CN106671061A - 单指结构、微操作夹持器和微操作系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种微操作夹持器单指结构，包括上下间隔设置的固定梁和支撑臂，所述固定梁和支撑臂之间连接有一柔性铰链、一回弹机构和一压电陶瓷致动器，所述压电陶瓷致动器位于所述柔性铰链和回弹机构之间，所述支撑臂的末端固定有执行末端，所述压电陶瓷致动器上下动作以驱动执行末端在杠杆作用下上下摆动。本申请还公开了一种微操作夹持器和微操作系统。本发明微动多指柔性操作夹持器能够适应多执行末端的自由切换，工作模式可以在单指、双指及三指的状态下任意切换。多指微操作夹持器不但能够实现多种对象的微操作，也要能够确保微操作精度及拥有一定的操作效率。

Description

单指结构、微操作夹持器和微操作系统

技术领域

本申请属于微纳米技术领域，特别是涉及一种单指结构、微操作夹持器和微操作系统，用于航空航天、光学、医疗、生物等领域。

背景技术

近年来，微纳米技术的发展非常迅猛。在微米技术方面，微操作器、微机械零件、微泵、微电机系统及微驱动等技术被国内外学者广泛研究与关注；在纳米技术方面，纳米材料、纳米动力学、纳米生物学及纳米电子学等技术发展极其迅速。微操作执行器也叫微操作工具，是实现微对象的夹持、搬运、释放及组装的关键部件。随着各式各样的微器件的出现，微纳米操作技术被越来越多的应用于航空航天、光学、医疗、生物等领域。

近年来，微纳米技术的发展非常迅猛。在微米技术方面，微操作器、微机械零件、微泵、微电机系统及微驱动等技术被国内外学者广泛研究与关注；在纳米技术方面，纳米材料、纳米动力学、纳米生物学及纳米电子学等技术发展极其迅速。微操作执行器也叫微操作工具，是实现微对象的夹持、搬运、释放及组装的关键部件。随着各式各样的微器件的出现，微纳米操作技术被越来越多的应用于航空航天、光学、医疗、生物等领域。

大多数的微夹持器的设计中都包含1到3个自由度的驱动模块。中国科学院自动化研究所的张大鹏等人研究制造了一种一体式微夹持器。该款夹持器一端夹爪固定于支架上，另一端由压电陶瓷致动器完成单个自由度驱动，夹持器采用柔性铰链的结构完成位移的输入与输出的转换。实验中，对直径150μm的微玻璃管进行了夹持操作。一体式夹持器的设计方案，往往功能单一，可执行的操作任务较为局限。

A.F.Alogla等人制作的微夹持器，整个夹持器包含了两个夹爪。该微夹持器的夹爪可以光刻蚀的方式加工制造，夹持动作由气动方式实现。气动式驱动部分由进气口、薄膜气囊组成。当气体通过进气口进入薄膜气囊时，气囊变形实现夹爪夹持的动作。气动式夹爪末端的最大张开距离为1mm，最大输出力可以达到50mN，该夹爪还完成了直径200μm微球的拾取和释放实验。由于采用气动方式控制，夹持器尺寸较大，执行精度相对较差。

综上所述，目前微夹持器往往操作对象类型有限，功能单一，可完成的操作任务有限，而且夹持的精度普遍不高。

微对象的拾取、搬运及释放是一项精度要求很高的微操作技术。单一类型的微对象操作已经满足不了现实的科研需求。单一末端的夹持器工具无法实现多类型对象的操作。采用传统先制造再验证的方法，大大增加了一体式微夹持器的研制成本。因此，具有多指和可替换末端的柔性微操作执行器的研制具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一种柔性化多指微操作夹持器，可以利用夹持器多指的特点，并通过不同的操作方法，实现多种微操作对象的拾取与放置操作。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开了一种微操作夹持器单指结构，包括上下间隔设置的固定梁和支撑臂，所述固定梁和支撑臂之间连接有一柔性铰链、一回弹机构和一压电陶瓷致动器，所述压电陶瓷致动器位于所述柔性铰链和回弹机构之间，所述支撑臂的末端固定有执行末端，所述压电陶瓷致动器上下动作以驱动执行末端在杠杆作用下上下摆动。

优选的，在上述的微操作夹持器单指结构中，所述压电陶瓷致动器与柔性铰链之间的距离小于压电陶瓷致动器与回弹机构之间的距离。

优选的，在上述的微操作夹持器单指结构中，所述执行末端采用可拆卸粘接剂实现固定在支撑臂的末端。

优选的，在上述的微操作夹持器单指结构中，所述压电陶瓷致动器的一端通过螺钉固定于所述固定梁上。

优选的，在上述的微操作夹持器单指结构中，所述执行末端为钨探针或光纤。

相应的，本申请还公开了一种微操作夹持器，包括微动调节座、以及安装于微动调节座上的至少一个所述的单指结构，所述微动调节座上开设有至少一个调节槽，每个所述调节槽内设置有一个调整块，每个所述单指结构分别对应安装于一个调整块上，所述调整块与微动调节座之间通过柔性铰链连接，所述微动调节座上设置有X轴调节螺钉和Y轴调节螺钉，所述X轴调节螺钉和Y轴调节螺钉作用于调整块以实现X轴和Y轴方向位移调节，所述X轴和Y轴所在平面与微动调节座共面。

优选的，在上述的微操作夹持器中，所述调整块上开设有螺纹孔，该螺纹孔内配合设置有Z轴调节螺钉，该Z轴调节螺钉作用于调整块以实现其Z轴方向的位移调节。

优选的，在上述的微操作夹持器中，所述微动调节座上设置有呈三角形排列的三个单指结构。

优选的，在上述的微操作夹持器中，所述所述微动调节座与角度调节臂连接，该角度调节臂包括基座、第一调节臂和第二调节臂，所述第一调节臂的一端转动连接于基座上，另一端与第二调节臂的一端转动连接，所述第二调节臂的另一端转动连接于所述微动调节座上。

相应的，本申请还公开了一种微操作系统，包括：

用以承载待操作微对象的工作台；

所述的微操作夹持器，该微操作夹持器对工作台上的微对象至少可实现拾取、搬运、释放和组装；

对操作过程实时进行图像采集的显微镜，该显微镜通过CMOS相机将图像信息输出至显示器显示。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明微动多指柔性操作夹持器能够适应多执行末端的自由切换，工作模式可以在单指、双指及三指的状态下任意切换。多指微操作夹持器不但能够实现多种对象的微操作，也要能够确保微操作精度及拥有一定的操作效率。

2、多指执行器的柔性化的特点大大简化了精密微夹持器的验证过程，对微纳米操作技术具有重要的指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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所示为本发明具体实施例中微操作夹持器的立体结构示意图；

图2所示为本发明具体实施例中单指结构的示意图；

图3所示为本发明具体实施例中微动调节座的结构示意图；

图4所示为本发明具体实施例中微动调节座的调节原理示意图；

图5所示为本发明具体实施例中单指工作模式微操作夹持器的实验照片；

图6中(a)至(d)所示为本发明具体实施例中双指模式下采用钨探针对微对象操作的实验照片；

图7中(a)至(d)所示为本发明具体实施例中三指模式下微操作夹持器的实验照片；

图8中(a)和(b)所示为本发明具体实施例中微夹持器在双指工作模式下对两个对象的同时夹持的操作照片；

图9中(a)至(c)所示为本发明具体实施例中采用光纤作为执行末端夹持二氧化硅球实验的操作照片；

图10中(a)和(b)所示为本发明具体实施例中微球达振动分离实验操作照片；

图11是对80μm合金球的拾取与释放操作过程，其中(a)是右侧光纤实现微球粘附拾取；(b)是中间光纤实现位置微动对中，为振动释放做准备；(c)是微球在中间光纤的振动下实现释放；

图12是本发明具体实施例中三指模式下对直径10μm的二氧化硅微球进行拾取操作实验照片，其中图(a)是三指夹持器执行末端配置，左指是AFM探针，中指与右指是钨探针，(b)是左右指完成触底夹持的操作，此时中指调整到远离微球的状态，(c)是夹持后的微球被抬离基板，(d)是左右指张开时，微球粘附在钨探针上；

图13是本发明具体实施例中三指模式下对直径10μm的二氧化硅微球进行拾取操作的实验照片，使用第三指振动使微球完成释放，(a)是中指的钨探针调整到粘附微球上部，(b)是微球在钨探针的振动下完成释放；

图14是本发明具体实施例中使用双指工作模式下组装三棱锥型自粘附微球的实验照片，其中，(a)是三棱锥的第一层的侧视图，(b)是两探针夹持微球进行第二层的组装，(c)是探针准备释放的过程，(d)是抬起的过程中第一层微球被破坏的状况照片，(e)与(f)是三棱锥型自粘附微球较好的组装状态的俯视及侧视图。

具体实施方式

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的描述，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。

结合图1所示，微操作夹持器包括角度调节臂2、微动调节座3、多指夹持器4以及可替换执行末端5。微动调节座与角度调节臂2连接，该角度调节臂2包括基座21、第一调节臂22和第二调节臂23，第一调节臂22的一端转动连接于基座21上，另一端与第二调节臂23的一端转动连接，第二调节臂的另一端转动连接于微动调节座上。

基座21的作用是将微夹持器固定在精密定位滑台上，角度调节臂2能够调节夹持器与微对象基底的角度，微动调节座3能够对每个单指实现三个自由度的位移调整，执行末端5采用可替换式设计方案。

结合图2所示，微操作夹持器单指结构，包括上下间隔设置的固定梁41和支撑臂42，固定梁41和支撑臂42之间连接有一柔性铰链43、一回弹机构44和一压电陶瓷致动器45，压电陶瓷致动器45位于柔性铰链43和回弹机构44之间，支撑臂42的末端固定有执行末端5，压电陶瓷致动器45上下动作以驱动执行末端5在杠杆作用下上下摆动。

该技术方案中，采用柔性铰链的设计优势是无机械摩擦、无间隙、易维护、分辨率高和可一体化加工。柔性铰链有很多种结构，其中直圆柔性铰链精确性最高，为了确保单指的输出有足够的精度，本文中选用了直圆型。柔性铰链的转角刚度值与铰链半径R和最小厚度t有关，总的来看，R越小、t越大则转角刚度越大；R越大、t越小则转角刚度越小。综合考虑运动灵活性、运动准确性以及集中应力的大小三个方面，通过有限元分析得到铰链半径R为0.6mm，最小厚度t为0.3mm。

回弹机构采用弹性金属，优选为弹簧钢。

进一步地，压电陶瓷致动器与柔性铰链之间的距离小于压电陶瓷致动器与回弹机构之间的距离。

该技术方案中，多指微操作执行器的设计采用压电陶瓷致动器作为外部驱动。压电驱动是利用的逆压电效应即压电体受到外电场作用而发生形变，其形变量与外电场强度成正比。压电陶瓷致动器具有体积小，位移分辨率高，响应速度快，输出力大，换能效率高，不发热，可采用相对简单的电压控制方式等特点。为了实现较大范围的输出，选用叠层型压电陶瓷致动器，该驱动器是由数百层的压电陶瓷薄片及内电极共烧而成。在施加电压时，可在数毫秒内产生长度方向变形，同时产生巨大的输出力。为了扩大单指的执行范围，本案选用了杠杆放大机构作为单指的设计方案。杠杆放大的优势有响应速度快、传递效率较高且能将线性运动轨迹转换为弧形轨迹。

进一步地，执行末端采用可拆卸粘接剂实现固定在支撑臂的末端。

该技术方案中，执行末端采用可拆卸粘接剂实现固定在单指结构体上。压电陶瓷致动器通过预紧螺钉实现固定和施加预紧力。除了利用柔性铰链本身的回弹特性外，在固定梁上增加了折叠回弹机构来保证回弹的可靠性。

进一步地，压电陶瓷致动器的一端通过螺钉固定于固定梁上。

优选的，执行末端为钨探针或光纤。

该技术方案中，多指夹持器的设计具有单一驱动、可替换执行末端以及装配式单指分立设计等特点。采用独立的单指单元是基于易更换、易加工、易维修的实际需求。独立单指单元的设计采用相同方案，同一套加工方法，能够保证三指均有相同的输出特性。微操作夹持器的材料及加工方法的选择以最高效率配置资源为准则。从装配结构中，可以看出多指微操作夹持器的最全配置工作状态有三指，且可以任意切换至单指、双指的工作状态。

结合图3所示，微动调节座3上开设有至少一个调节槽31，每个调节槽31内设置有一个调整块32，每个单指结构分别对应安装于一个调整块32上，调整块32与微动调节座3之间通过柔性铰链33连接，微动调节座3上设置有X轴调节螺钉和Y轴调节螺钉，X轴调节螺钉和Y轴调节螺钉作用于调整块以实现X轴和Y轴方向位移调节，X轴和Y轴所在平面与微动调节座3共面。

进一步地，调整块32上开设有螺纹孔321，该螺纹孔321内配合设置有Z轴调节螺钉，该Z轴调节螺钉作用于调整块32以实现其Z轴方向的位移调节。

优选的，微动调节座上设置有呈三角形排列的三个单指结构。

该技术方案中，为了使微动多指柔性操作夹持器能实现微动调节，方案设计选用柔性铰链作为微动调节台的支撑结构。微动调节座的支撑采用直梁型柔性铰链，该类型的铰链具有很好的灵活性，方便实际的调节。调节座上包含三个独立的调整块。每个调整块包含了两个通孔和一个螺纹孔。通孔的功能是固定z轴调节座，螺纹孔的功能是为z轴调节螺钉提供固定和传动位置。调节座的微动原理如图4所示，三个调节模块均采用调节螺钉进行微动调节，从而能够实现x轴正负方向及y轴负方向的微动调节。z轴微动调节座与单指的装配方式，采用紧定螺钉实现单指的固定。调节座上上下阵列分布有5个固定螺纹孔，任意两个螺纹孔均能够实现单指的固定，因此这种固定方式增加了单指的可调节范围。

z轴调节座固定在x轴与y轴微动调节座上，且与单指保持固定连接。在x轴与y轴方向的位移调节通过z轴调节座传递给单指，且保持1：1的传递比例。z轴的调节是通过旋入x轴与y轴微动调节座上的螺钉实现该方向的调节。由压电陶瓷致动器驱动单指工作，回弹机构确保单指能够恢复初始工作状态。

本实施例还提供一种微操作系统，包括：

用以承载待操作微对象的工作台；

微操作夹持器，该微操作夹持器对工作台上的微对象至少可实现拾取、搬运、释放和组装；

对操作过程实时进行图像采集的显微镜，该显微镜通过CMOS相机将图像信息输出至显示器显示。

其中显示器与计算机采用基本台式机的配置，显微镜镜头选用高分辨率放大变倍镜头，系统中有0.7×～4.5×、2(0.7×～4.5×)、4(0.7×～4.5×)、8(0.7×～4.5×)四种规格配置，相机采用CMOS工业数字摄像机(型号：DH-HV1351UM)，分辨率为130万像素，数字增益有×2、×1、×0.5、×0.25四种方式。三轴电动精密滑台的分辨率1μm，最大行程75mm，重复定位精度±0.5μm，负载11Kgf。压电陶瓷驱动电源选用HPV系列压电陶瓷驱动电源(型号HPV-3C0150A0500)。

在具体的实验验证中，多种工作模式是微操作执行器柔性化设计的重要体现。

首先，是单指工作模式微操作夹持器可靠性的验证。通过改变基底与微球的粘附力的微操作方法，将微球搬运到基板上，实验使用钨探针作为单指的执行末端，为了充分展示单指操作的灵活性，实验使用微球在基板上，拼出SUDA的图样，如图5所示，微球尺寸在60～80μm，基板涂了一层增大粘附力的胶质。综合实验的结果及单指性能测试，本实施例设计的微操作执行器完全适用单指工作模式。单指的拾取完全靠粘附力进行。

区别于单指工作模式，双指工作模式有着强大的夹持能力。在这种工作状态下，无需依赖基板的改变，几乎能完成大多数尺寸范围内微对象的拾取。虽然双指在夹持方面有着很强的优势，但是在释放过程中，依然需要考虑粘附力的影响。

钨探针作为执行末端，微球与基板上之间的粘附力大于钨探针与微球的粘附力。图6(b)是双探针在多轴精密滑台的精确定位下完成触底的动作，触底后，探针在压电陶瓷致动器的驱动下完成夹持动作。微对象被探针夹持后，精密定位滑台远离基板实现微对象与基板的分离，如图6(c)所示，微球完成效拾取，此处的微球是直径为60μm的硼硅酸盐球。图6(d)是双指的有效释放实验结果，微球被放置在基底上排成一列。

三指工作模式是柔性微操作执行器最难调节的工作状态，是验证微操作性能的关键环节。左右两指执行夹持任务，第三指负责释放过程中的敲击或者振动。在微操作任务上，微球与探针末端尺寸较小，三指工作模式中最难的操作是三个执行末端的装配及末端对准。图7(a)是三指的俯视图，图7(b)是三指的侧视图，两幅视图中三根探针完全对准时，才是三指的最佳工作状态。图7(c)中，微球由左右两探针拾取。为了完成释放，第三指压电陶瓷致动器瞬间施加最大工作电压，探针敲击微球完成释放，如图7(d)所示。

能够对多种微对象进行操作同样是柔性化设计的重要体现，如图8所示为，微夹持器在双指工作模式下对两个对象的同时夹持的操作。通过更换探针型号，调节夹持器末端探针的角度，改变探针末端形状，实现两球的夹持任务。

如图9所示，对直径800μm的空心二氧化硅球进行操作，选用200μm的光纤作为夹持器的执行末端，采用粘附拾取与振动释放的策略实现操作任务，光纤与微球的粘附力需要大于微球与基板的粘附力。

图10为微球达振动分离实验。使用信号发生器控制正弦电压，电压幅值设定为20V，逐渐调高电压，当频率升高到105Hz时，微球实现分离。

图11是对80μm合金球的拾取与释放操作过程。图11(a)是右侧光纤实现微球粘附拾取；图11(b)是中间光纤实现位置微动对中，为振动释放做准备；图11(c)是微球在中间光纤的振动下实现释放。

图12与图13是三指模式下对直径10μm的二氧化硅微球这样的更为精密的微对象进行拾取操作。图12(a)是三指夹持器执行末端配置，左指是AFM探针，中指与右指是钨探针。图12(b)是左右指完成触底夹持的操作，此时中指调整到远离微球的状态。图12(c)是夹持后的微球被抬离基板。图12(d)是左右指张开时，微球粘附在钨探针上。使用第三指振动使微球完成释放，图13(a)是中指的钨探针调整到粘附微球上部，图13(b)是微球在钨探针的振动下完成释放。

图14是使用双指工作模式下组装三棱锥型自粘附微球的全过程。采用双指的工作模式是为了避免拾取对粘附力的依赖，图14(a)是三棱锥的第一层的侧视图，图中包含了三个两两相邻的微球。图14(b)是两探针夹持微球进行第二层的组装。图14(c)是探针准备释放的过程，在理想的控制条件下，探针与微球的粘附力较小，微球会被第一层的三个微球粘附，随后探针抬起，完成组装。探针与微球之间的粘附力尽管是很小的，但是在抬起的过程中，也会发生微球被抬离，甚至第一层微球也被破坏的状况，如图14(d)所示。图14(e)与14(f)是三棱锥型自粘附微球较好的组装状态的俯视及侧视图。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种微操作夹持器单指结构，其特征在于，包括上下间隔设置的固定梁和支撑臂，所述固定梁和支撑臂之间连接有一柔性铰链、一回弹机构和一压电陶瓷致动器，所述压电陶瓷致动器位于所述柔性铰链和回弹机构之间，所述支撑臂的末端固定有执行末端，所述压电陶瓷致动器上下动作以驱动执行末端在杠杆作用下上下摆动。

2.根据权利要求1所述的微操作夹持器单指结构，其特征在于：所述压电陶瓷致动器与柔性铰链之间的距离小于压电陶瓷致动器与回弹机构之间的距离。

3.根据权利要求1所述的微操作夹持器单指结构，其特征在于：所述执行末端采用可拆卸粘接剂实现固定在支撑臂的末端。

4.根据权利要求1所述的微操作夹持器单指结构，其特征在于：所述压电陶瓷致动器的一端通过螺钉固定于所述固定梁上。

5.根据权利要求1所述的微操作夹持器单指结构，其特征在于：所述执行末端为钨探针或光纤。

6.一种微操作夹持器，其特征在于，包括微动调节座、以及安装于微动调节座上的至少一个权利要求1至5任一所述的单指结构，所述微动调节座上开设有至少一个调节槽，每个所述调节槽内设置有一个调整块，每个所述单指结构分别对应安装于一个调整块上，所述调整块与微动调节座之间通过柔性铰链连接，所述微动调节座上设置有X轴调节螺钉和Y轴调节螺钉，所述X轴调节螺钉和Y轴调节螺钉作用于调整块以实现X轴和Y轴方向位移调节，所述X轴和Y轴所在平面与微动调节座共面。

7.根据权利要求6所述的微操作夹持器，其特征在于：所述调整块上开设有螺纹孔，该螺纹孔内配合设置有Z轴调节螺钉，该Z轴调节螺钉作用于调整块以实现其Z轴方向的位移调节。

8.根据权利要求6所述的微操作夹持器，其特征在于：所述微动调节座上设置有呈三角形排列的三个单指结构。

9.根据权利要求6所述的微操作夹持器，其特征在于：所述所述微动调节座与角度调节臂连接，该角度调节臂包括基座、第一调节臂和第二调节臂，所述第一调节臂的一端转动连接于基座上，另一端与第二调节臂的一端转动连接，所述第二调节臂的另一端转动连接于所述微动调节座上。

10.一种微操作系统，其特征在于，包括：

用以承载待操作微对象的工作台；

权利要求6至9任一所述的微操作夹持器，该微操作夹持器对工作台上的微对象至少可实现拾取、搬运、释放和组装；

对操作过程实时进行图像采集的显微镜，该显微镜通过CMOS相机将图像信息输出至显示器显示。