CN105619377B - 一种基于柔顺机构的空间微夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔顺机构的空间微夹持器，包括具有对称结构的平面夹持支链和微探针组成，夹持支链采用5对对称的正圆形柔性铰链实现空间微夹持器输入位移的两级放大，其中3对柔性铰链对称分布于两侧实现输入位移的第一级放大，另2对柔性铰链实现第两级放大；采用卡槽结构实现2个夹持支链以十字架形式相互垂直对称装配，通过上凹槽和下凹槽相互嵌套的形式将2个夹持支链联接在一起使得其驱动位置相同，实现使用一个驱动器同时驱动2个夹持支链；2个夹持支链的4个夹持臂分别安装一个微探针，微探针以螺纹联接形式套入夹持支链实现微探针的伸长量可调节，实现了夹持口大小的可调性，通过4个微探针对称布置形成一空间方形夹持口，当夹持物体时为四点接触，能对形状不规则的物体进行夹持。所设计的空间微夹持器可用于生物工程、微机电系统、纳米科学与技术、光学工程等领域。

Description

一种基于柔顺机构的空间微夹持器

技术领域

本发明属于精密工程领域,尤其涉及应用柔顺机构所设计的微小物体夹持器件，所设计的微夹持器可用于生物工程、微机电系统、微/纳米制造与装配工程及光学工程等领域。

背景技术

随着生物工程技术、微机电系统技术、微/纳技术及光学工程等领域的研究对象正朝着微细化方向发展，微夹持器作为对微小物体进行操作过程的末端执行器，在微机械零件的加工、装配、生物工程和光学等领域均有较好的应用前景。在微机电系统领域，微夹持器可用于将微轴、微齿轮等微零件装配成微部件；在生物工程领域，微夹持器可用来抓取细胞，与微探针相结合，还可向细胞注入或从细胞中提取某种成分。在光学工程领域，夹持器可用于光学元件的微操作和调节。但是，由于这些领域所操作的微小物体具有不同大小的尺寸，而且形状不规则，目前所设计的微夹持器还不能很好地满足工程应用要求。因此，要求所设计的微夹持器具有大的张合量，且能稳定夹持形状不规则的微小物体。

目前大多数的微夹持器为平面结构，只能实现2维平面夹持操作，夹持物体时为两点接触，难以稳定地夹持不规则形状微小物体。为了实现夹持不规则形状微小物体，需要当夹持物体时为多点接触，所以3维空间的微夹持器能满足这一要求。同时，柔顺机构是采用柔性构件的弹性变形传递和转换运动、力或能量的一种新型机构，柔顺机构具有免摩擦、免润滑、整体化制造、运动灵敏度高等优点，柔顺机构这些优点使得其可适合于微夹持器的结构设计，能实现对微小物体的夹持与操作，并且可以实现空间多维的微夹持操作。但柔顺机构的驱动器的输出行程较小，为了实现夹持器大的张合量，需要设计具有放大功能的柔顺机构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于能夹持不同大小和形状不规则的微小物体的空间微夹持器，基于柔顺机构设计一种新型的空间微夹持器，所设计的微夹持器具有结构紧凑、张合量大且可调、能适应形状不规则的物体等优点。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的空间微夹持器包括2个具有对称结构的夹持支链和4个微探针组成。

所述第1个夹持支链如图1所示，第1个夹持支链为一平面柔顺机构，采用5对对称的正圆形柔性铰链形成二级杠杆放大机构，实现对驱动端13的输入位移两级放大，其中第三柔性铰链3、第四柔性铰4和第五柔性铰链5形成第一级杠杆结构，第五柔性铰链5作为第一级杠杆的输入，第四柔性铰4作为其支点，第三柔性铰链3作为其输出；第一柔性铰链1和第二柔性铰链2构成第二级杠杆，第二柔性铰链2作为第二级放大的输入，第一柔性铰链1作为其支点，驱动端13为第二级杠杆的输出端。其中，螺纹孔6用于连接微探针，下凹槽12用于与夹持支链2进行装配。

所述第2个夹持支链如图2所示，第2个夹持支链为一平面柔顺机构，第2个夹持支链实现输入位移放大的结构与第1个夹持支链相同，不同之处在于，第2个夹持支链的卡槽15用于与第1个夹持支链进行装配，将第1个夹持支链通过卡槽15嵌入于第2个夹持支链，形成十字架形式的相互垂直装配方式，构成一个方形夹持口；第2个夹持支链的上凹槽14与第1个夹持支链的下凹槽12相互嵌套在一起，实现了第1个夹持支链和第2个夹持支链共用一个驱动端13，则可以使用一个驱动器同时驱动2个夹持支链。

所述的微探针如图3所示，微探针的连接端16通过螺纹连接与夹持支链的螺纹孔6进行装配，通过旋转微探针可以调节微探针的伸出量，以改变方形夹持口的大小，则可根据所夹持物体的大小调节夹持口的大小；其中，微探针操作端17用于对微小物体进行夹持操作。

所述的空间微夹持器如图4所示，第一夹持支链26通过卡槽15与第二夹持支链27以十字架形式进行垂直装配，且第二夹持支链27的上凹槽14与第一夹持支链26的下凹槽12相互嵌套在一起；第一探针18、第二探针19、第三探针22、第四探针23分别与第一夹持臂20、第二夹持臂21、第三夹持臂24、第四夹持臂25以螺纹形式进行连接，4个微探针形成了空间微夹持器的夹持口，该夹持口为4个微探针的操作端17构成，当夹持物体时为4点接触，则可稳定地夹持形状不规则的物体。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明的空间微夹持器，采用对称结构的平面夹持支链组成，具有结构紧凑的特点；

(2)本发明的空间微夹持器，采用杠杆原理实现2级放大输入位移，具有张合量大的特点；

(3)本发明的空间微夹持器，夹持端采用4个可调节伸长量的微探针组成，具有夹持口大小可调节的特点，能夹持尺寸不同的微小物体；

(4)本发明的空间微夹持器，采用4个微探针构成空间方形夹持口，具有4点接触夹持物体的特点，能夹持形状不规则的微小物体；

(5)本发明的空间微夹持器，2个夹持支链以十字架形式垂直装配，共享一个驱动端，只需一个驱动器实现空间夹持，具有欠驱动3维空间夹持的特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的第1个夹持支链的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的第2个夹持支链的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的微探针的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的空间微夹持器的整体结构示意图；

图1中，1、第一柔性铰链；2、第二柔性铰链；3、第三柔性铰链；4、第四柔性铰链；5、第五柔性铰链；6、螺纹孔；7、第六柔性铰链；8、第七柔性铰链；9、第八柔性铰链；10、第九柔性铰链；11、第十柔性铰链；12、下凹槽；13、驱动端；

图2中，14、上凹槽；15、卡槽；

图3中，16、螺纹连接端；17、操作端；

图4中，18、第一探针；19、第二探针；20、第一夹持臂；21、第二夹持臂；22、第三探针；23、第四探针；24、第三夹持臂；25、第四夹持臂；26、第一夹持支链；27、第二夹持支链。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

如图1-图4所示，本发明实施例的基于柔顺机构的空间微夹持器主要由：第一柔性铰链1、第二柔性铰链2、第三柔性铰链3、第四柔性铰链4、第五柔性铰链5、螺纹孔6、第六柔性铰链7、第七柔性铰链8、第八柔性铰链9、第九柔性铰链10、第十柔性铰链11、下凹槽12、驱动端13；上凹槽14、卡槽15；螺纹连接端16、操作端17；第一探针18、第二探针19、第一夹持臂20、第二夹持臂21、第三探针22、第四探针23、第三夹持臂24、第四夹持臂25、第一夹持支链26、第二夹持支链27组成。

根据如图1所示的第1个夹持支链，为了实现第一级放大，在第1个夹持支链的驱动端13施加输入位移，通过第三柔性铰链3、第四柔性铰链4和第五柔性铰链5形成了一级放大机构，第五柔性铰链5处为杠杆的输入，第四柔性铰4相当于其支点，第三柔性铰链3为其输出，当第三柔性铰链3处位置到第四柔性铰链4处位置的距离大于第五柔性铰链5处位置到第四柔性铰链4处位置的距离时，根据杠杆原理可使得驱动端13的输入位移得到第一级放大；通过第一柔性铰链1和第二柔性铰链2形成第二级放大机构，第二柔性铰链2作为第二级放大的输入，第一柔性铰链1作为其支点，驱动端13为第二级杠杆的输出端，当驱动端13处位置到第一柔性铰链1处位置的距离大于第二柔性铰链2处位置到第一柔性铰链1处位置的距离，则可以实现第二级放大。第1个夹持支链采用对称机构，经杠杆放大机构可将驱动端13的输入位移进行放大，以使夹持臂20和夹持臂25获得更大的输出位移，且持臂20和夹持臂25的输出位移相同，这使得夹持口具有较大的张合量，能够夹持大小不一的微小物体。所有柔性铰链都采用正圆型柔性铰链实现，并采用结构紧凑的对称式结构，以提高其刚度和结构紧凑性。

根据如图2所示第2个夹持支链，为了实现第1个夹持支链26与第2个夹持支链27以十字架形式进行装配，在第2个夹持支链底部设计一卡槽15，并将第1个夹持支链卡在卡槽中实现第1个夹持支链与第2个夹持支链进行垂直装配；为了实现第1个夹持支链与第2个夹持支链在一个驱动作用进行夹持操作，在第1个夹持支链的驱动端附近设计一个下凹槽12，在第2个夹持支链设计一个上凹槽14，将下凹槽12和上凹槽14进行嵌套联接实现这两个夹持支链的驱动端为同一位置，则只需一个驱动器驱动可同时驱动第1个夹持支链和第2个支链以实现3维空间夹持功能；第2个夹持支链与第1个夹持支链的位移放大原理相同，所有柔性铰链均采用正圆型柔性铰链。

根据如图3所示的微探针，微探针分为两部分，下端为连接端12，上端为操作端13。微探针的操作端13用于微小物体的夹持与搬运，微探针的连接端12用于与夹持支链的夹持臂进行联接，为了实现微探针的伸长量可调，将接端12制作成外螺纹形式，以便于与夹持臂的内螺纹进行联接实现调节微探针伸长和缩短。

根据如图4所示的空间微夹持器，夹持支链26与夹持支链27垂直放置装配，将第一探针18、第二探针19、第三探针22、第四探针23分别与第一夹持臂20、第二夹持臂21、第三夹持臂24、第四夹持臂25进行螺纹连接。微夹持器的夹持口由4个微探针组成，形成一个“口”字形夹持口，能适应形状不规则的物体的夹持操作，同时，当微夹持器夹持物体时，“口”字形夹持口与被夹持物为空间4个均匀分布的点接触，可以稳定地夹持形状不规则的微小物体。

由于所设计的第1个夹持支链与第2个夹持支链为平面柔顺机构，适宜于采用电火花线切割加工技术进行整体化加工。采用焊接技术将两个夹持支链进行装配，提高结构的装配精确性。夹持支链的材料决定了空间微夹持器的性能，其材料要求柔而强。柔是指柔度，柔度的好坏决定了空间微夹持器夹持力灵敏度的好坏，即柔度越好，空间微夹持器夹持力灵敏度越高；强是指强度，由于空间微夹持器只夹持微小物体，要求其尺寸较小，为了防止其在工作过程中失效，必须要保证材料的强度极限符合要求。选择柔而强的材料，使得其能满足空间微夹持器的性能要求。另外考虑到经济效益，选择铝合金作为空间微夹持器的制作材料。由于压电陶瓷驱动器具有高精度、高频响、体积小、出力大等特点，采用压电陶瓷驱动器作为微夹持器的驱动元件。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于柔顺机构的空间微夹持器，其特征在于，包括2个具有对称结构的夹持支链和微探针组成，2个平面夹持支链相互垂直放置形成3维空间夹持；通过卡槽实现2个平面夹持支链相互垂直放置；通过上凹槽和下凹槽相互嵌套的形式将2个平面夹持支链联接在一起使得其驱动位置相同，以实现使用一个驱动器同时驱动2个夹持支链；所述夹持支链采用5对对称的正圆形柔性铰链形成两级杠杆结构，放大夹持支链的张合量；所述2个夹持支链以十字架形式垂直对称放置，且2个支链的驱动端为同一位置，只需一个驱动实现3维空间夹持功能；所述微探针通过套入的方式与夹持支链进行连接，可调节微探针的长度；通过4个微探针对称布置形成一空间方形夹持口，可夹持形状不规则的微小物体；夹持器的夹持口为由4个微探针的操作端空间对称布置形成，当夹持物体时为四点接触，能夹持形状不规则的物体。

2.根据权利要求1所述的空间微夹持器，其特征在于，微探针以螺纹连接形式套入夹持支链实现微探针的伸长量可调节，以调节夹持口的大小。

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