传感器引导微装配的尺寸自适应并联，混合并联机器人的运动结构

文丨栋栋不爱动

编辑丨栋栋不爱动

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微型化产品和组件已成为当今日常生活的一部分。通过使用微型传感器和执行器可以提高汽车的舒适性和安全性。移动电话和MP3播放器等电子设备的尺寸已经非常小，小型医疗器械也方便了内窥镜手术。

由于微技术解决方案具有尺寸小、重量轻等优点，微系统技术在全球范围内被认为是21世纪的关键技术，新的NEXUS市场分析预测基于MST的产品的全球市场每年将增长16%。

规模效应、技术和装配相关问题，小型化和同步功能集成导致对生产技术的要求增加。对于MST产品，要求微装配的不确定度在几微米甚至小于一微米的范围内。

目前，微装配的工业应用主要包含最初为半导体后端生产中的2D芯片装配而开发的系统。根据其可达到的组装不确定性，它们可以分为三组。大多数第一类定位单元是基于笛卡尔轴的拾放机器，在3σ时不确定度在30µm到60µm之间。

第二组是芯片键合机，通过高精度线性驱动器、高分辨率摄像系统以及控制和补偿系统造成的影响，在3σ下实现10µm至12µm的拾放不确定度。

它们可以被视为针对特定应用的专用机器，是为微光学元件、光纤的组装，特别是倒装芯片组装而开发的。它们在3σ时达到约1μm的组装或释放不确定性，这些低不确定性只能借助特殊的摄像系统和定位策略来实现。

这些装配不确定性始终与根据产品要求进行调整的装配系统的高度定制设计有关。这样，以非常低的灵活性为代价来达到所描述的装配不确定性，这些低不确定性只能借助特殊的摄像系统和定位策略来实现。

对于微装配系统的设计，必须获得装配单元的高产品灵活性。需要找到能够提供足够灵活性来重新配置系统设计的解决方案。在这里，当争取数量、产品变型和制造基地的高度灵活性时，模块化是关键。

精密机器人是装配系统中的核心部件。降低精密机器人和装配系统不确定性的一些基本技术是选择适当的运动结构、开发适合尺寸的搬运装置、集成超精密机器元件和/或使用传感器。

机器人根据其运动结构可分为串联机器人、并联机器人和混合机器人。大多数工业机器人都是基于框架和工作平台之间的串联结构。开放式运动链的所有关节都具有单一自由度并且是活动的，即它们被驱动。

串行结构原则上提供了与机器人尺寸相关的大工作空间以及高定向范围。就机器人的动力学和精度而言，相对较大的移动质量是串行结构的缺点，因为每个驱动器必须沿着整个运动链移动。

并联机器人基于闭合运动链，即在底座和工作平台之间有多个导向链，从而提供高结构刚度。可以将所有驱动器安装在固定框架中或至少将它们放置在框架附近，从而实现低惯性。不一定要添加支腿中的驱动器定位误差或公差。

并联机器人具有高结构刚度和低移动质量，非常适合高精度搬运操作。与串联机器人相比，并联机器人的小型化要容易得多，因为所有关节都是被动的。被动接头还提供了将柔性铰链集成为超精密机器元件的潜力。由于物体的尺寸，与机器人尺寸相比较小的工作空间在微装配任务中不会变得严重。

将并行结构与串行结构相结合，可以克服末端执行器的有限且位置相关的移动性。通过将串行旋转轴集成到并联机器人的工作平台中，末端执行器可以很好地定向。

许多商用机器人制造商和许多研究机构正在开发具有足够定位不确定性的机器人来完成微装配任务。采用串行、并行和混合机器人结构，大多数用于微装配的串行机器人都采用笛卡尔结构。

几乎在所有情况下，都使用直接测量系统来排除机械间隙造成的误差，这些线性轴的重复性通常在1µm和1µm之间。一些制造商和研究人员声称，用这些轴构建的机器人的整体重复性达到1µm。

微装配机器人的另一种解决方案是传统的Scara机器人与冗余高精度轴相结合，以达到高分辨率。这种方法总是与额外的传感器相结合，以实现良好的可重复性。

尺寸自适应机器人的开发是微装配机器人的另一个解决方案。由于MST产品生产需要洁净室环境，只有通过减少装配系统的占地面积才能节省成本。

近年来，微型生产系统的尺寸和成本的减小已在各种论文中得到广泛讨论。这些概念中的大多数与下面解释的两个一般组之一相关。第一组由压电驱动的小型行走微型机器人和搬运机器组成。这些自主机器人适合定位小型物体，一种用于扫描电子显微镜中样品的处理装置。

一方面，这些微型机器人对于纳米组装等新趋势非常有前景。通过使用自主机器人，这些机器人的协调和交互、粗糙表面上的运动和能量供应会出现困难。

它填补了压电驱动的小型行走微型机器人和传统机器人之间的空白。该策略的一个可能的解决方案是使用创新的小型化机器部件来确定传统机器人技术的最高小型化程度。

借助这些尺寸适应的搬运设备，在几厘米到几分米的范围内，可以设计易于扩展且高度灵活的生产技术。尺寸自适应搬运设备的示例是并行机器人结构Delta 3和Sigma6以及口袋Delta。

基于一种机器人结构解释了混合微系统的传感器引导装配过程，将介绍传感器信息集成到机器人控制中以及系统中应用的相关传感器引导。以装配过程为例描述了过程的定位不确定性和装配不确定性。

IWF开发了用于精密装配的各种尺寸适应型并联、并联混合和串联混合机器人。开发尺寸适应的机器人结构的主要目标是使机器人单元的尺寸适应产品的尺寸。同时，通过开发并联和混合机器人结构，应实现高精度微装配工艺的良好可重复性。

实现了平面机器人micabo e的功能模型，该模型具有并行结构和用于在xy平面上运动的3个自由度，以及用于在z方向上运动的串联升降台的1个自由度。设计了具有6自由度的空间并联混合机器人结构micabo。

这三个机器人通过将柔性铰链集成为超精密机器元件而得到增强，并命名为micabo es、micabo hs和Triglide s。通过这种机器元件，机器人结构的传统关节被取代。

基于上述机器人结构的经验，机器人micabo f为零件搬运提供4个自由度，并且作为一种先进的结构，micabo f2为零件搬运提供4个自由度和1个附加自由度用于聚焦视觉传感器，被开发为平面串行混合机器人结构。

提高装配系统精度的一种方法是提高机器人本身的定位精度。并联结构的典型问题是关节数量较多以及关节具有多个自由度。传统关节中的间隙、摩擦和滑粘效应通常会降低机器人的整体精度。jnty有限公司

由于柔性铰链天然不存在上述缺点，用柔性铰链代替传统关节似乎是提高机器人精度的一种有前途的方法。由于挠性铰链仅通过物质变形获得移动性，可达到的旋转角度受到限制。为了实现铰链的高生命周期。

开发的柔性铰链由伪弹性形状记忆合金组成，这种材料比其他材料提供更大的可逆应变。由于SMA具有较大的可逆应变，铰链的偏转可能达到±30。这种方法为设计具有高精度和分辨率的机器人提供了潜力，并为微装配任务提供了足够大的工作空间。

SMA存在奥氏体和马氏体相，具体取决于温度或施加的应力。稳定相的温度和应力值主要取决于基础材料、不同的合金含量以及材料的热机械处理。SMA的热致相变通常用于将SMA器件用作执行器的应用中。

我们使用应力诱导相变，它提供大的可逆应变。在初始条件下，材料在室温下处于奥氏体相。它在载荷作用下发生线弹性变形。随着载荷的增加，应力诱导的奥氏体向马氏体的转变在伪屈服应力R pe处开始。

相变伴随着大的伪弹性应变ε pe和几乎恒定的应力，伪弹性应变在较低应力σ r下恢复具有应力滞后。由于伪弹性应变是可逆的，样本完全恢复到其未变形的形状，这些应变通常被称为伪弹性，因为可逆变形是由可逆相变引起的，而不仅仅是由于原子从其先前的平衡位置平移而引起的。

空间并联机器人结构Triglide具有3个自由度，由IWF和RobertBosch公司开发，作为用于微装配目的的装配单元的主要组件。三个线性驱动器以120°的间隔星形布置在基平面中，这导致了一个近乎三角形的工作空间。

工作平台通过形成平行四边形的两个连杆连接到每个驱动器。这产生平台的平移运动并保持平台平面与基础平面平行。额外的旋转轴串联集成到工作平台中，工作平台的方向仅受夹具尺寸和电源线的限制。

这种结构非常刚性，并且驱动误差减少，因为“平台运动”与“驱动运动”的比率始终<1。在此配置中，带有线性编码器的电动线性电机的分辨率为0.125µm。传统接头可达到0.9µm的重复性。

微型装配任务要求装配不确定性在几微米范围内，这一要求是由于MST组件生产中的零件尺寸较小以及由此产生的有效公差较小而产生的。由于精密机器人是装配系统的核心部件，适当的运动结构至关重要。

这些运动结构可以是串联的、并联的或混合的。尽管串行结构可用于微装配，但它们具有较大的移动质量，并且需要大量的框架和机器人连杆结构才能获得适当的可重复性。

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