CN102497129A - 由多极化方式压电驱动器驱动的多自由度微操作器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由多极化方式压电驱动器驱动的多自由度微操作器。包括基座,嵌套的X、Y轴平动微动机构,Z轴平动微动机构,Z轴转动微动机构和末端执行机构。三维平动通过压电应变常数d33的压电叠堆驱动器驱动柔性铰链实现,Z轴转动由压电应变常数d15的压电扭转驱动器驱动扭转臂实现,末端执行机构为由基于压电应变常数d31的压电双晶片悬臂梁组成的的微夹持器或微注射探针。在不同极化方式的压电驱动器驱动下,实现三维平动,绕Z轴转动,绕X轴摆动的高精度微动,通过不同的末端执行臂,完成夹持、搬运、探刺以及注射等操作。具有自由度解耦、结构紧凑、操作灵活、控制方便、运动精度高等优点,本发明可用于生物医学及微机电工程等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种多自由度微操作器,尤其是涉及一种由多极化方式压电驱动器驱动的多自由度微操作器。
背景技术
随着微纳米技术的迅速发展,“微/纳米”尺度上的操作技术变得越来越重要。微操作器作为微操作系统中的核心部件,受到国内外专家学者的广泛关注,并已经广泛应用到生物医学领域内的细胞分割、移植、细胞转基因、探刺与注射,微机电装配领域内微小零件的加工、定位,以及半导体加工等领域。因此对微操作器的研究具有重要的实际应用价值和广阔的应用前景。微操作器直接作用于微操作对象,完成微操作任务。因此要求微操作器既要具有高精度、高分辨率的微动定位能力;还要具有多个自由度运动能力;同时要体积小、质量轻,适应于某些特殊的狭小场合如显微镜下的有限作业空间。
由于具有结构紧凑、体积小、分辨率高、频响高、控制简单,易实现微纳米级的驱动控制,压电陶瓷驱动技术已成为微操作器的主流驱动技术。目前研究发现,压电陶瓷材料的变形形式和变形量跟所加的电场大小、方向以及压电陶瓷材料本身的极化方式有着密切的关系。根据压电材料的极化方向与所加电场方向关系不同,常见的变形形式有三种:基于压电应变常数d33的厚度伸缩变形,基于压电应变常数d31的长度伸缩变形和基于压电应变常数d15的厚度剪切变形。利用这三种不同极化方式下的变形原理制成的压电陶瓷驱动器就可以驱动微操作器产生伸缩、弯曲和扭转运动,从而实现微操作器高精度的多自由度运动。
目前,基于压电陶瓷驱动的多自由度微操作臂有两种常见的结构形式:一类是基于经典的Stewart平台或其变种的并联六自由度微操作臂的并联机构,这类微操作臂具有刚度高、惯性小、结构紧凑、误差积累小、固有频率高等优点,可分别实现X、Y、Z三个坐标的平动和绕X、Y、Z三个坐标轴的摆动,但由于其运动是由多条运动支链连接耦合的,因此其控制计算量大、难度高,另外这种结构制造要求高,成本也相对较大。另一类是将相似结构的一维或二维的运动平台组装起来的串联结构,这类结构尽量使每维运动间互不耦合,简化了模型建立和运动控制问题,但是由于同一结构中基本上是同一种类型的压电驱动器,平台的互相叠加组装使得实现微操作器的微小型化变得困难。并且在大多数的微操作臂中转动自由度都是通过摆动来实现的,造成转动运动的控制比较复杂,运动精度也相对较低。
发明内容
针对目前的微操作器在实现多自由度运动、高精度定位驱动控制、微小型化等方面存在的一系列问题,本发明的目的在于提供一种由多极化方式压电驱动器驱动的多自由度微操作器,利用不同极化方式的压电驱动器可产生不同的变形驱动机理,并吸取现有微操作器的结构优点,在不同极化方式压电驱动器的驱动下,实现微操作器的多自由度、高精度的运动控制,并实现微操作器的小型化,同时提高微操作器的运动控制精度和操作效率。
本发明采用的技术方案是:
本发明包括基座,两个结构相同的Z轴平动微动机构,嵌套的X、Y轴平动微动机构,Z轴转动微动机构和末端执行机构;两个结构相同的Z轴平动微动机构对称垂直的固定在基座的两侧,嵌套的X、Y轴平动微动机构的两端分别与各自的Z轴平动微动机构相连,Z轴转动微动机构通过其下部法兰与嵌套的X、Y轴微动机构中的X向运动台相连,末端执行机构通过其安装法兰与Z轴转动微动机构上部法兰相连。
所述的两个结构相同的Z轴平动微动机构均为矩形金属块,在矩形金属块上部的两侧对称的开有三组矩形槽,其中下部矩形槽的上面两个角开有两个向上凸出的乳状直通槽,上部矩形槽的上端开到矩形金属块的顶端,上部矩形槽下面两个角开有两个向下凸出的乳状直通槽,中部矩形槽的四个角均开有对称的向外凸出的乳状直通槽,并分别与上、下两个矩形槽的乳状直通槽相对应;形成 8个Z向柔性铰链、4个Z向柔性铰链臂和Z向运动台,在矩形金属块的底部中心开有安装压电驱动器矩形凹槽,基于压电应变常数d33的Z向压电驱动器安装在底部凹槽中,并用底部预紧螺钉预紧。
所述的嵌套的X、Y轴平动微动机构为矩形的金属块,在金属块的上、下两侧的中部分别开有相向布置的对称的敞框形直通槽,所述的两个敞框形直通槽的两短边分别开有两个向内凸出的乳状直通槽,在矩形金属块水平方向上的一侧开有长直通槽,长直通槽上、下两端分别开有两组向外凸出的乳状直通槽,分别与所述的两个敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应,在矩形金属块水平方向的另外一侧对称的开有两个短直槽,两个短直槽上分别开有两个向外凸出的乳状直通槽,分别与所述的两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应,形成 8个Y向柔性铰链、4个Y向柔性铰链臂和Y向运动台,所述的两个短直槽的中间还开有用于安装Y向压电驱动器的矩形通槽,基于压电应变常数d33的Y向压电驱动器安装在此所述的矩形通槽中,并用装在同侧外部的预紧螺钉预紧;Y向运动台的左、右两侧的中部分别开有相向布置的对称的敞框形直通槽,两个敞框形直通槽的两短边分别有两个向内凸出的乳状直通槽,在Y向运动台竖直方向上的一侧开有长直通槽,长直通槽的左右两侧分别开有两组向外凸出的乳状直通槽,分别与所述的两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应,在Y向运动台竖直方向的另一侧对称的开有两个短直槽,两个短直槽上分别开有两个向外凸出的乳状直通槽,分别与所述的两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应,形成 8个X柔性铰链、4个X向柔性铰链臂和X向运动台,所述的两个短直槽的中间开有用于安装X向压电驱动器的矩形通槽,基于压电应变常数d33的X向压电驱动器安装在所述的矩形通槽中,并用装在同侧外部的预紧螺钉预紧。
所述的Z轴转动微动机构由上下两个安装法兰、扭转臂和压电扭转驱动器组成,扭转臂为中空的圆管状结构,其外表面粘贴压一个以上的压电扭转驱动器,扭转臂的两个端部设有上下安装法兰,压电扭转驱动器由偶数块相同的基于压电应变常数d15的扇形压电陶瓷块粘接而成,各个压电扇块均采用轴向极化方式,在拼装时相邻的扇形压电陶瓷块极化方向相反,扇形压电陶瓷块内侧采用环氧树脂与扭转臂外表面相粘接,扇形压电陶瓷块之间采用导电环氧胶粘接,形成压电扭转驱动器。
所述的末端执行机构为压电双晶片微夹持器或微注射探针,其中压电双晶片微夹持器由基于压电应变常数d31的双晶片压电悬臂梁和安装法兰组成,压电悬臂梁的一端设有安装法兰;微注射探针由安装法兰和前端磨细的细长的中空管组成,细长中空管的末端设有安装法兰。
本发明具有的有益效果是:
1. 在不同的控制器和压电驱动电源作用下,可以实现X、Y、Z三维平动,绕Z轴转动,绕X轴摆动五个自由度的高精度微动;尤其是通过压电扭转驱动器的扭转变形驱动实现了微操作器的高精度扭转微动。
2. 采用不同极化方式的压电驱动器进行驱动,充分利用了不同极化方式的压电驱动器的驱动能力,实现了微操作器的微小型化。
3. 通过两个末端执行机构的配合使用,可以完成夹持、搬运、探刺以及注射等操作,可用于多种操作任务,适用范围广泛。
4. 实现了多个自由度的相互解耦驱动控制,驱动控制简单,可操控性好,运动精度高。
本发明可以应用于生物医学工程中的细胞操作、基因转移、染色体切割,物质注射与提取以及微机电工程中的微机械精密加工、微装配、微型机器人等领域。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是Z轴平动微动机构的结构示意图。
图3是一个Z轴平动微动机构的剖视图。
图4是另一个Z轴平动微动机构的剖视图。
图5是嵌套的X、Y轴平动微动机构的结构示意图。
图6是Z轴转动微动机构的结构示意图。
图7是压电双晶片微夹持器的结构示意图。
图8是微注射探针的结构示意图。
图9是一种本发明微操作器在进行细胞药物注射时的工作图。
图中:1. 基座,2. Z轴平动微动机构,3. Z轴平动微动机构,4. 嵌套的X、Y轴平动微动机构,5. Z轴转动微动机构,6. 压电双晶片微夹持器,7. 微注射探针,8、10、11、15、17、18、22、23、29. 各部件之间联接螺栓的安装孔,9和16、25、30. Z、X、Y三向压电驱动器预紧螺栓安装孔,13和20、31、32. Z、X、Y三向柔性铰链和柔性铰链臂,12和19、27、24. Z、X、Y三向运动台,14和21、26、28. Z、X、Y三向的压电驱动器, 33、36. Z轴转动微动机构的上下安装法兰,34. 压电扭转驱动器,35. 扭转臂,37. 细胞培养板,38. 三维微位移平台。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的描述。
如图1所示,本发明包括基座1,两个结构相同的Z轴平动微动机构2和3,嵌套的X、Y轴平动微动机构4,Z轴转动微动机构5和末端执行机构,两个结构相同的Z轴平动微动机构2和3通过两组孔8和10,15和17对称垂直的固定在基座1的两侧,嵌套的X、Y轴平动微动机构4的两端通过两组孔22和29分别与两个Z轴平动微动机构2和3相连,Z轴转动微动机构5通过其下部法兰33上的一组环状均布孔与嵌套的X、Y轴微动机构4中的X向运动台27相连,末端执行机构通过其安装法兰与Z轴转动微动机构5上对应的安装孔36相连。
如图2、3、4所示,所述的两个结构相同的Z轴平动微动机构2和3均为矩形金属块,在矩形金属块上部的两侧对称的开有三组矩形槽,其中下部矩形槽的上面两个角开有两个向上凸出的乳状直通槽,上部矩形槽的上端开到矩形金属块的顶端,上部矩形槽下面两个角开有两个向下凸出的乳状直通槽,中部矩形槽的四个角均开有对称的向外凸出的乳状直通槽,并分别与上、下两个矩形槽的乳状直通槽相对应;形成 8个Z向柔性铰链、4个Z向柔性铰链臂13和20及Z向运动台12和19,螺孔8和10、15和17分别用于Z轴平动微动机构2和3与基座1相连,另外两组螺孔11和18分别用于Z轴平动微动机构2和3与嵌套的X、Y轴平动微动机构4相连,在矩形金属块的底部中心开有安装压电驱动器矩形凹槽,基于压电应变常数d33的Z向压电驱动器14和21安装在底部凹槽中,并分别用底部预紧螺孔9和16中的预紧螺钉进行预紧。
如图5所示,所述的嵌套的X、Y轴平动微动机构4为矩形的金属块,在金属块的上、下两侧的中部分别开有相向布置的对称的敞框形直通槽,所述的两个敞框形直通槽的两短边分别开有两个向内凸出的乳状直通槽,在矩形金属块水平方向上的一侧开有长直通槽,长直通槽上、下两端分别开有两组向外凸出的乳状直通槽,分别与所述的两个敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应,在矩形金属块水平方向的另一侧对称的开有两个短直槽,两个短直槽上分别开有两个向外凸出的乳状直通槽,分别与所述的两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应,形成 8个Y向柔性铰链、4个Y向柔性铰链臂32和Y向运动台24,所述的两个短直槽的中间还开有用于安装Y向压电驱动器28的矩形通槽,基于压电应变常数d33的Y向压电驱动器28安装在此所述的矩形通槽中,并用装在同侧外部的预紧螺孔30中的预紧螺钉进行预紧;Y向运动台24的左、右两侧的中部分别开有相向布置的对称的敞框形直通槽,两个敞框形直通槽的两短边分别有两个向内凸出的乳状直通槽,在Y向运动台竖直方向上的一侧开有长直通槽,长直通槽的左右两侧分别开有两组向外凸出的乳状直通槽,分别与所述的两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应,在Y向运动台竖直方向的另一侧对称的开有两个短直槽,两个短直槽上分别开有两个向外凸出的乳状直通槽,分别与所述的两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应,形成 8个X柔性铰链、4个X向柔性铰链臂31和X向运动台27,所述的两个短直槽的中间开有用于安装X向压电驱动器的矩形通槽,基于压电应变常数d33的X向压电驱动器26安装在所述的矩形通槽中,并用装在同侧外部的预紧螺孔25中的预紧螺钉进行预紧,嵌套的X、Y轴平动微动机构4的两组沉孔22和29用于和Z轴平动微动机构2和3相连,另外一组环状均布孔23用于和Z轴转动微动机构5相连。
嵌套的X、Y轴微动机构4中的X、Y向压电驱动器26和28以及Z向平动微动机构2和3中的压电驱动器14和21都是基于压电应变常数d33的压电叠堆,在驱动电压作用下,压电驱动器将产生伸缩变形,位移输出通过拧紧各自的预紧螺栓紧靠在相应的柔性铰链臂上,通过柔性铰链和柔性铰链臂的导向和放大作用,驱动微操作器实现高精度的X、Y、Z三维平动运动。
如图6所示,Z轴转动微动机构5包括下安装法兰33,一组压电扭转驱动器34,扭转臂35和上安装法兰36,其中扭转臂35为中空的圆管状结构,其外表面粘贴压一个以上的压电扭转驱动器34,扭转臂35的两个端部设有上下安装法兰33和36,压电扭转驱动器34由偶数块相同的基于压电应变常数d15的扇形压电陶瓷块粘接而成,各个压电扇块均采用轴向极化方式,在拼装时相邻的扇形压电陶瓷块极化方向相反,扇形压电陶瓷块内侧采用环氧树脂与扭转臂外表面相粘接,块与块之间采用导电环氧胶粘接,形成压电扭转驱动器34,压电扭转驱动器34的数目和粘贴位置根据实际扭转角度需要可进行调整,在驱动电压作用下,压电扭转驱动器34将产生扭转运动,从而驱动微操作器实现高精度的绕Z轴转动。
如图7和8所示,所述的末端执行机构为压电双晶片微夹持器6或微注射探针7,其中压电双晶片微夹持器6由基于压电应变常数d31的双晶片压电悬臂梁和安装法兰组成,压电悬臂梁的一端设有安装法兰;微注射探针7由安装法兰和前端磨细的细长的中空管组成,细长中空管的末端设有安装法兰。需要指出的是,压电双晶片微夹持器6和微注射探针7的安装法兰的安装结构尺寸完全相同,可以根据实际操作任务的不同,进行更换使用。
本发明的由多极化方式压电驱动器驱动的多自由度微操作器,对X轴压电驱动器施加驱动电压,可实现微操作器X轴的高精度平动运动;对Y轴压电驱动器施加驱动电压,可实现微操作器Y轴的高精度平动运动;对两个Z轴压电驱动器施加相同的驱动电压,可实现微操作器Z轴的高精度平动运动;对扭转驱动器施加驱动电压,可以实现微操作器绕Z轴的高精度转动运动;对两个Z轴压电驱动器施加不同的驱动电压,可以实现微操作器绕X轴高精度的摆动。在不同的控制器和压电驱动电源作用下,微操作器可以独立实现X、Y、Z三维平动,绕Z轴转动,绕X轴摆动五个自由度的高精度微动,通过使用压电双晶片微夹持器和微注射探针两种不同的末端执行机构,可以完成夹持、搬运、探刺以及注射等操作。
下面是一个本发明的具体应用实例:
在生物医学领域,有时候需要对生物细胞进行药物注射,观察生物细胞对不同注射药物的各异反应,并且常常要进行多组试验,这种情况一般都是在一个细胞培养板上进行试验,一个细胞培养板上有多个细胞培养井,每个细胞培养井中的细胞液完全相同,以便进行对照实现。为了实现多次的细胞药物注射任务,采用我们发明的由多极化方式压电驱动器驱动的高精度多自由度微操作器进行实验,这时候的末端执行臂为微注射探针,并将微操作器安装在一个三维微位移平台上,安装好的整个微操作器系统的结构示意图如图9所示,具体的工作过程如下:在初始状态下,Z向压电驱动器14、21,X向压电驱动器26以及Y向压电驱动器28的输出位移均为零,通过拧紧在预紧螺孔9、16、25、30中的预紧螺栓,可以调节Z、X、Y三轴方向上的压电驱动器的初始驱动力。首先通过操控三维微位移平台移动微操作器,使要进行药物注射的细胞培养井位于微操作器的高精度移动范围之内,然后对微操作器的Z向压电驱动器14、21施加相同的驱动电压,分别对X向压电驱动器26、Y向压电驱动器28施加相应的驱动电压,压电驱动器的伸缩变形通过柔性铰链和柔性铰链臂进行传递放大,从而驱动微操作器实现X、Y、Z三向高精度的平动微动,使末端微注射探针达到注射位置,在进行药物注射的时候,由于细胞的细胞壁较难刺入,可以对微操作器的压电扭转驱动器34施加一定的驱动电压,压电扭转驱动器产生扭转变形,带动扭转臂35驱动末端微注射探针7产生绕Z轴的旋转运动,从而便于顺利的刺入细胞内,有时为了调整细胞刺入的角度和位置,对Z向压电驱动器14、21施加不同的驱动电压,由于两个压电驱动器的变形量不一致,从而驱动末端微注射探针7产生绕X轴的摆动,达到了改变刺入角度和位置的目的,完成了一个细胞培养井的细胞药物注射。再次操控三维微位移平台移动微操作器到下一个细胞培养井的位置,重复以上操作,直至完成药物注射实验。
Claims (5)
1.一种由多极化方式压电驱动器驱动的多自由度微操作器,其特征在于:包括基座(1),两个结构相同的Z轴平动微动机构(2、3),嵌套的X、Y轴平动微动机构(4),Z轴转动微动机构(5)和末端执行机构;两个结构相同的Z轴平动微动机构(2、3)对称垂直的固定在基座(1)的两侧,嵌套的X、Y轴平动微动机构(4)的两端分别与各自的Z轴平动微动机构(2、3)相连,Z轴转动微动机构(5)通过其下部法兰(33)与嵌套的X、Y轴微动机构(4)中的X向运动台(27)相连,末端执行机构通过其安装法兰与Z轴转动微动机构(5)的上部法兰(36)相连。
2.根据权利要求1所述的一种由多极化方式压电驱动器驱动的多自由度微操作器,其特征在于:所述的两个结构相同的Z轴平动微动机构(2、3)均为矩形金属块,在矩形金属块上部的两侧对称的开有三组矩形槽,其中下部矩形槽的上面两个角开有两个向上凸出的乳状直通槽,上部矩形槽的上端开到矩形金属块的顶端,上部矩形槽下面两个角开有两个向下凸出的乳状直通槽,中部矩形槽的四个角均开有对称的向外凸出的乳状直通槽,并分别与上、下两个矩形槽的乳状直通槽相对应;形成 8个Z向柔性铰链、4个Z向柔性铰链臂和Z向运动台,在矩形金属块的底部中心开有安装压电驱动器的矩形凹槽,基于压电应变常数d33的Z向压电驱动器安装在底部凹槽中,并用底部预紧螺钉预紧。
3.根据权利要求1所述的一种由多极化方式压电驱动器驱动的多自由度微操作器,其特征在于:所述的嵌套的X、Y轴平动微动机构(4)为矩形金属块,在金属块的上、下两侧的中部分别开有相向布置的对称的敞框形直通槽,所述的两个敞框形直通槽的两短边分别开有两个向内凸出的乳状直通槽,在矩形金属块水平方向上的一侧开有长直通槽,长直通槽上、下两端分别开有两组向外凸出的乳状直通槽,分别与所述的两个敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应,在矩形金属块水平方向的另一侧对称的开有两个短直槽,两个短直槽上分别开有两个向外凸出的乳状直通槽,分别与所述的两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应,形成 8个Y向柔性铰链、4个Y向柔性铰链臂和Y向运动台(24),所述的两个短直槽的中间还开有用于安装Y向压电驱动器的矩形通槽,基于压电应变常数d33的Y向压电驱动器(28)安装在此所述的矩形通槽中,并用装在同侧外部的预紧螺钉预紧;Y向运动台的左、右两侧的中部分别开有相向布置的对称的敞框形直通槽,两个敞框形直通槽的两短边分别有两个向内凸出的乳状直通槽,在Y向运动台竖直方向上的一侧开有长直通槽,长直通槽的左右两侧分别开有两组向外的乳状直通槽,分别与所述的两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应,在Y向运动台竖直方向的另一侧对称的开有两个短直槽,两个短直槽上分别开有两个向外凸出的乳状直通槽,分别与所述的两敞框形直通槽两短边的两个向内凸出的乳状直通槽相对应,形成 8个X柔性铰链、4个X向柔性铰链臂和X向运动台,所述的两个短直槽的中间开有用于安装X向压电驱动器的矩形通槽,基于压电应变常数d33的X向压电驱动器(26)安装在所述的矩形通槽中,并用装在同侧外部的预紧螺钉预紧。
4.根据权利要求1所述的一种由多极化方式压电驱动器驱动的多自由度微操作器,其特征在于:所述的Z轴转动微动机构(5)由上下两个安装法兰(33,36)、扭转臂(35)和压电扭转驱动器(34)组成,扭转臂(35)为中空的圆管状结构,其外表面粘贴压一个以上的压电扭转驱动器,扭转臂的两个端部设有上下安装法兰(33,36),压电扭转驱动器(34)由偶数块相同的基于压电应变常数d15的扇形压电陶瓷块粘接而成,各个压电扇块均采用轴向极化方式,在拼装时相邻的扇形压电陶瓷块极化方向相反,扇形压电陶瓷块内侧采用环氧树脂与扭转臂(35)外表面相粘接,扇形压电陶瓷块之间采用导电环氧胶粘接,形成压电扭转驱动器(34)。
5.根据权利要求1所述的一种由多极化方式压电驱动器驱动的多自由度微操作器,其特征在于:所述的末端执行机构为压电双晶片微夹持器(6)或微注射探针(7),其中压电双晶片微夹持器(6)由基于压电应变常数d31的双晶片压电悬臂梁和安装法兰组成,压电悬臂梁的一端设有安装法兰;微注射探针(7)由安装法兰和前端磨细的细长的中空管组成,细长中空管的末端设有安装法兰。
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