CN105500389A - 微纳机器人末端执行器自动更换装置 - Google Patents
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Abstract
一种微纳机器人末端执行器自动更换装置，其包括能进行三维运动的电动夹持器装置以及旋转定位装置，所述旋转定位装置上设有末端执行器，所述电动夹持器装置设有用以夹持末端执行器的夹持器。本发明能自动进行微纳机器人末端执行器的更换，通过对扫描电镜内部空间的合理利用，设计了放置末端执行器的高精度旋转定位装置，能在电镜的有限空间内及高真空环境下稳定工作，既可以用于放置不同功能的末端执行器，也可以用于回收废旧末端执行器。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，具体的涉及一种SEM中微纳机器人末端执行器自动更换装置。
背景技术
纳米技术是推动21世纪人类社会节能降耗、绿色环保、智能便捷和健康生活方向发展的重要科学技术。纳米操作技术在纳米材料的表征，由纳米材料组装搭建而成纳米器件的操作、加工、装配及测试中起着关键作用，目前已经成为纳米技术中的关键技术。扫描电子显微镜(SEM)是用于微观结构形态和化学成分表征检测和分析的最通用的工具之一。因其具有实时纳精度实时观测、高洁净，高真空度等优点，且能够提供充足的真空室空间，可集成多种检测装置和定位装置，因此基于SEM的微纳操作系统实现纳米对象的三维操作与装配是纳米操作领域未来的理想发展方向。
针对纳米器件的三维操作与装配，目前主要基于扫描电子显微镜(SEM)实时图像的高精度纳米操作机器人来完成。纳米材料的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间，要对纳米材料进行表征和操作则要求纳米操作机器人的末端执行器为极精密的探针如AFM探针等。但是受显微镜观测空间限制，纳米机器人系统的精密度与灵活度不足，视觉反馈与力反馈受操作条件的限制，阻碍了纳米机器人的实时控制与精确定位，操纵纳米机器人对纳米对象进行复杂操作时常常会造成末端执行器的损坏从而需要对末端执行器进行更换。
目前在SEM内部并没有搭建自动的微纳机器人末端执行器更换装置，所有的更换工作只能由人工完成。而SEM工作时内部样品室为真空环境，要对纳米操作机器人的末端执行器进行更换则需要打开SEM的样品仓，对末端执行器更换之后还需要对样品室进行抽真空之后才能继续进行相关实验和操作。这种人工更换末端执行器的方式会消耗操作者大量的时间，而且由于末端执行器前端针尖尺寸极小，人眼分辨较困难，在操作过程中稍有不慎或是工作人员操作不当可能会导致末端执行器的针尖在更换过程中受到损坏而使其报废。末端执行器一般为较精密的探针，相应的价格也较高。在更换过程中损坏探针也会造成资金和资源的损失。另外，频繁的开关仓门也会导致扫描电镜样品室内的真空度降低，对纳米材料的观测和操作造成影响。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种SEM中能自动更换的微纳机器人末端执行器更换装置，以克服上述缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微纳机器人末端执行器自动更换装置，该装置能够解决人工更换末端执行器的方式效率低且操作难度大等问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种微纳机器人末端执行器自动更换装置，其包括能进行三维运动的电动夹持器装置以及旋转定位装置，所述旋转定位装置上设有末端执行器，所述电动夹持器装置设有用以夹持末端执行器的夹持器。
优选的，在上述微纳机器人末端执行器自动更换装置中，所述电动夹持器装置包括X轴微动平台、Z轴微动平台以及Y轴微动平台，所述X、Y、Z轴三维微动平台均与夹持器连接，所述X、Y、Z轴三维微动平台能实现夹持器在X，Y，Z三个方向上的直线运动。
优选的，在上述微纳机器人末端执行器自动更换装置中，所述夹持器包括两个用以从两侧夹持末端执行器的夹持臂。
优选的，在上述微纳机器人末端执行器自动更换装置中，所述旋转定位装置包括圆盘转台以及控制圆盘转台转动的微型电动马达。
优选的，在上述微纳机器人末端执行器自动更换装置中，在所述圆盘转台上设有能放置不同型号末端执行器的若干个第一卡槽。
优选的，在上述微纳机器人末端执行器自动更换装置中，若干所述第一卡槽均匀分布于圆盘转台远离圆心的外边缘。
优选的，在上述微纳机器人末端执行器自动更换装置中，所述末端执行器嵌入在第一卡槽内。
优选的，在上述微纳机器人末端执行器自动更换装置中，所述末端执行器装入第一卡槽后将第一卡槽分隔形成两个分别位于末端执行器两侧的第二卡槽。
优选的，在上述微纳机器人末端执行器自动更换装置中，所述圆盘转台的直径范围在40mm-80mm之间。
从上述技术方案可以看出，本发明实施例通过对扫描电镜内部空间的合理利用，设计了放置末端执行器的高精度旋转定位装置，能在电镜的有限空间内及高真空环境下稳定工作，既可以用于放置不同功能的末端执行器，也可以用于回收废旧末端执行器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)扫描电镜真空中能自动进行微纳机器人末端执行器的更换；
(2)用于放置和回收末端执行器的旋转定位装置的设计；
(3)用于更换微纳机器人末端执行器的微型电动夹持器的设计，该微型电动夹持器，适用于不同功能，不同型号的末端执行器，可以通过控制端实现在在扫描电镜内自动更换微纳机器人末端执行器或进行废旧末端执行器的回收工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明微纳机器人末端执行器自动更换装置的立体示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为图1的侧视图。
图4为本发明微纳机器人末端执行器自动更换装置中旋转定位装置的示意图。
图5为本发明微纳机器人末端执行器自动更换装置中末端执行器的示意图。
图6为图5中A部位的放大图。
图7为本发明微纳机器人末端执行器自动更换装置中电动夹持器装置的示意图。
其中：1、电动夹持器装置；11、X轴微动平台；12、Z轴微动平台；13、Y轴微动平台；14、夹持器；15、夹持臂；2、样品台；3、旋转定位装置；31、圆盘转台；32、末端执行器；33、微型电动马达；34、第一卡槽；35、第二卡槽。
具体实施方式
本发明公开了一种微纳机器人末端执行器自动更换装置，该装置能够解决人工更换末端执行器的方式效率低且操作难度大等问题。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由于SEM样品室内部空间较小，又因为电镜的成像原理使得成像空间更加有限，因此要在有限的空间内实现样品观测的同时，能基于扫描电镜的实时图像反馈，在电镜的高真空环境下完成末端执行器的更换工作，这对装置的整体尺寸的设计和机构的运动精度有严格的要求。
如图1至图3所示，本发明所设计的一种在SEM中微纳机器人末端执行器的自动更换装置，其包括电动夹持器装置1、样品台2以及旋转定位装置3。整个装置的实际尺寸约为150mm×100mm×80mm。
如图3及7所示，所述电动夹持器装置1包括X轴微动平台、Z轴微动平台以及Y轴微动平台以及夹持器14，所述夹持器14用以夹持末端执行器32。所述X、Y、Z轴三维微动平台均与夹持器14连接，所述X、Y、Z轴三维微动平台能实现夹持器在X，Y，Z三个方向上的直线运动。所述夹持器14包括两个夹持臂15，该两个夹持臂15可以从两侧将末端执行器32夹持起来。
如图4所示，所述微型旋转定位装置3包括圆盘转台31、设于圆盘转台31上的末端执行器32以及控制圆盘转台31的微型电动马达33。所述圆盘转台31的直径范围在40mm-80mm之间。
如图4所示，在旋转定位装置3的圆盘转台31上设有若干个卡槽34能放置不同型号的末端执行器32。若干所述第一卡槽34均匀间隔分布于圆盘转台31远离圆心的外边缘。所述末端执行器32放置于第一卡槽34位置后将第一卡槽34分隔形成两个分别位于末端执行器两侧的第二卡槽35，该两个第二卡槽35可以方便夹持器14夹持末端执行器32。
从附图4可以看出，所述末端执行器32嵌入在第一卡槽34内，当然在本发明其他实施例中，末端执行器32可以没有嵌入在第一卡槽34内，即末端执行器32可以只是放在第一卡槽34的上表面，然后将第一卡槽34分隔成两个第二卡槽35，该两个第二卡槽35仍旧可以方便夹持器14从夹持末端执行器32，所以末端执行器32是否嵌入第一卡槽34可以根据实际情况选择。两个所述夹持臂15可以从两侧伸入第二卡槽35中将末端执行器32夹持起来。
如图5及图6所示，图5为某一型号末端执行器32，其大小为3.7mm×1.34mm×0.51mm。图6为末端执行器32的前端放大图像，并标注了相应的尺寸。由于纳米材料的尺寸极小，因此采用末端执行器32前端针尖在扫描电镜下对纳米材料进行三维操作。
本发明微纳机器人末端执行器的自动更换装置的工作流程为:
在微型电动转台的圆盘转台上设有若干个卡槽能放置不同型号的末端执行器，每个末端执行器将按照一定的顺序编码；当微纳米操作机器人的末端执行器需要更换时，会根据程序要求，在微型电动马达的驱动下，旋转定位装置将相应型号末端执行器旋转至微型夹持器的正下方。微型电动马达的精度极高，可使圆盘转台精确定位。X、Y、Z轴三维微动平台可以实现微型夹持器在X，Y，Z三个方向上的直线运动，微动平台能够在高真空状态下达到纳米级的运动精度，因此，在扫描电镜中微型电动夹持器可以实现对微纳操作机器人末端执行器进行稳定的三维操作。在旋转定位装置完成末端执行器的定位工作之后，夹持器可以自动将原先废旧的末端执行器取下，将其放置在圆盘转台相应的卡槽内，并拾取新的末端执行器，将其安装在微纳米机器人末端。安装完毕后，夹持器会自动退回到初始位置，至此完成整个末端执行器的更换操作。
本发明实施例通过对扫描电镜内部空间的合理利用，设计了放置末端执行器的高精度旋转定位装置，能在电镜的有限空间内及高真空环境下稳定工作，既可以用于放置不同功能的末端执行器，也可以用于回收废旧末端执行器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)扫描电镜真空中能自动进行微纳机器人末端执行器的更换；
(2)用于放置和回收末端执行器的旋转定位装置的设计；
(3)用于更换微纳机器人末端执行器的微型电动夹持器的设计，该微型电动夹持器，适用于不同功能，不同型号的末端执行器，可以通过控制端实现在在扫描电镜内自动更换微纳机器人末端执行器或进行废旧末端执行器的回收工作。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种微纳机器人末端执行器自动更换装置，其特征在于：其包括能进行三维运动的电动夹持器装置以及旋转定位装置，所述旋转定位装置上设有末端执行器，所述电动夹持器装置设有用以夹持末端执行器的夹持器。
2.根据权利要求1所述的微纳机器人末端执行器自动更换装置，其特征在于：所述电动夹持器装置包括X轴微动平台、Z轴微动平台以及Y轴微动平台，所述X、Y、Z轴三维微动平台均与夹持器连接，所述X、Y、Z轴三维微动平台能实现夹持器在X，Y，Z三个方向上的直线运动。
3.根据权利要求1所述的微纳机器人末端执行器自动更换装置，其特征在于：所述夹持器包括两个用以从两侧夹持末端执行器的夹持臂。
4.根据权利要求1所述的微纳机器人末端执行器自动更换装置，其特征在于：所述旋转定位装置包括圆盘转台以及控制圆盘转台转动的微型电动马达。
5.根据权利要求4所述的微纳机器人末端执行器自动更换装置，其特征在于：在所述圆盘转台上设有能放置不同型号末端执行器的若干个第一卡槽。
6.根据权利要求4所述的微纳机器人末端执行器自动更换装置，其特征在于：若干所述第一卡槽均匀分布于圆盘转台远离圆心的外边缘。
7.根据权利要求4所述的微纳机器人末端执行器自动更换装置，其特征在于：所述末端执行器嵌入在第一卡槽内。
8.根据权利要求7所述的微纳机器人末端执行器自动更换装置，其特征在于：所述末端执行器装入第一卡槽后将第一卡槽分隔形成两个分别位于末端执行器两侧的第二卡槽。
9.根据权利要求4所述的微纳机器人末端执行器自动更换装置，其特征在于：所述圆盘转台的直径范围在40mm-80mm之间。
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