CN101857187B - 一种钳口平行张合的柔性电热微夹钳 - Google Patents

Abstract

本发明一种钳口平行张合的柔性电热微夹钳属于微机电系统技术领域中的微执行器，特别涉及钳口是平行张合的柔性电热微夹钳。微夹钳具有驱动部分和钳体柔性机构两部分的一个整体结构，且左右结构完全对称。驱动部分中，驱动位移杆和Λ形或V形梁阵列连接，并固定在左、右固定杆上，左、右电极固接在左、右固定杆表面上；钳体柔性机构部分为集中式柔性结构，由左、右固定杆固定；左、右钳臂摇杆的上端是左、右夹持端，中下部通过左、右第16柔性铰链与左、右第9摇杆的上部铰接。该微夹钳钳口能够实现平行张合运动，易于进行微小物体的夹取，减小对被夹持物形状的要求。本发明为整体结构，无需装配，制作简单，利于实现微操作技术的实用化。

Description

一种钳口平行张合的柔性电热微夹钳

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域中的微执行器，特别涉及一种钳口平行张合的柔性电热微夹钳。

背景技术

微装配技术是微机电系统技术领域的重要组成部分，而微夹钳作为操作机构和被操作对象(微小零件、细胞等)之间的接口，在微装配系统中具有极其重要的作用。研究和开发适用于微操作过程，能够方便加持微小物体的微夹钳，是实现微操作技术实用化的关键，因此也成为近年来微机电系统技术领域的研究热点。

目前微夹钳的钳体结构分为刚性结构和柔性结构两种。由于加工及装配技术所限，刚性结构微夹钳的体积较大，难于实现微型化。与之相比，具柔性结构的微夹钳由于可以采用微细加工技术制作，无需装配，可以实现微小化。并且因为柔性微夹钳一般采用柔性铰链，所以具有无摩擦及间隙，无需润滑和运动精度高等优点。微夹钳的驱动方式也多种多样，如静电式、电磁式、液压式和电热式等。与其他驱动方式相比，电热驱动具有结构简单、驱动力及位移较大、易于制作和驱动电压低等优点。

从微小物体的加持过程来看，如果微夹钳钳口能够实现平行张合运动，则其可以更加容易地进行微小物体的夹取，也能减小对被夹持物形状的要求。目前，绝大多数微夹钳钳口在张合过程中都具有一定的转动，仅有MohdNashrul Mohd Zubir、Bijan Shirinzadeh和Yanling Tian等人在国际学术期刊《Mechanism and Machine Theory》的2009年第44期第2248～2264页上发表的论文“A new design of piezoelectric driven compliant-based microgripperfor micromanipulation”中提出了一种能够实现钳口平行张合运动的微夹钳，但与本发明相比，首先，由于其采用压电驱动器，并由线切割加工而成，体积较大，而本发明由于采用电热驱动器并可采用微细加工技术制造，体积可以很小；其次，由于结构限制，其钳口在张合过程中伴随有垂直于加持方向的位移，而本发明则不存在，能够更加方便准确的进行物体的夹持。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的不足，提供一种结构类型新颖，钳口能够实现平行张合运动的柔性电热微夹钳。

本发明采用的技术方案是一种钳口平行张合的柔性电热微夹钳，其特征是，微夹钳是具有驱动部分和钳体柔性机构两部分的一个整体结构，并且左右结构完全对称；驱动部分中，驱动位移杆2和Λ形梁阵列1连接，并固定在左、右固定杆6、6’上，左、右电极3、3’固接在左、右固定杆6、6’表面上；钳体柔性机构部分为集中式柔性结构，由左、右固定杆6、6’固定；左、右钳臂摇杆30、30’的上端是左、右夹持端31、31’，中下部通过左、右第16柔性铰链29、29’与左、右第9摇杆28、28’的上部铰接，下部通过左、右第12柔性铰链23、23’与左、右第4摇杆14、14’的上部铰接；左、右第9摇杆28、28’的中部通过左、右第14柔性铰链25、25’与左、右第6摇杆19、19’的上部铰接，下部通过左、右第11柔性铰链22、22’与左、右第8摇杆26、26’的下部铰接；左、右第8摇杆26、26’的上部通过左、右第15柔性铰链27、27’与左、右固定杆6、6’的上部铰接，中部部通过左、右第13柔性铰链24、24’与左、右第7摇杆20、20’的上部铰接；左、右第6摇杆19、19’的下部通过左、右第8柔性铰链16、16’与左、右第4摇杆14、14’的中上部铰接；左、右第7摇杆20、20’的下部通过左、右第9柔性铰链18、18’与左、右第5摇杆17、17’的中部铰接；左、右第5摇杆17、17’的上部通过左、右第10柔性铰链21’、21’与左、右固定杆6、6’的中上部铰接，下部通过左、右第7柔性铰链15、15’与左、右第4摇杆14、14’的中部铰接；左、右第4摇杆14、14’的下部通过左、右第6柔性铰链13、13’与推杆32的上部铰接；推杆32下部通过左、右第3柔性铰链9、9’与左、右第2摇杆7、7’的上部铰接；左、右第2摇杆7、7’的下部通过左、右第2柔性铰链8、8’与左、右第3摇杆11、11’的下部铰接；左、右第3摇杆11、11’的上部通过左、右第5柔性铰链12、12’与左、右固定杆6、6’的中部铰接，中部通过左、右第4柔性铰链10、10’与左、右第1摇杆5、5’的上部铰接；左、右第1摇杆5、5’的下部通过左、右第1柔性铰链4、4’与驱动位移杆2的上部铰接。

一种钳口平行张合的柔性电热微夹钳其左侧部分：左第6柔性铰链13与左第7柔性铰链15的中心点距离与左第7柔性铰链15与左第10柔性铰链21的中心点距离、左第7柔性铰链15与左第12柔性铰链23的中心点距离、左第11柔性铰链22与左第15柔性铰链27的中心点距离和左第11柔性铰链22与左第16柔性铰链29的中心点距离都相等；左第15柔性铰链27与左第10柔性铰链21的中心点距离与左第9柔性铰链18与左第13柔性铰链24的中心点距离、左第14柔性铰链25与左第8柔性铰链16的中心点距离和左第16柔性铰链29与左第12柔性铰链23的中心点距离相等；左第6柔性铰链13、左第10柔性铰链21和左第15柔性铰链27的中心点位于同一直线上；左第7柔性铰链15、左第9柔性铰链18和左第10柔性铰链21的中心点位于同一直线上；左柔性铰链左第6柔性铰链13、左第7柔性铰链15、左第8柔性铰链16和左第12柔性铰链23的中心点位于同一直线上；左柔性铰链左第11柔性铰链22、左第13柔性铰链24和左第15柔性铰链27的中心点位于同一直线上；左柔性铰链左第11柔性铰链22、左第14柔性铰链25和左第16柔性铰链29的中心点位于同一直线上；微夹钳右侧结构与左侧完全对称。

一种钳口能够平行张合的柔性电热微夹钳中微夹钳柔性机构中的柔性铰链为圆柱形、椭圆形、双曲线形或矩形。

一种钳口能够平行张合的柔性电热微夹钳中，Λ形梁阵列1和V形梁阵列33中梁的数目为1-10个。

本发明的效果和益处是该柔性电热微夹钳钳口能够实现平行张合运动，可以更加容易地进行微小物体的夹取，也能减小对被夹持物形状的要求。并且，本发明为整体结构，无需装配，制作简单，有助于实现微操作技术的实用化。

附图说明

图1是钳口平行张合的柔性电热微夹钳的结构示意图，图2是微夹钳钳体的机构原理简图。其中：1-Λ形梁阵列；2-驱动位移杆；3、3’-左、右电极；4、4’-左、右第1柔性铰链；5、5’-左、右第1摇杆；6、6’-左、右固定杆；7、7’-左、右第2摇杆；8、8’-左、右第2柔性铰链；9、9’-左、右第3柔性铰链；10、10’-左、右第4柔性铰链；11、11’-左、右第3摇杆；12、12’-左、右第5柔性铰链；13、13’-左、右第6柔性铰链；14、14’-左、右第4摇杆；15、15’-左、右第7柔性铰链；16、16’-左、右第8柔性铰链；17、17’-左、右第5摇杆；18、18’-左、右第9柔性铰链；19、19’-左、右第6摇杆；20、20’-左、右第7摇杆；21、21’-左、右第10柔性铰链；22、22’-左、右第11柔性铰链；23、23’-左、右第12柔性铰链；24、24’-左、右第13柔性铰链；25、25’-左、右第14柔性铰链；26、26’-左、右第8摇杆；27、27’-左、右第15柔性铰链；28、28’-左、右第9摇杆；29、29’-左、右第16柔性铰链；30、30’-左、右钳臂摇杆；31、31’-左、右夹持端；32-推杆；L-夹持端间距。

图3是采用V形梁阵列的微夹钳结构示意图。其中：31、31’-左、右夹持端；33-V形梁阵列；L-夹持端间距。

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。

如附图1所示，在左、右电极3、3’上施加合适的电压后，Λ形V形梁阵列1中有电流通过，产生焦耳热，使V型梁膨胀伸长，推动驱动位移杆2，使其产生向上的力和运动。此力和运动通过左、右第1柔性铰链4、4’推动左、右第1摇杆5、5’向上运动。左、右第1摇杆5、5’通过左、右第4柔性铰链10、10’使左第3摇杆11产生逆时针转动，右第3摇杆11’产生顺时针转动。左、右第3摇杆11、11’通过左、右第2柔性铰链8、8’拉动左、右第2摇杆7、7’向上运动。左、右第2摇杆7、7’通过左、右第3柔性铰链9、9’推动推杆45向上运动，从而完成V形梁阵列输出位移的放大。由于左第6柔性铰链13与左第7柔性铰链15的中心点距离与左第7柔性铰链15与左第10柔性铰链21的中心点距离、左第7柔性铰链15与左第12柔性铰链23的中心点距离相等，左第10柔性铰链21的中心点位于左第6柔性铰链13的垂直上方，并且推杆45仅作向上运动，左第4摇杆14和左第5摇杆17构成了一个具有Scott-Russell机构运动特点的柔性机构，从而使左第12柔性铰链23的中心点仅作向右运动。因为左第15柔性铰链27与左第10柔性铰链21的中心点距离与左第9柔性铰链18与左第13柔性铰链24的中心点距离、左第14柔性铰链25与左第8柔性铰链16的中心点距离和左第16柔性铰链29与左第12柔性铰链23的中心点距离相等，又因为左第6柔性铰链13、左第10柔性铰链21和左第15柔性铰链27的中心点位于同一直线上，左第7柔性铰链15、左第9柔性铰链18和左第10柔性铰链21的中心点位于同一直线上；左柔性铰链左第6柔性铰链13、左第7柔性铰链15、左第8柔性铰链16和左第12柔性铰链23的中心点位于同一直线上，左柔性铰链左第10柔性铰链21、左第13柔性铰链24和左第15柔性铰链27的中心点位于同一直线上，左柔性铰链左第10柔性铰链21、左第14柔性铰链25和左第16柔性铰链29的中心点位于同一直线上，所以左固定杆6、左第5摇杆17、左第8摇杆26、左第7摇杆20、左第4摇杆14、左第6摇杆19、左第9摇杆28和左钳臂摇杆30构成了一个柔性平行机构，这使得左摇杆左第6摇杆19、左第7摇杆20、左钳臂摇杆30和左固定杆6在运动过程中总是相互平行，从而使左钳臂摇杆30在左第12柔性铰链23和第16柔性铰链29的带动下仅作水平向右的平行移动。由于微夹钳结构左右完全对称，右钳臂摇杆30’在右第12柔性铰链23’和右第16柔性铰链29’的带动下仅作水平向左的平行移动，使左、右夹持端31、31’相互靠近，产生夹持闭合运动。通过改变施加在左、右电极3、3’上的电压的大小，可以对夹持端间距L的大小进行控制。与采用Λ形梁阵列1的微夹钳相反，当采用V形梁阵列33时，左、右夹持端31、31’实现的是张开运动，如附图3所示。

本发明柔性电热微夹钳不仅结构紧凑、易于微小化，并且能够实现钳口夹持端在张合过程中作水平相向或向离的平行移动，从而能够方便准确地加持微小物体，减小对被夹持物形状的要求，促进微操作技术实用化。

Claims (3)

1.一种钳口平行张合的柔性电热微夹钳，其特征是，微夹钳是具有驱动部分和钳体柔性机构两部分的一个整体结构，并且左右结构完全对称；驱动部分中，驱动位移杆（2）和Λ形梁阵列（1）连接，并固定在左、右固定杆（6、6’）上，左、右电极（3、3’）固接在左、右固定杆（6、6’）表面上；钳体柔性机构部分为集中式柔性结构，由左、右固定杆（6、6’）固定；左、右钳臂摇杆（30、30’）的上端是左、右夹持端（31、31’），中下部通过左、右第16柔性铰链（29、29’）与左、右第9摇杆（28、28’）的上部铰接，下部通过左、右第12柔性铰链（23、23’）与左、右第4摇杆（14、14’）的上部铰接；左、右第9摇杆（28、28’）的中部通过左、右第14柔性铰链（25、25’）与左、右第6摇杆（19、19’）的上部铰接，下部通过左、右第11柔性铰链（22、22’）与左、右第8摇杆（26、26’）的下部铰接；左、右第8摇杆（26、26’）的上部通过左、右第15柔性铰链（27、27’）与左、右固定杆（6、6’）的上部铰接，中部通过左、右第13柔性铰链（24、24’）与左、右第7摇杆（20、20’）的上部铰接；左、右第6摇杆（19、19’）的下部通过左、右第8柔性铰链（16、16’）与左、右第4摇杆（14、14’）的中上部铰接；左、右第7摇杆（20、20’）的下部通过左、右第9柔性铰链（18、18’）与左、右第5摇杆（17、17’）的中部铰接；左、右第5摇杆（17、17’）的上部通过左、右第10柔性铰链（21’、21’）与左、右固定杆（6、6’）的中上部铰接，下部通过左、右第7柔性铰链（15、15’）与左、右第4摇杆（14、14’）的中部铰接；左、右第4摇杆（14、14’）的下部通过左、右第6柔性铰链（13、13’）与推杆（32）的上部铰接；推杆（32）下部通过左、右第3柔性铰链（9、9’）与左、右第2摇杆（7、7’）的上部铰接；左、右第2摇杆（7、7’）的下部通过左、右第2柔性铰链（8、8’）与左、右第3摇杆（11、11’）的下部铰接；左、右第3摇杆（11、11’）的上部通过左、右第5柔性铰链（12、12’）与左、右固定杆（6、6’）的中部铰接，中部通过左、右第4柔性铰链（10、10’）与左、右第1摇杆（5、5’）的上部铰接；左、右第1摇杆（5、5’）的下部通过左、右第1柔性铰链（4、4’）与驱动位移杆（2）的上部铰接；

     柔性电热微夹钳左侧部分，左第6柔性铰链（13）与左第7柔性铰链（15）的中心点距离与左第7柔性铰链（15）与左第10柔性铰链（21）的中心点距离、左第7柔性铰链（15）与左第12柔性铰链（23）的中心点距离、左第11柔性铰链（22）与左第15柔性铰链（27）的中心点距离和左第11柔性铰链（22）与左第16柔性铰链（29）的中心点距离都相等；左第15柔性铰链（27）与左第10柔性铰链（21）的中心点距离与左第9柔性铰链（18）与左第13柔性铰链（24）的中心点距离、左第14柔性铰链（25）与左第8柔性铰链（16）的中心点距离和左第16柔性铰链（29）与左第12柔性铰链（23）的中心点距离相等；左第6柔性铰链（13）、左第10柔性铰链（21）和左第15柔性铰链（27）的中心点位于同一直线上；左第7柔性铰链（15）、左第9柔性铰链（18）和左第10柔性铰链（21）的中心点位于同一直线上；左柔性铰链左第6柔性铰链（13）、左第7柔性铰链（15）、左第8柔性铰链（16）和左第12柔性铰链（23）的中心点位于同一直线上；左第11柔性铰链（22）、左第13柔性铰链（24）和左第15柔性铰链（27）的中心点位于同一直线上；左第11柔性铰链（22）、左第14柔性铰链（25）和左第16柔性铰链（29）的中心点位于同一直线上；微夹钳右侧结构与左侧完全对称。

2.如权利要求1中所述的一种钳口平行张合的柔性电热微夹钳，其特征是，微夹钳柔性机构中的柔性铰链为椭圆形、双曲线形或矩形。

3.如权利要求1或2中所述的一种钳口平行张合的柔性电热微夹钳，其特征是，Λ形梁阵列（1）中梁的数目为1-10个。