CN102328311A - 一种二指柔性微动夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种二指柔性微动夹持器，其特征在于该夹持器主要包括四个结构一样的柔性支链、底座、“H”字形连接梁、“【”形和“】”形连接梁、压电陶瓷驱动器、“J”形夹持手指、位移传感器及球形接头；所述柔性支链左右对称安装在底座上，其中两个柔性支链水平安装，并与“H”字形连接梁的左右两个“1”字梁的外侧壁水平连接；另外两个柔性支链垂直安装，并由“【”形和“】”形连接梁分别与“H”字形连接梁的两个“1”字梁的上端面竖直连接；压电陶瓷驱动器的顶端安装有球形接头，尾部固定于底座凸台上，球形接头顶在“H”字形连接梁的“一”字形梁的下端面中间位置上，实现赫兹接触；“J”夹持手指的弯钩顶端安装有位移传感器电极。

Description

一种二指柔性微动夹持器

技术领域

本发明涉及机械领域的微操作系统，具体为一种具有两个夹持末端的二指柔性微动夹持器。

背景技术

微机械技术是微纳米技术的重要分支。应用扫描探针显微镜技术进行分子或原子量级的操作、改型加工处理、制作微型机械零部件乃至微机械整体、生物工程领域中的动植物细胞转基因注射、医疗领域中利用微小的剪刀、微型摄像机、微型传感器等专用微型医疗器械进行微创伤侵入性医疗手术这些情况的实现，都是建立在微操作系统或装置的精密性基础之上的。微纳米级操作系统的定位精度是上述各类微操作成功的关键。随着人们对微观世界研究的深入，精密作业逐渐超出了人类的操作极限，而融合了机械、电子、自动化及信息处理技术的机器人技术在微观领域的引入和发展是人类日益迫切的要求。压电陶瓷驱动设备的出现使得微米乃至纳米级定位精度和分辨率的驱动控制可以实现，从而使得具有在微纳米尺度上进行精密作业能力的微操作机器人技术也应运而生，而作为微操作机器人的主要执行部件，具有精密定位能力和准确夹持作用力的机械手的研究也得到了各国研究人员的重视。

德国PI，英国Queensgate等公司均已生产了基于压电陶瓷驱动的纳米级微操作手的成形产品，主要用于光线系统检测、微加工、微装配等场合。J.M.Breguet等，大行程、高分辨率、多自由度压电陶瓷驱动器的新型设计(J.M.Breguet，R.Clavel，New designs forlong range，high resolution，multi-degree-of-freedom piezoelectric actuators，Proceedings of the6^th International Conference on New Actuator，June，1998：198-201.)中报导了瑞士联邦工学院研制的六自由度微操作手；P.Kallio等，压电陶瓷驱动的3自由度并联微操作器(P.Kallio，M，Lind，Q.Zhou，H.N.Koivo，A 3-DOF piezo-hydraulic parallel micromanipulator，Proceedings of the IEEE International Conference on Robitics and Automation，Leuven，Belgium，May，1998：1823-1828.)中报道了芬兰坦佩雷工业大学研制的三自由度并联微操作手；Mohd Nashrul等，一种基于压电陶瓷驱动的柔性微夹持器的新型设计(Mohd NashrulMohd Zubir，Bijan Shirinzadeh，Yanling Tian，A new design of piezoelectric drivencompliant-based microgripper for micromanipulation，Mechanism and Machine Theory，2009，2248-2264.)中报道了一种基于压电陶瓷驱动的柔性并联微夹持器的优化设计和性能分析。在这一领域，我国的科研工作者们也作出了一定的成绩，如W.Dong等，采用双压电陶瓷驱动器驱动的精密柔性并联定位机构的设计(W.Dong，L.N.Sun，Z.J.Du.Design of aprecision compliant parallel positioner driven by dual piezoelectric actuators.Sensor andActuators A，2007，135：250-256)中报导的哈尔滨工业大学研制的压电陶瓷驱动的六自由度并联微操作手；杨国兴等，基于有限元方法的柔性铰链式微夹持器优化设计(中国机械工程，2006年，17卷10期，1074-1078)中介绍了以柔性铰链为转动副的微夹持器。但上述微动夹持器有的采用刚柔结合的结构方式，但柔性结构所占比例相对较少，较大的位移输出主要由刚性宏动环节实现，性能受到限制；有的则多采用由压电陶瓷驱动器直接驱动的方式，中间缺少放大环节，直接限制了该类微动夹持器末端执行器所能提供的变形量，不能满足实际需要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种二指柔性微动夹持器。该夹持器采用柔性并联结构、单自由度柔性铰链和压电陶瓷驱动器驱动技术，具有两个夹持末端，可应用于微/纳操作机械系统，具有结构简单、高刚度、高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累、无机械摩擦、无间隙、且便于加工制造和工业化实施等优点。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种二指柔性微动夹持器，其特征在于该夹持器主要包括：四个结构一样的柔性支链、一个带凸台的底座、一个“H”字形连接梁、左右对称的一个“【”形连接梁和一个“】”形连接梁、一个压电陶瓷驱动器、两个“J”形夹持手指、一个电容式位移传感器及一个球形接头；

所述四个结构一样的柔性支链以夹持器的中心线为对称轴左右对称安装在底座上，其中两个柔性支链水平安装，并与“H”字形连接梁的左右两个“1”字梁的外侧壁水平连接，且使两个“1”字梁的下端面与所述两个水平安装的柔性支链下端面平齐；另外两个柔性支链垂直安装，并由“【”形连接梁和“】”形连接梁分别与“H”字形连接梁的两个“1”字梁的上端面竖直连接；

所述柔性支链为矩形框架结构，其两条长边框架上对称开有四组凹槽，每组凹槽为两个，对称分布在长边框架两端的内外两个侧壁上；所述垂直安装柔性支链下部的短边框架中心通过螺纹方式安装在底座上，上部的短边框架中心处向外伸出一个“J”形夹持手指，夹持手指的弯钩指向夹持器的对称中心线，夹持手指的弯钩顶端安装有电容式位移传感器的电极；所述垂直安装的柔性支链以夹持器的中心线为对称轴左右对称安装在底座上；所述水平安装的柔性支链外侧短边框架中心通过螺纹安装在底座上，内侧短边框架与所述“H”字形连接梁左侧“1”字梁的外壁水平连接；所述水平安装的柔性支链以夹持器的中心线为对称轴左右对称安装在底座上；所述“【”形连接梁和“】”形连接梁竖直部分上端左右侧壁分别对称开有一组凹槽，所述“H”字形连接梁的两个“1”字梁的上端左右侧壁分别对称开有一组凹槽；

所述压电陶瓷驱动器的顶端安装有一个球形接头，而其尾部通过螺纹刚性固定于底座的凸台上，所述球形接头顶在所述“H”字形连接梁的“一”字形梁的下端面中间位置上，实现赫兹接触。

与现有技术相比，本发明二指柔性微动夹持器具有如下优点：

1.夹持器的柔性机构可利用线切割一体化加工技术整体加工而成，免于装配、无间隙、无摩擦、不需润滑，有利于微操作实现微纳米级高精度定位。

2.夹持器采用柔性并联结构，具有高刚度、高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累等优点。

3.夹持器采用单自由度柔性铰链作为传动机构，具有无机械摩擦、无间隙等优点。另外，基于材料的弹性变形，柔性铰链所产生的转角以及执行器末端工作空间均很微小，可以有效消除并联机构固有的非线性等缺点。

4.夹持器采用压电陶瓷驱动器推动驱动环节，可实现微/纳操作过程中微小、易碎等构件的夹持定位，可作为微/纳操作系统的辅助定位机构，实现微量进给和精密定位。

附图说明

图1是本发明二指柔性微动夹持器一种实施例的整体结构示意图；

图2是本发明二指柔性微动夹持器一种实施例的主体结构示意图；

图3是本发明二指柔性微动夹持器一种实施例的底座结构示意图；

图4是本发明二指柔性微动夹持器一种实施例的主体结构(图2)横截面结构示意图。

具体实施方式

以下结合较佳实施例及其附图，对本发明进一步详细说明如下。

本发明设计的二指柔性微动夹持器(简称夹持器，参见图1-4)，主要包括四个结构一样的柔性支链1、一个带凸台的底座2、一个“H”字形连接梁3、左右对称的一个“【”形连接梁41和一个“】”形连接梁42、一个压电陶瓷驱动器5、两个“J”形夹持手指(简称夹持手指)6、一个电容式位移传感器7及一个球形接头8；

本发明所述的底座2实施例为矩形板状结构(参见图3)，其一条长边边缘的中间带有一个凸台，凸台的中间水平开有螺纹通孔21，另外三条边的适当位置开有垂直的安装孔22(长边2个、2条短边各1个)，所谓适当位置是指安装柔性支链1需要的位置。

本发明所述四个结构一样的柔性支链1以夹持器的中心线为对称轴左右对称安装在底座2上。其中，水平安装两个柔性支链11和12，并与“H”字形连接梁3的左右两个“1”字梁的外侧壁水平连接，且使两个“1”字梁或竖梁的下端面与所述柔性支链11和12的下端面平齐；垂直安装两个柔性支链13和14，并由“【”形连接梁42和“】”形连接梁41分别与“H”字形连接梁3的两个“1”字梁或竖梁的上端面竖直连接。

本发明所述柔性支链13为矩形框架结构(参见1、2、4)，其两条长边框架上对称开有4组凹槽，标记为131、132、133和134，每组凹槽为两个，对称分布在长边框架的内外两个端面上；柔性支链13下部的短边框架中心通过螺纹孔135和底座2上的螺纹孔22安装在底座2上，上部的短边中心处向外伸出一个“J”形夹持手指6或末端夹持器6，夹持手指6的弯钩指向夹持器的中心线，所述两个夹持手指6的弯钩顶端均安装有电容式位移传感器7的一片电极；所述柔性支链14及其连接与所述柔性支链13结构一样，以夹持器的中心线为对称轴布置安装在底座2上；所述柔性支链11也与所述柔性支链13结构一样，包括在其两条长边框架上对称开有4组凹槽，标记为111、112、113和114，但水平放置，其外侧短边框架中心通过螺纹孔115和底座2上的螺纹孔22安装在底座2上，里侧短边与所述“H”字形连接梁3左侧“1”字梁的外壁水平连接；所述柔性支链12及其连接与所述柔性支链11结构一样，以夹持器的中心线为对称轴布置安装在底座2上；所述“【”形连接梁41和“】”形连接梁42竖直部分上端左右侧壁分别对称开有一组凹槽411和421，所述“H”字形连接梁3的两个“1”字梁或竖梁的上端左右侧壁分别对称开有一组凹槽31和32。

本发明所述压电陶瓷驱动器5的顶端或一端安装有(螺纹刚性连接)一个球形接头8(参见图1、3)，而其尾部或另一端通过螺纹刚性固定于所述底座2凸台的螺纹通孔21上；所述球形接头8顶在所述“H”字形连接梁3的“一”字形梁或横梁的下端面中间位置上，实现赫兹接触。

为了提高夹持器的控制精度，本发明夹持器还可以包括一个计算机，所述计算机用于输出电压信号给压电陶瓷驱动器5，即读取所述位移传感器7输出的位移信号，并与计算机中的设定值比较后，输出位移补偿电压控制信号给所述压电陶瓷驱动器5。

本发明实施例的位移传感器7选用PI公司研制的D-050型号超高分辨率电容式位移传感器，用于检测夹持手指6的实际输出。

本发明二指柔性微动夹持器中除了电容式位移传感器7，压电陶瓷驱动器5和球形接头8之外的其他结构，包括所述的柔性支链、“H”字形连接梁、“【”形连接梁和“】”形连接梁以及“J”形夹持手指为一体化结构(参见图4)，由整块材料利用线切割(WEDM)整体加工技术加工制成。

本发明夹持器的工作过程如下：

计算机控制放大器，提供压电陶瓷驱动器5伸缩所需的电流。压电陶瓷驱动器5发生伸长推动“H”字形连接梁3的“一”字形梁，在“一”字形梁带动下，连接于其左、右两侧的柔性支链11、12上的单自由度柔性铰链(半圆凹槽)111、112、113、114和121、122、123、124发生弯曲弹性变形，使得“H”字形连接梁3产生向上的直线移动，从而推动连接于“H”字形连接梁3上方的“【”形连接梁41和“】”形连接梁42同时向上平移，由于柔性支链13和柔性支链14下部的短边框架均通过螺纹刚性固连于底座2上，因此在底座2的约束下，使得分布于“H”字形连接梁3上端的两个单自由度柔性铰链(两组半圆凹槽)31和32，分布于“【”形连接梁41和“】”形连接梁42上的两个单自由度柔性铰链(两组半圆凹槽)411、421以及分布于柔性支链13、14上的单自由度柔性铰链(半圆凹槽)131、132、133、134和141，、142、143、144也产生不同程度的弹性变形；又由于“【”形连接梁41和“】”形连接梁42向左右两侧偏离压电陶瓷驱动器5的中心线，因此在其向上平移的过程中，由于力的作用，其上分布的单自由度柔性铰链411产生逆时针方向的弯曲变形，而单自由度柔性铰链421则产生顺时针方向的弯曲变形，分别带动与之相连的柔性支链14和柔性支链13产生向外侧的平移，使得柔性微动夹持器的两个“J”形夹持手指6产生相互分离的运动；在此同时，通过设置于“J”形夹持手指6指端上的位移传感器7检测到的夹持手指6产生的位移量，调整压电陶瓷驱动器5的伸长量，从而控制夹持手指6的分离程度。在撤销施加在压电陶瓷驱动器5上的驱动电压过程中，压电陶瓷驱动器5长度缩减，作用于四个柔性支链11、12、13和14，“【”形连接梁41和“】”形连接梁42以及“H”字形连接梁3上的作用力逐渐消失，各个位置上的单自由度柔性铰链在材料自身弹性的作用下逐渐恢复到原始状态，使得两个“J”形夹持手指6产生相互接近的运动，从而实现对物体的夹持作用，利用位移传感器7检测夹持手指6的位移量，确定夹持手指6施加于被夹持物体上的夹持力的大小，以此来控制压电陶瓷驱动器5的长度变化。

为了克服压电陶瓷驱动器5的迟滞现象的影响，实施例选用的高精度电容式位移传感器7在夹持手指6运动过程中，实时检测夹持手指6的实际输出，并形成闭环控制系统。利用建立的模型在线计算夹持手指6的定位误差，并把补差电压实时施加到压电陶瓷驱动器5上。一个快速16位的多通道D/A和A/D转换器分别用来实现模拟信号和数字信号之间的转换。

本发明二指柔性微动夹持器大幅增加了柔性环节，可以有效的提高末端执行器的实际输出，可作为微纳操作系统的辅助操作机构，实现快速微量进给和精密定位。

本发明未述及之处适用于现有技术。

需要补充说明的是，本发明描述结构所述的“上、下”、“前、后”、“左、右”等零部件的安装方位词是依据实施例附图所示或习惯而言的，只具有相对性，或者仅是为了叙述方便，不代表该安装位置的唯一性和必须性。

Claims (4)

1.一种二指柔性微动夹持器，其特征在于该夹持器主要包括：四个结构一样的柔性支链、一个带凸台的底座、一个“H”字形连接梁、左右对称的一个“【”形连接梁和一个“】”形连接梁、一个压电陶瓷驱动器、两个“J”形夹持手指、一个电容式位移传感器及一个球形接头；

所述四个结构一样的柔性支链以夹持器的中心线为对称轴左右对称安装在底座上，其中两个柔性支链水平安装，并与“H”字形连接梁的左右两个“1”字梁的外侧壁水平连接，且使两个“1”字梁的下端面与所述两个水平安装的柔性支链下端面平齐；另外两个柔性支链垂直安装，并由“【”形连接梁和“】”形连接梁分别与“H”字形连接梁的两个“1”字梁的上端面竖直连接；

所述柔性支链为矩形框架结构，其两条长边框架上对称开有四组凹槽，每组凹槽为两个，对称分布在长边框架两端的内外两个侧壁上；所述垂直安装柔性支链下部的短边框架中心通过螺纹方式安装在底座上，上部的短边框架中心处向外伸出一个“J”形夹持手指，夹持手指的弯钩指向夹持器的对称中心线，夹持手指的弯钩顶端安装有电容式位移传感器的电极；所述垂直安装的柔性支链以夹持器的中心线为对称轴左右对称安装在底座上；所述水平安装的柔性支链外侧短边框架中心通过螺纹安装在底座上，内侧短边框架与所述“H”字形连接梁左侧“1”字梁的外壁水平连接；所述水平安装的柔性支链以夹持器的中心线为对称轴左右对称安装在底座上；所述“【”形连接梁和“】”形连接梁竖直部分上端左右侧壁分别对称开有一组凹槽，所述“H”字形连接梁的两个“1”字梁的上端左右侧壁分别对称开有一组凹槽；

所述压电陶瓷驱动器的顶端安装有一个球形接头，而其尾部通过螺纹刚性固定于底座的凸台上，所述球形接头顶在所述“H”字形连接梁的“一”字形梁的下端面中间位置上，实现赫兹接触。

2.根据权利要求1所述的二指柔性微动夹持器，其特征在于所述夹持器还包括一个计算机，用于读取所述位移传感器输出的位移信号，并与计算机中的设定值比较后，输出位移补偿电压控制信号给所述压电陶瓷驱动器。

3.根据权利要求1所述的二指柔性微动夹持器，其特征在于所述位移传感器选用PI公司研制的D-050型号超高分辨率电容式位移传感器。

4.根据权利要求1所述的二指柔性微动夹持器，其特征在于所述的柔性支链、“H”字形连接梁、“【”形连接梁和“】”形连接梁以及两个“J”形夹持手指为一体化结构，由整块材料利用线切割整体加工技术加工制成。

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