥检测电路； 25夹爪位移半桥检测电 。

48、说明书 6/12 页 11 CN 111299996 A 11 路； 26微夹钳控制器的应变解调仪； 27微夹钳控制器的信号控制器； 28微夹钳控制器 的驱动放大器； 29微装配力单桥检测电路； 30夹持力单桥检测电路； 31夹爪位移单桥 检测电路； 32单片柔顺机构安装孔； 33双柔性梁第一级平行四边形机构； 34双柔性梁 第二级平行四边形机构； 35双柔性梁第三级平行四边形机构； 36平口夹爪； 37直梁第 二级平行四边形机构。 具体实施方式 0073 下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。 虽然附图中显示了本发明 的示例性实施例， 然而应当理解， 可以以各种形式实现本发明而不应。

49、被这里阐述的实施例 所限制。 相反， 提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明， 并且能够将本发明的范围 完整的传达给本领域的技术人员。 0074 本发明的微夹持机器人可以通过图1-图4所示的微夹持机器人实现， 这些微夹持 机器人均由同时集成夹爪位移传感单元、 夹持力传感单元和微装配力传感单元的微夹钳、 精密定位系统和微夹持机器人控制器组成。 0075 实施例1： 0076 如图1所示的可实现六自由度空间运动的微夹持机器人， 该机器人由可沿X轴、 Y轴 和Z轴做直线运动的精密电动台3实现分别沿X轴、 Y轴和Z轴三自由度正交直线运动， 由可沿 X轴和Z轴旋转的双轴精密电动旋转台4实现分别沿X轴。

50、和Z轴的旋转运动， 由可沿Y轴旋转的 精密电动旋转台5实现沿Y轴的旋转运动； 利用同时集成夹爪位移传感单元、 夹持力传感单 元和微装配力传感单元的微夹钳实现微小器件的夹持和释放。 微夹钳通过基座8安装在微 夹钳和精密定位系统转接器7上。 并由精密电动平台3、 双轴精密电动旋转台4和精密电动旋 转台5控制微夹钳实现分别沿X轴、 Y轴和Z轴方向的直线运动和旋转运动， 并进行空间精密 定位。 0077 在夹持微小零件时， 执行器9被驱动放大器28驱动而伸长一定的位移量， 并对一级 杠杆机构18的输入端施加一定的输入力， 此时通过图5和图6所示的微夹钳的一级杠杆机构 18、 第一级平行四边形机构19、。