CN101717063B - 一种拓扑优化柔性微夹钳 - Google Patents
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Abstract
本发明一种拓扑优化柔性微夹钳，属于微机电系统技术领域中的微执行器类，是一种柔性电热驱动微夹钳。柔性微夹钳由位移放大部分和驱动部分组成，柔性微夹钳为整体结构，钳体左右对称。位移放大部分M采用拓扑优化方法设计，位移放大部分M包括为任意空心三角形结构的左、右三角形构件和柔性杆。驱动部分包括V型梁阵列，左、右驱动固定杆，左、右电极。该微夹钳结构类型独特新颖，输出位移大，响应速度快，控制简单，便于集成，在夹持物体过程中不需要施加驱动，有效节能，非常适用于夹持微小物体进行微装配、微操作等。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统技术领域中的微执行器类，是一种柔性电热驱动微夹钳。
背景技术
微夹钳是MEMS应用领域的一个重要微执行器件，在微装配、微操作等方面扮演着重要的角色。研究和开发适用于微型零件操作和装配的微夹钳，是实现微系统科学实验与产业化的一个关键环节，已成为微机电系统技术领域的一个重要方面。
微夹钳按照机构形式分有刚性和柔性两种。传统的采用刚性结构制作的钳体一般体积较大，很难实现微小化，不利于微操作，而且在制作、装配上比较困难。相对于传统的刚性联接结构，柔性结构通过其部分或全部具有柔性的构件组成，柔性机构通过机构本身的弹性变形来传递运动、力和能量。在形状、尺寸上具有体积小，重量轻，无磨损和运动间隙，不需润滑和装配等优点，而且易于实现批量生产及驱动单元的集成。现有的柔性微夹钳在设计时大多是从钳体材料和驱动方式上入手。如采用一些功能材料，如压电材料、形状记忆合金、磁致伸缩材料等；驱动方式也多种多样，有静电驱动、压电驱动、电磁驱动、电热驱动等。电热驱动方式与其他驱动方式相比，具有驱动电压低、结构简单、输出力和输出变形大、与制造工艺兼容等优点。
电热驱动的柔性微夹钳结构类型多种多样，输出效果也不尽相同。本人已申请的两种柔性结构微夹钳(专利号：200410020675.9，200410050254.0)，是采用伪刚体法进行设计，基于传统机构理论，将传统的刚性杆件和铰链微小化形成杆件和柔性铰链。而本发明采用的基于拓扑优化的设计方法，结构形式与前两种完全不同，而且钳体更具有柔性。有一种已申请专利的微夹钳(专利号200410021032.6)虽然也是采用拓扑优化设计钳体，但是设计目标和本发明不同，所以钳体形状也完全不同；该专利的驱动器采用压电陶瓷驱动，而本发明采用的是电热驱动，而且该专利的微夹钳尺寸较大。本发明结构类型独特新颖，微夹钳整体尺寸不超过3毫米，其小尺寸更适合微装配和微操作，材料为金属镍，响应速度快，同时钳口闭合不需要驱动，而是靠微夹钳自身回程反力夹紧物体，所以在实际操作过程中节约能源。
发明内容
本发明的目的是克服伪刚体法基于传统工程经验设计方法设计微夹钳的缺陷，而是采用拓扑优化方法，从弹性体材料本身的角度设计微型柔性机构的最佳材料分配方式。根据不同的工作情况和夹持对象设计出满足不同目标要求的微夹钳机构，得到最优拓扑构型。该微夹钳在夹持物体过程中不需要施加驱动，有效节能，非常适用于夹持微小物体进行微装配、微操作等。这种微夹钳结构属于全柔性机构，结构新颖，输出位移大，响应速度快，控制简单，便于集成，能广泛地应用于微装配、微操作等。
本发明的技术方案是一种拓扑优化柔性微夹钳，由位移放大部分和驱动部分组成，柔性微夹钳为整体结构，钳体左右对称；位移放大部分M采用拓扑优化方法设计，位移放大部分M包括：左、右三角形构件7a、7b为任意空心三角形结构，左三角形构件7a上端与左上柔性杆9a连接，下端与左下柔性杆6a连接，左上、左下柔性杆9a、6a在驱动过程中发生柔性变形，储存弹性能，右三角形构件7b上端与右上柔性杆9b连接，下端与右下柔性杆6b连接，右上、右下柔性杆9b、6b在驱动过程中发生柔性变形，储存弹性能，左侧、右侧柔性杆8a、8b为L型，在驱动过程发生柔性变形，其折弯部位为D、D′均能储存弹性能，各柔性铰链部分均能储存弹性能；驱动部分包括：V型梁阵列1，左、右驱动固定杆2a、2b，左、右电极3a、3b；改变驱动力和驱动位移大小需要改变V型梁阵列1的阵列个数，左、右驱动固定杆2a、2b分别与左、右电极3a、3b焊接在一起；
柔性微夹钳各构件之间的连接关系如下：左、右三角形构件7a、7b分别通过第一左、右柔性铰链A、A′与位移驱动杆4连接，左三角形构件7a上端和左上柔性杆9a连接于第三右柔性铰链B′，下端和左下柔性杆6a连接于第二右柔性铰链E′，右三角形构件7b上端和右上柔性杆9b连接于第四左柔性铰链C′，下端和右下柔性杆6b连接于第五左柔性铰链F′，左上、左下柔性杆9a、6a分别和左侧柔性杆8a连接于第三左、第二左柔性铰链B、E，右上、右下柔性杆9b、6b分别和右侧柔性杆8b连接于第四右、第五右柔性铰链C、F，左侧柔性杆8a上端与左边钳口10a固连，下端与钳体左固定端5a连接于第六左柔性铰链G，右侧柔性杆8b上端与右边钳口10b固连，下端与钳体右固定端5b连接于第六右柔性铰链G′；V型梁阵列1通过位移驱动杆4与位移放大部分M连接，V型梁阵列1两边分别和左、右驱动固定杆2a、2b连接，左、右驱动固定杆2a、2b分别于左、右电极3a、3b焊接在一起。
位移放大部分M和驱动部分为同一种材料。
本发明的效果是以连续体拓扑优化作为理论模型，采用SIMP(SolidIsotropic Microstructure with Penalty)插值的变密度法，以最大输出位移为设计目标完成的微夹钳钳体的概念设计，设计的微夹钳驱动部分和位移放大部分为一个整体，便于集成，材料为金属镍，采用UV-LIGA工艺制成，结构类型独特新颖，钳体既具有足够的柔性来产生大的变形，又有足够的刚性来夹持物体，该微夹钳结构类型独特新颖，输出位移大，响应速度快，控制简单，便于集成，适用于微小零件的微操作和微装配等，钳口闭合不需要驱动，而是靠微夹钳自身回程反力夹紧物体，在实际操作过程中能节约能源。
附图说明
图1是拓扑优化柔性微夹钳的结构图。图中：1-V型梁阵列，2a-左驱动固定杆，2b-右驱动固定杆，3a-左电极，3b-右电极，4-位移驱动杆，5a-钳体左固定端，5b-钳体右固定端，M-位移放大部分，6a-左下柔性杆，6b-右下柔性杆，7a-左三角形构件，7b-右三角形构件，8a-左侧柔性杆，8b-右侧柔性杆，9a-左上柔性杆，9b-右上柔性杆，10a-左边钳口，10b-右边钳口，A-第一左柔性铰链，A′-第一右柔性铰链，B-第三左柔性铰链，B′-第三右柔性铰链，C-第四右柔性铰链，C′-第四左柔性铰链，E-第二左柔性铰链，E′-第二右柔性铰链，F-第五右柔性铰链，F′-第五左柔性铰链，G-第六左柔性铰链，G′-第六右柔性铰链，D-左侧柔性杆折弯部位，D′-右侧柔性杆折弯部位。
图2是为采用拓扑优化方法设计的微夹钳拓扑图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。如图2所示为钳体放大部分M的左边部分，右边部分与其对称。然后采用CAD和有限元分析软件，对拓扑优化设计的拓扑构型进行几何重构，将单点铰链修改为柔性铰链以适当提高刚度，针对具体情况确定了微夹钳的形状。拓扑优化设计方法摆脱了传统伪刚体法的经验设计思路，而是从弹性体材料本身角度出发寻求最佳材料分配方式，满足全柔性机构设计思路。
如附图1所示，当给微夹钳施加驱动时：在左、右电极3a、3b之间加上合适的电压后，V形梁阵列1中有电流通过，因高阻产生热，使V形梁膨胀伸长，推动位移驱动杆4产生一个向上的力和运动。此力和运动通过第一左柔性铰链A使左三角形构件7a产生逆时针转动，通过第一右柔性铰链A′使右三角形构件7b产生顺时针转动，左三角形构件7a通过第三右柔性铰链B′和第二右柔性铰链E′分别驱动左上柔性杆9a和左下柔性杆6a，使左上柔性杆9a和左下柔性杆6a发生变形，同时通过第三左柔性铰链B和第二左柔性铰链E将力和运动传递给左侧柔性杆8a，左侧柔性杆8a发生变形，其L型折弯部位D通过变形储存弹性能，右三角形构件7b通过第四左柔性铰链C′和第五左柔性铰链F′分别驱动右上柔性杆9b和右下柔性杆6b，右上柔性杆9b和右下柔性杆6b发生变形，同时通过第四右柔性铰链C和第五右柔性铰链F将力和运动传递给右侧柔性杆8b，右侧柔性杆8b发生变形，其L型折弯部位D′通过变形储存弹性能，整个位移放大机构有很好的柔性来产生大的位移，同时左三角形构件7a、右三角形构件7b、左侧柔性杆8a和右侧柔性杆8b有足够的刚度。左侧柔性杆8a上端与左边钳口10a固接，下端通过第六左柔性铰链G与钳体左固定端5a连接，这样左侧柔性杆8a在驱动作用下会向外张开，产生逆时针的运动，从而带动左边钳口10a产生向左的位移，右侧柔性杆8b上端与右边钳口10b固接，下端通过第六右柔性铰链G′与钳体右固定端5b连接，这样右侧柔性杆8b在驱动作用下会向外张开，产生顺时针的运动，从而带动右边钳口10b产生向右的位移，这样钳口张开。
当给微夹钳关闭驱动时：左、右电极3a、3b之间没有电压，V形梁阵列1中没有电流通过而冷却收缩，从而拉动位移驱动杆4使其产生一个向下的力和运动，同时各柔性铰链处储存的弹性能释放使钳体恢复变形，左三角形构件7a产生顺时针运动，通过左上柔性杆9a和左下柔性杆6a使左侧柔性杆8a发生变形，产生顺时针运动，从而带动左边钳口10a产生向右的位移，右三角形构件7b产生逆时针运动，通过右上柔性杆9b和右下柔性杆6b使右侧柔性杆8b发生变形，产生逆时针运动，从而带动右边钳口10b产生向左的位移，左、右边钳口10a、10b闭合，这样完成夹持物体的操作。
拓扑优化柔性微夹钳通过施加驱动使钳口张开，然后关闭驱动使钳口闭合夹持物体，夹持过程中不需要驱动微夹钳，可以做到有效的节能。
Claims (2)
1.一种拓扑优化柔性微夹钳，由位移放大部分和驱动部分组成，其特征是，柔性微夹钳为整体结构，钳体左右对称；位移放大部分M采用拓扑优化方法设计，位移放大部分M包括：左、右三角形构件(7a、7b)为任意空心三角形结构，左三角形构件(7a)上端与左上柔性杆(9a)连接，下端与左下柔性杆(6a)连接，左上、左下柔性杆(9a、6a)在驱动过程中发生柔性变形，储存弹性能，右三角形构件(7b)上端与右上柔性杆(9b)连接，下端与右下柔性杆(6b)连接，右上、右下柔性杆(9b、6b)在驱动过程中发生柔性变形，储存弹性能，左侧、右侧柔性杆(8a、8b)为L型，在驱动过程发生柔性变形，其折弯部位为(D、D′)均能储存弹性能，各柔性铰链部分均能储存弹性能；驱动部分包括：V型梁阵列(1)，左、右驱动固定杆(2a、2b)，左、右电极(3a、3b)；改变驱动力和驱动位移大小需要改变V型梁阵列(1)的阵列个数，左、右驱动固定杆(2a、2b)分别与左、右电极(3a、3b)焊接在一起；
柔性微夹钳各构件之间的连接关系如下：左、右三角形构件(7a、7b)分别通过第一左、右柔性铰链(A、A′)与位移驱动杆(4)连接，左三角形构件(7a)上端和左上柔性杆(9a)连接于第三右柔性铰链(B′)，下端和左下柔性杆(6a)连接于第二右柔性铰链(E′)，右三角形构件(7b)上端和右上柔性杆(9b)连接于第四左柔性铰链(C′)，下端和右下柔性杆(6b)连接于第五左柔性铰链(F′)，左上、左下柔性杆(9a、6a)分别和左侧柔性杆(8a)连接于第三左、第二左柔性铰链(B、E)，右上、右下柔性杆(9b、6b)分别和右侧柔性杆(8b)连接于第四右、第五右柔性铰链(C、F)，左侧柔性杆(8a)上端与左边钳口(10a)固连，下端与钳体左固定端(5a)连接于第六左柔性铰链(G)，右侧柔性 杆(8b) 上端与右边钳口(10b)固连，下端与钳体右固定端(5b)连接于第六右柔性铰链G′；V型梁阵列(1)通过位移驱动杆(4)与位移放大部分M连接，V型梁阵列(1)两边分别和左、右驱动固定杆(2a、2b)连接，左、右驱动固定杆(2a、2b)分别与左、右电极(3a、3b)焊接在一起。
2.如权利要求1所述的一种拓扑优化柔性微夹钳，其特征是，位移放大部分M和驱动部分为同一种材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110504 Termination date: 20131119 |