Design, Fabrication and Realization of a Parallel Microrobot at the Millimeter Scale for Minimally Invasive Surgery

压电驱动的并联机构具有精度高、刚度大及动态特性好的优点，可实现结构小型化，在微创手术操作领域具有广阔应用前景。提出了一种可用于微创手术的毫米级压电驱动并联机器人。所设计微小机器人由两片压电双晶片驱动，通过设计仿蜻蜓扑翼四杆放大机构将致动器的微小驱动位移转化为末端基臂杆的大范围转动，引入平行四杆机构提高机器人的运动刚度和稳定性。建立了机器人速度雅可比矩阵，通过分析灵巧度和全域性能等运动传递指标对机器人杆件尺寸进行优化。提出基于智能复合微结构的激光微加工和多层复合层压工艺，实现了微小机器人从复杂三维空间多杆件结构到多层材料平面加工、层压、释放及装配的一体化制造。微小机器人整体尺寸为21 mm×26 mm×5.6 mm，质量为3.05 g(包含压电双晶片)。搭建实验平台开环测试了微小机器人在重复跟踪水平直线、竖直直线、圆及正弦轨迹下的运动性能。在55 V电压激励下，实测机器人在开环重复跟踪水平和竖直直线的运动行程、相对误差、准确度均方根误差和重复度均方根误差分别为2.12 mm，0.93%，19.7 μm±0.5 μm，8.5 μm±0.4 μm和2.01 mm，0.52%，10.5 μm±0.4 μm，4.9 μm±0.2 μm。实验证实了所设计微小并联机器人具有良好的轨迹跟踪精度和重复定位精度。