CN104647347A - 基于柔性铰链放大的压电微夹钳 - Google Patents

Abstract

基于柔性铰链放大的压电微夹钳，包括基座，机架，压电叠堆驱动器，预紧螺钉，运动传递机构，一对夹持臂和夹头，运动传递机构将压电叠堆驱动器的形变转换为夹头的位移；机架上有立柱，压电叠堆驱动器位于两个立柱之间；运动传递机构包括一对双摇杆机构和一对杠杆支臂，双摇杆机构的主动摇杆一端与立柱铰接，另一端与连杆铰接，主动摇杆具有延伸段，主动摇杆的延伸段靠在压电叠堆驱动器上，压电叠堆驱动器的形变作为双摇杆机构的驱动力；主动摇杆的延伸段上贴有位置检测应变片；夹持臂上设有夹持力检测应变片。本发明具有能够既能实现微夹钳末端的大行程，又能集成对微夹钳末端的夹持力和位置检测的优点。

Description

基于柔性铰链放大的压电微夹钳

技术领域

本发明涉及一种压电叠堆驱动的微夹钳。

技术背景

作为微机电系统的关键组成部分，微夹钳是沟通宏观与微观世界的基本工具，微夹钳可以实现拾起、夹持和释放等操作，因而广泛应用于微装配、生物医学、航空航天和军事等领域。 

与静电梳齿驱动、电热驱动和形状记忆合金驱动等相比，压电叠堆驱动具有分辨率高、驱动力大、频响范围宽、响应速度快和动态特性好等优点，因而特别适合用于驱动微夹钳。在微装配技术领域，经常需要使用微夹钳对微纳米级别到毫米级别的不规则而又易碎的微小零件进行操作，因此，微夹钳应该具有大行程和高分辨率，此外，为了避免损伤微小零件并进行高精度的装配，需要对微夹钳的夹持力和位置进行在线监测，并进行反馈控制。

中国专利申请201310231678.6披露了一种基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳，该微夹钳包括有基座、预紧螺钉、运动传递机构，第一固定螺钉、第二固定螺钉、压电陶瓷驱动器和垫片；基座与运动传递机构通过第一固定螺钉和第二固定螺钉固定安装，预紧螺钉安装在运动传递机构的后端，压电陶瓷驱动器和垫片安装在运动传递机构的第一切缝内；运动传递机构包含两级放大机构，第一级放大机构包括左第一刚性梁和右第一刚性梁，左第一刚性梁和右第一刚性梁分别通过各自的横梁与夹头连接；第二级放大机构包括感应压电陶瓷驱动器形变的中间刚性梁，分别铰接于中间刚性梁两端的左第二刚性梁和右第二刚性梁，与左第二刚性梁铰接的左第三刚性梁，与右第二刚性梁铰接的右第三刚性梁，左第三刚性梁和右第二刚性梁分别与基座铰接；第一级放大机构和第二级放大机构通过各自的柔性梁连接。左（右）第一刚性梁、左（右）柔性梁和左（右）第二刚性梁形成平行四边形，当压电陶瓷驱动装置拉伸形变时，左、右第二刚性梁收拢，通过各自的柔性梁使左、右第一刚性梁相互收拢，从而使夹头夹住微操作对象。这种微夹钳的缺点在于：1、左、右第二刚性梁通过将其两端的铰链错位设置，从而使第二刚性梁形成杠杆，但是第二刚性梁形成的杠杆支点位置不明确，其放大效果不明显且不确定。2、通过左、右柔性梁将左、右刚性梁的运动传递到左、右第一刚性梁，而柔性梁的形变可能吸收到部分放大位移，导致压电陶瓷驱动器的形变量与夹头的位移量无法得出直接关系，因此还要采用视觉检测、激光传感器检测或者电容检测等方法来检测夹头的夹持力和位置，检测成本较高，也难以集成到微操作系统中去。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种能够既能实现微夹钳末端的大行程，又能集成对微夹钳末端的夹持力和位置检测的基于柔性铰链放大的压电微夹钳。

基于柔性铰链放大的压电微夹钳，包括基座，固定在基座上的机架，机架上安装有压电叠堆驱动器，压电叠堆驱动器的预紧螺钉，运动传递机构，一对夹持臂和安装于夹持臂头端的夹头，运动传递机构将压电叠堆驱动器的形变转换为夹头的位移；其特征在于：机架上有一对对称设置的立柱，压电叠堆驱动器位于两个立柱之间；运动传递机构包括在压电叠堆驱动器两侧对称设置的一对双摇杆机构和一对杠杆支臂，双摇杆机构的主动摇杆一端与立柱铰接，另一端与连杆铰接，主动摇杆具有延伸段，主动摇杆的延伸段靠在压电叠堆驱动器上，压电叠堆驱动器的形变作为双摇杆机构的驱动力；双摇杆机构的被动摇杆一端与立柱铰接，另一端与连杆铰接；双摇杆机构的连杆具有延伸段，连杆延伸段与杠杆支臂的一端铰接，杠杆支臂的另一端与夹持臂固定，杠杆支臂与机架铰接，杠杆支臂与机架的铰接点作为杠杆支臂的转动支点；主动摇杆的延伸段上贴有位置检测应变片，位置检测应变片的输出电压                                               ，y为夹头的位移，k为比例系数；夹持臂上设有夹持力检测应变片，夹持力检测应变片的输出电压，F为夹持臂上的夹持力，K为比例系数。

本发明在使用前，需要先校准获得比例系数k。具体做法是：先用激光传感器检测出当前夹头的位移，位置检测应变片的输出电压，即可得到。

获得比例系数K的做法是：将夹持臂水平放置，然后找一个已知质量为m的物体悬挂在夹持臂末端，此时，施加在夹持臂上的力，获取此时夹持力检测应变片的输出电压，即可得到。

进一步，机架、双摇杆机构和杠杆支臂经线切割获得，两个立柱和主动摇杆的延伸段之间为第一切割缝隙，第一切割区域与压电叠堆驱动器间隙配合，两个主动摇杆的延伸段之间有间隙，压电叠堆驱动器通过预紧螺钉与两个主动摇杆的延伸段接触；立柱、主动摇杆、被动摇杆围成的区域为第二切割缝隙；立柱、被动摇杆、连杆、连杆的延伸段、杠杆支臂与机架的铰链和机架围成的区域为第三切割缝隙；杠杆支臂和连杆、主动摇杆之间的区域为第四切割缝隙；被动摇杆与立柱的铰链、被动摇杆与连杆的铰链、主动摇杆与连杆的铰链、主动摇杆与立柱的铰链、连杆的延伸段与杠杆支臂的铰链和杠杆支臂与机架的铰链均为双切口柔性铰链。

进一步，主动摇杆的延伸段尺寸小于主动摇杆不含延伸段部分的尺寸，连杆的延伸段尺寸大于连杆不含延伸段部分的尺寸。

进一步，主动摇杆外露的端面开设有凹槽，位置检测应变片粘接固定于该凹槽内。

进一步，连杆呈L形，连杆与杠杆支臂平行的部分为连杆的延伸段。

进一步，杠杆支臂呈L形。

进一步，位置检测应变片和夹持力检测应变片分别组成桥接电路，并通过应变放大器放大后，由A/D口通过PCI板卡传输到工控机上，工控机计算获得夹头的位移和夹持力。

进一步，基座包括宏动平台和微动平台，机架固定于微动平台上，宏动平台以毫米/厘米级移动，微动平台以微米/纳米级移动。

进一步，夹头与夹持臂通过胶粘或者焊接固联，夹头具有与夹持臂接触的安装部和夹持微操作对象的摩擦纹。

本发明在使用时，先使宏动平台和微动平台移动到微操作对象的初始位置，再对压电叠堆驱动器施加通过功率放大器放大后的电压，压电叠堆驱动器伸长，压电叠堆驱动器将主动摇杆的延伸段向外推，主动摇杆以其与立柱的铰链为支点、使主动摇杆的另一端向内摆动；在连杆与主动摇杆的铰链的作用下，连杆的一端也向内运动，连杆以其与被动摇杆的铰链为支点、使连杆的延伸段向外摆动；在连杆与杠杆支臂的铰链的作用下，杠杆支臂以其与机架的铰链为支点，向靠近另一个杠杆支臂的方向摆动，夹头夹紧微操作对象。

由此可知，主动摇杆作为第一个杠杆，当主动摇杆的延伸段尺寸小于主动摇杆不含延伸段部分的尺寸时，对压电叠堆驱动器的形变量进行第一次放大；连杆作为第二个杠杆，当连杆的延伸段尺寸大于连杆不含延伸段部分的尺寸时，对压电叠堆驱动器的形变量进行第二次放大；杠杆支臂作为第三个杠杆，对压电叠堆驱动器的形变量进行第三次放大。而主动摇杆、连杆和杠杆支臂均为刚性件，因此他们对压电叠堆驱动器的形变量是成比例的放大，通过初始化校准即可获得压电叠堆驱动器输出的形变量与夹头的实际位移之间的比例系数。将比例系数预存于工控机内，即可实现实施检测夹头位移的目的了。对于夹持力，也同理可得。

当压电叠堆驱动器失去电压时，主动摇杆、连杆和杠杆支臂复位，夹头松开。

本发明的优点在于：1. 通过双摇杆机构和杠杆支臂实现对压电叠堆驱动器的输出位移的两级三次放大，使得微夹钳具有大的行程。

2. 放大机构采用柔性铰链，并通过线切割加工而成，整个柔性铰链放大机构为一个整体，具有体积小、无机械摩擦、导向精度高、加工精度易于保证和不需要装配的优点。

3. 集成了位置和夹持力检测，便于对微小易碎零件或者细胞等进行微操作。

4. 通过与宏动平台和微动平台的配合使用，可以完成夹持、搬运以及释放等操作，应用范围较广。

5. 重量轻、操作方便，适用于微操作机器人系统和微机电系统。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

      图2是柔性铰链放大机构结构示意图。

      图3是柔性铰链放大机构运动示意图。

      图4是本发明控制结构示意图。

图5是夹头结构示意图。

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明：

如图1所示，基于柔性铰链放大的压电微夹钳，包括基座，固定在基座上的机架31，机架31上安装有压电叠堆驱动器2，压电叠堆驱动器2的预紧螺钉1，运动传递机构，一对夹持臂35和安装于夹持臂35头端的夹头，运动传递机构将压电叠堆驱动器2的形变转换为夹头4的位移；机架31上有一对对称设置的立柱331，压电叠堆驱动器2位于两个立柱331之间；运动传递机构包括在压电叠堆驱动器2两侧对称设置的一对双摇杆机构和一对杠杆支臂36，双摇杆机构的主动摇杆34一端与立柱331铰接，另一端与连杆33铰接，主动摇杆34具有延伸段，主动摇杆34的延伸段靠在压电叠堆驱动器2上，压电叠堆驱动器2的形变作为双摇杆机构的驱动力；双摇杆机构的被动摇杆32一端与立柱331铰接，另一端与连杆33铰接；双摇杆机构的连杆33具有延伸段，连杆33延伸段与杠杆支臂36的一端铰接，杠杆支臂36的另一端与夹持臂35固定，杠杆支臂36与机架31铰接，杠杆支臂36与机架31的铰接点作为杠杆支臂36的转动支点；主动摇杆34的延伸段上贴有位置检测应变片6，位置检测应变片6的输出电压，y为夹头4的位移，k为比例系数；夹持臂35上设有夹持力检测应变片5，夹持力检测应变片5的输出电压，F为夹持臂35上的夹持力，K为比例系数。

本发明在使用前，需要先校准获得比例系数k。具体做法是：先用激光传感器检测出当前夹头4的位移，位置检测应变片6的输出电压，即可得到。

获得比例系数K的做法是：将夹持臂35水平放置，然后找一个已知质量为m的物体悬挂在夹持臂35末端，此时，施加在夹持臂35上的力，获取此时夹持力检测应变片5的输出电压，即可得到。

如图2所示，机架31、双摇杆机构和杠杆支臂36经线切割获得，两个立柱331和主动摇杆34的延伸段之间为第一切割缝隙301，第一切割缝隙301与压电叠堆驱动器2间隙配合，两个主动摇杆34的延伸段之间有间隙，压电叠堆驱动器2通过预紧螺钉1与两个主动摇杆34的延伸段接触；立柱331、主动摇杆34、被动摇杆32围成的区域为第二切割缝隙302；立柱331、被动摇杆32、连杆33、连杆33的延伸段、杠杆支臂36与机架31的铰链和机架31围成的区域为第三切割缝隙303；杠杆支臂36和连杆33、主动摇杆34之间的区域为第四切割缝隙304；被动摇杆32与立柱331的铰链A、被动摇杆32与连杆33的铰链B、主动摇杆34与连杆33的铰链C、主动摇杆34与立柱331的铰链D、连杆33的延伸段与杠杆支臂36的铰链E和杠杆支臂36与机架31的铰链F均为双切口柔性铰链。

主动摇杆34的延伸段尺寸小于主动摇杆34不含延伸段部分的尺寸，连杆33的延伸段尺寸大于连杆33不含延伸段部分的尺寸。

主动摇杆34外露的端面开设有凹槽341，位置检测应变片6粘接固定于该凹槽341内。

连杆33呈L形，连杆33与杠杆支臂36平行的部分为连杆33的延伸段。

杠杆支臂36呈L形。

基座包括宏动平台8和微动平台7，机架31固定于微动平台7上，宏动平台8以毫米/厘米级移动，微动平台7以微米/纳米级移动。

本发明在使用时，如图3所示，先使宏动平台8和微动平台7移动到微操作对象的初始位置，再对压电叠堆驱动器2施加通过功率放大器放大后的电压，压电叠堆驱动器2伸长，压电叠堆驱动器2将主动摇杆34的延伸段向外推，主动摇杆34以其与立柱331的铰链为支点、使主动摇杆34的另一端向内摆动；在连杆33与主动摇杆34的铰链的作用下，连杆33的一端也向内运动，连杆33以其与被动摇杆32的铰链为支点、使连杆33的延伸段向外摆动；在连杆33与杠杆支臂36的铰链的作用下，杠杆支臂36以其与机架31的铰链为支点，向靠近另一个杠杆支臂36的方向摆动，夹头4夹紧微操作对象。

由此可知，主动摇杆34作为第一个杠杆，当主动摇杆34的延伸段尺寸小于主动摇杆34不含延伸段部分的尺寸时，对压电叠堆驱动器2的形变量进行第一次放大；连杆33作为第二个杠杆，当连杆33的延伸段尺寸大于连杆33不含延伸段部分的尺寸时，对压电叠堆驱动器2的形变量进行第二次放大；杠杆支臂36作为第三个杠杆，对压电叠堆驱动器2的形变量进行第三次放大。而主动摇杆34、连杆33和杠杆支臂36均为刚性件，因此他们对压电叠堆驱动器2的形变量是成比例的放大，通过初始化校准即可获得压电叠堆驱动器2输出的形变量与夹头4的实际位移之间的比例系数。将比例系数预存于工控机内，即可实现实施检测夹头4位移的目的了。对于夹持力，也同理可得。

当压电叠堆驱动器2失去电压时，主动摇杆34、连杆33和杠杆支臂36复位，夹头4松开。

位置检测应变片6和夹持力检测应变片5分别组成桥接电路，并通过应变放大器放大后，由A/D口通过PCI板卡传输到工控机上，工控机计算获得夹头4的位移和夹持力，从而实现对微夹钳位置和夹持力的检测，如图4所示。

夹头4与夹持臂35通过胶粘或者焊接固联，夹头4具有与夹持臂35接触的安装部41和夹持微操作对象的摩擦纹42，如图5所示。摩擦纹42能增大夹头与微操作对象之间的摩擦力。摩擦纹42呈锯齿状，或者滚花。

相对于杠杆支臂36，夹持臂35为柔性臂，可以绕杠杆支臂36做小范围转动。

本发明的优点在于：

1. 通过双摇杆机构和杠杆支臂实现对压电叠堆驱动器的输出位移的两级三次放大，使得微夹钳具有大的行程。

2. 放大机构采用柔性铰链，并通过线切割加工而成，整个柔性铰链放大机构为一个整体，具有体积小、无机械摩擦、导向精度高、加工精度易于保证和不需要装配的优点。

3. 集成了位置和夹持力检测，便于对微小易碎零件或者细胞等进行微操作。

4. 通过与宏动平台和微动平台的配合使用，可以完成夹持、搬运以及释放等操作，应用范围较广。

5. 重量轻、操作方便，适用于微操作机器人系统和微机电系统。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.基于柔性铰链放大的压电微夹钳，包括基座，固定在基座上的机架，机架上安装有压电叠堆驱动器，压电叠堆驱动器的预紧螺钉，运动传递机构，一对夹持臂和安装于夹持臂头端的夹头，运动传递机构将压电叠堆驱动器的形变转换为夹头的位移；其特征在于：机架上有一对对称设置的立柱，压电叠堆驱动器位于两个立柱之间；运动传递机构包括在压电叠堆驱动器两侧对称设置的一对双摇杆机构和一对杠杆支臂，双摇杆机构的主动摇杆一端与立柱铰接，另一端与连杆铰接，主动摇杆具有延伸段，主动摇杆的延伸段靠在压电叠堆驱动器上，压电叠堆驱动器的形变作为双摇杆机构的驱动力；双摇杆机构的被动摇杆一端与立柱铰接，另一端与连杆铰接；双摇杆机构的连杆具有延伸段，连杆延伸段与杠杆支臂的一端铰接，杠杆支臂的另一端与夹持臂固定，杠杆支臂与机架铰接，杠杆支臂与机架的铰接点作为杠杆支臂的转动支点；主动摇杆的延伸段上贴有位置检测应变片，位置检测应变片的输出电压                                               ，y为夹头的位移，k为比例系数；夹持臂上设有夹持力检测应变片，夹持力检测应变片的输出电压，F为夹持臂上的夹持力，K为比例系数。

2.如权利要求1所述的基于柔性铰链放大的压电微夹钳，其特征在于：主动摇杆的延伸段尺寸小于主动摇杆不含延伸段部分的尺寸，连杆的延伸段尺寸大于连杆不含延伸段部分的尺寸。

3.如权利要求2所述的基于柔性铰链放大的压电微夹钳，其特征在于：机架、双摇杆机构和杠杆支臂经线切割获得，两个立柱和主动摇杆的延伸段之间为第一切割缝隙，第一切割区域与压电叠堆驱动器间隙配合，两个主动摇杆的延伸段之间有间隙，压电叠堆驱动器通过预紧螺钉与两个主动摇杆的延伸段接触；立柱、主动摇杆、被动摇杆围成的区域为第二切割缝隙；立柱、被动摇杆、连杆、连杆的延伸段、杠杆支臂与机架的铰链和机架围成的区域为第三切割缝隙；杠杆支臂和连杆、主动摇杆之间的区域为第四切割缝隙；被动摇杆与立柱的铰链、被动摇杆与连杆的铰链、主动摇杆与连杆的铰链、主动摇杆与立柱的铰链、连杆的延伸段与杠杆支臂的铰链和杠杆支臂与机架的铰链均为双切口柔性铰链。

4.如权利要求3所述的基于柔性铰链放大的压电微夹钳，其特征在于：主动摇杆外露的端面开设有凹槽，位置检测应变片粘接固定于该凹槽内。

5.如权利要求4所述的基于柔性铰链放大的压电微夹钳，其特征在于：连杆呈L形，连杆与杠杆支臂平行的部分为连杆的延伸段。

6.如权利要求5所述的基于柔性铰链放大的压电微夹钳，其特征在于：杠杆支臂呈L形。

7.如权利要求6所述的基于柔性铰链放大的压电微夹钳，其特征在于：位置检测应变片和夹持力检测应变片分别组成桥接电路，并通过应变放大器放大后，由A/D口通过PCI板卡传输到工控机上，工控机计算获得夹头的位移和夹持力。

8.如权利要求7所述的基于柔性铰链放大的压电微夹钳，其特征在于：基座包括宏动平台和微动平台，机架固定于微动平台上，宏动平台以毫米/厘米级移动，微动平台以微米/纳米级移动。

9.如权利要求8所述的基于柔性铰链放大的压电微夹钳，其特征在于：夹头与夹持臂通过胶粘或者焊接固联，夹头具有与夹持臂接触的安装部和夹持微操作对象的摩擦纹。