CN108527413A - 一种压电驱动柔顺灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动柔顺灵巧手，其包括：支撑台体、三个相同的柔顺手指、柔性连接件、压电陶瓷块和末端执行器；支撑台体为规则的多面体；柔顺手指均匀的布置在支撑台体的外侧面上；相邻柔顺手指的夹角为120度；每个柔顺手指均包括前指和后指，且前指和后指之间通过柔性连接件连接；压电陶瓷块粘结在前指和后指的外表面上；末端执行器安装在前指的末端。通过控制施加在压电陶瓷块两端电压的大小和方向，使压电陶瓷块发生相应的变形，带动前指和后指向左或向右弯曲，驱动末端执行器在微机电系统的微装配与微操作中灵活稳定抓取微小的电子元器件。因此，本发明提供的压电驱动柔顺灵巧手具有结构简单、运动灵活、抓取稳定性高等优点。

Description

一种压电驱动柔顺灵巧手

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，特别涉及一种应用于微机电系统的压电驱动柔顺灵巧手。

背景技术

微机电系统(MEMS)技术是从传统的集成电路工艺基础上进化而来。随着微机电系统的发展，其产品功能多且不断集成化和复杂化，而且涉及不同的加工工艺、不同的制作材料以及复杂的结构外形，如微阀、微光学部件以及多功能微传感器，这些器件靠传统集成电路工艺是很难实现的。要实现结构复杂、功能多样的微机械系统，必须借助于微装配与微操作技术。

为了能够高质量地完成微装配与微操作任务，需要开发速度快、精度高、重复性好以及可靠性高的微装配与微操作系统。微夹持器作为微装配与微操作系统的末端执行器，是微装配与微操作系统必不可少的基本组成部分。

传统的微夹持器采用刚性杆和运动副组成，只能抓取形状规则且大小相同的刚性元器件。传统微夹持器有两个夹持臂，在夹持圆型器件或位姿不正的器件时往往不够稳定，且夹持臂自身所处的空间位置不能够调整。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电驱动柔顺灵巧手，该灵巧手能够在微机电系统的微装配与微操作中灵活稳定抓取微小的电子元器件，具有结构简单、运动灵活、抓取稳定性高等优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种压电驱动柔顺灵巧手，所述压电驱动柔顺灵巧手包括：支撑台体、三个相同的柔顺手指、柔性连接件、压电陶瓷块和末端执行器；所述支撑台体为规则的多面体；所述柔顺手指均匀的布置在所述支撑台体的外侧面上，且相邻所述柔顺手指的夹角为120度；每个所述柔顺手指均包括前指和后指，且所述前指和所述后指之间通过所述柔性连接件连接；所述压电陶瓷块粘结在所述前指和所述后指的外表面上；所述的末端执行器安装在所述前指的末端；

通过控制施加在所述压电陶瓷块的两端电压的大小和方向，使所述压电陶瓷块发生相应的变形，带动所述前指和所述后指向左或向右弯曲。

可选的，所述支撑台体为截面为正六边形的柱体；三个所述柔顺手指通过固定螺栓均匀安装在所述支撑台体呈120度对称的三个平面上。

可选的，所述前指和所述后指均由弹性元件制成且均为十字形结构；所述压电陶瓷块粘结在所述前指和所述后指的十字形表面上；每个所述前指和所述后指上均粘结有八个所述压电陶瓷块。

可选的，每个所述前指均包括四个薄板，且四个所述薄板组合形成十字形结构；每个所述后指均包括四个薄板，且四个所述薄板组合形成十字形结构。

可选的，每个所述薄板的两侧均粘结有所述压电陶瓷块，且每个所述薄板两侧粘结的所述压电陶瓷块的极化方向相同。

可选的，每个所述薄板两侧粘结的所述压电陶瓷块施加的电压的方向相反。

可选的，所述柔性连接件为柔性万向铰链；所述柔性万向铰链的形状为沙漏形。

可选的，所述末端执行器的长度根据所要抓取的物体的外形尺寸而确定；所述压电陶瓷块的尺寸根据所述前指和所述后指的尺寸而确定。

可选的，所述压电驱动柔顺灵巧手的驱动元件为所述压电陶瓷块。

可选的，所述压电驱动柔顺灵巧手包括摆动自由度运动和弯曲自由度运动。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种压电驱动柔顺灵巧手，其包括：支撑台体、三个相同的柔顺手指、柔性连接件、压电陶瓷块和末端执行器；支撑台体为规则的多面体；柔顺手指均匀的布置在支撑台体的外侧面上，且相邻的柔顺手指的夹角为120度；每个柔顺手指均包括前指和后指，且前指和后指之间通过柔性连接件连接；压电陶瓷块粘结在前指和后指的外表面上；末端执行器安装在前指的末端。通过控制施加在压电陶瓷块两端电压的大小和方向，使压电陶瓷块发生相应的变形，带动前指和后指向左或向右弯曲，实现柔顺手指在空间位置中的摆动自由度和弯曲自由度，从而驱动末端执行器在微机电系统的微装配与微操作中灵活稳定抓取微小的电子元器件。因此，本发明提供的压电驱动柔顺灵巧手具有结构简单、运动灵活、抓取稳定性高等优点。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例压电驱动柔顺灵巧手的结构示意图；

图2为本发明柔顺手指左侧的结构以及压电陶瓷块分布图；

图3为本发明柔顺手指右侧的结构以及压电陶瓷块分布图；

图4为本发明压电陶瓷块变形前示意图；

图5为本发明压电陶瓷块变形后示意图；

图6为本发明前指空间摆动自由度示意图；

图7为本发明前指和后指空间摆动自由度示意图；

图8为本发明前指弯曲摆动自由度示意图；

图9为本发明前指和后指空间摆动自由度示意图。

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清楚、完整地描述，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。

本发明的目的是提供一种压电驱动柔顺灵巧手，该灵巧手能够在微机电系统的微装配与微操作中灵活稳定抓取微小的电子元器件，具有结构简单、运动灵活、抓取稳定性高等优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例压电驱动柔顺灵巧手的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供的压电驱动柔顺灵巧手包括一个支撑台体1、三个相同的柔顺手指2、四十八个压电陶瓷块3、三个柔性连接件4和三个末端执行器5。

所述支撑台体1为规则的多面体；所述柔顺手指2均匀的布置在所述支撑台体1的外侧面上，且相邻所述柔顺手指2的夹角为120度。优先的，所述支撑台体1为截面为正六边形的柱体；三个所述柔顺手指2通过固定螺栓均匀安装在所述支撑台体1呈120°对称的三个平面上。

每个所述柔顺手指2均包括前指21和后指22，所述前指21和所述后指22之间通过所述柔性连接件4连接；优先的，所述柔性连接件4为柔性万向铰链；所述柔性万向铰链的形状为沙漏形。

该压电驱动柔顺灵巧手的驱动元件为压电陶瓷块3。所述压电陶瓷块3粘结在所述前指21和所述后指22的外表面上。

所述前指21和所述后指22均由弹性元件制成且均为十字形结构；所述压电陶瓷块3粘结在所述前指21和所述后指22的十字形表面上；三个所述柔顺手指2完全相同，且每个所述柔顺手指2的前指21和后指22都至少粘结八个压电陶瓷块3；所述压电陶瓷块3的尺寸根据前指21和后指22的尺寸确定。

所述末端执行器5安装在所述前指21的末端，所述末端执行器5的长度可根据所要抓取的物体的外形尺寸而定。

通过控制施加在所述压电陶瓷块3两端电压的大小和方向，使所述压电陶瓷块3发生相应的变形，带动所述前指21和所述后指22向左或向右弯曲，实现所述柔顺手指2在空间位置中的摆动自由度或带动所述前指21和所述后指22向内弯曲，实现所述柔顺手指2的弯曲自由度，从而驱动所述末端执行器5对物体进行抓取。

图2为本发明柔顺手指左侧的结构以及压电陶瓷块分布图，图3为本发明柔顺手指右侧的结构以及压电陶瓷块分布图。

如图2-3所示，由于压电驱动柔顺灵巧手的的柔顺手指2由前指21和后指22构成，且前指21和后指22均为十字形。为方便叙述，将前指21和后指22按照十字形分别定义为四个薄板，即后指22由四个薄板构成，分别为第一薄板201、第二薄板202、第三薄板203、第四薄板204，且四个薄板组合形成十字形结构；前指21也是由四个薄板构成，分别为第五薄板205、第六薄板206、第七薄板207、第八薄板208，且四个薄板组合形成十字形结构。每个薄板的两侧均粘结有压电陶瓷块3，并将每个薄板两侧的压电陶瓷块3标上序号。例如第一薄板201两侧的压电陶瓷块3标号为3011和3012，第二薄板202两侧的压电陶瓷块3标号为3021和3022，其他压电陶瓷块3的标号同理。

图4为本发明压电陶瓷块变形前示意图；图5为本发明压电陶瓷块变形后示意图。

每个薄板两侧粘结的压电陶瓷块3的极化方向相同，每个薄板两侧粘结的压电陶瓷块3施加的电压的方向相反。

当未对薄板两侧所粘结的压电陶瓷块3施加电压时，压电陶瓷块3的形状如图4所示；当薄板两侧所粘结的压电陶瓷块3施加相反方向的电压，如图5所示，在电场方向与极化方向相反时压电陶瓷块3伸长，在电场方向与极化方向相同时压电陶瓷块3缩短，从而带动薄板弯曲，实现柔顺手指2的运动。即对任一薄板两侧所粘结的压电陶瓷块3施加相反方向的电压，薄板一侧电场方向与极化方向相反的压电陶瓷块3伸长，另一侧电场方向与极化方向相同的压电陶瓷块3缩短，从而带动薄板弯曲，实现柔顺手指2的运动。

下面以第一薄板201的弯曲变形为例说明其工作原理：在第一薄板201的两端粘结两块极化方向相同的压电陶瓷块3，同时对两块压电陶瓷块3施加相反方向的电压，上端的电场方向与极化方向相反，上端的压电陶瓷块3011伸长，下端的电场方向与极化方向相同，下端的压电陶瓷块3012缩短，迫使第一薄板201发生向下的弯曲，实现柔顺手指2的运动。其他薄板的工作原理与第一薄板201相同。

本发明提供的压电驱动柔顺灵巧手包括摆动自由度运动和弯曲自由度运动，且摆动自由度运动和弯曲自由度运动均包括两种工作模式。

摆动自由度运动：

第一种工作模态：若仅对第五薄板205和第六薄板206两侧的压电陶瓷块3施加相反方向的电压信号，使得相应的压电陶瓷块3发生变形，迫使第五薄板205和第六薄板206向左或向右发生弯曲，从而带动前指21向左或向右弯曲，实现柔顺手指2在空间中的摆动自由度。这时末端执行器5能够左右摆动的幅度较小。

第二种工作模态：若同时对第一薄板201、第二薄板202、第五薄板205和第六薄板206两侧的压电陶瓷块3施加相反方向的电压信号，使得相应的压电陶瓷块3发生变形，迫使第一薄板201、第二薄板202、第五薄板205和第六薄板206向左或向右发生弯曲，从而带动前指21和后指22同时向左或向右弯曲，实现柔顺手指2在空间位置中的摆动自由度。这时末端执行器3能够左右摆动的幅度比第一种工作模态幅度大。

弯曲自由度运动：

第三种工作模态：若仅对第七薄板207和第八薄板208两侧的压电陶瓷块3施加上述的电压信号，使得相应的压电陶瓷块3发生变形，迫使第七薄板207和第八薄板208向内发生弯曲，带动前指21向内弯曲实现对物体的抓取。这时末端执行器5向内移动的位移较小，适合抓取外形尺寸较大的物体。

第四种工作模态：若同时对第三薄板203、第四薄板204、第七薄板207和第八薄板208两侧的压电陶瓷块3施加上述的电压信号，使得相应的压电陶瓷块3发生变形，迫使第三薄板203、第四薄板204、第七薄板207和第八薄板208向内发生弯曲，带动前指21和后指22同时向内弯曲实现对物体的抓取。这时末端执行器5向内移动的位移比第三种工作模态内移动的位移大，适合抓取外形尺寸较小的物体。

下面图6-图9详细说明下上述四种工作模态。

图6为本发明前指空间摆动自由度示意图；图7为本发明前指和后指空间摆动自由度示意图；图8为本发明前指弯曲摆动自由度示意图；图9为本发明前指和后指空间摆动自由度示意图。

图6中的a为前指21空间摆动前的状态，图6中的b为前指21向左空间摆动的状态，图6中的c为前指21向右空间摆动的状态。如图6所示，以控制第五薄板205和第六薄板206上粘结的压电陶瓷块3为例，通过对第五薄板205和第六薄板206上的压电陶瓷块3051和压电陶瓷块3061施加与极化方向相同的电压信号，对压电陶瓷块3052和压电陶瓷块3062施加与极化方向相反的电压信号，使得左侧的压电陶瓷块3051和压电陶瓷块3061缩短，右侧的压电陶瓷块3052和压电陶瓷块3062伸长，迫使第五薄板205和第六薄板206向左发生弯曲；或将施加的电压信号的方向反置，使得左侧的压电陶瓷块3051和压电陶瓷块3061伸长，右侧的压电陶瓷块3052和压电陶瓷块3062缩短，迫使第五薄板205和第六薄板206向右发生弯曲，实现柔顺手指2的前指21在空间中的摆动自由度，这时末端执行器5能够左右摆动的幅度较小。

图7中的a为前指21和后指22空间摆动前的状态，图7中的b为前指21和后指22向左空间摆动的状态，图7中的c为前指21和后指22向右空间摆动的状态。如图7所示，以控制第一薄板201、第二薄板202、第五薄板205和第六薄板206上粘结的压电陶瓷块3为例，通过对第一薄板201、第二薄板202、第五薄板205和第六薄板206上的压电陶瓷块3011、压电陶瓷块3021、压电陶瓷块3051和压电陶瓷块3061施加与极化方向相同的电压信号，对压电陶瓷块3012、压电陶瓷块3022、压电陶瓷块3052和压电陶瓷块3062施加与极化方向相反的电压信号，使得左侧的压电陶瓷块3011、压电陶瓷块3021、压电陶瓷块3051和压电陶瓷块3061缩短，右侧的压电陶瓷块3012、压电陶瓷块3022、压电陶瓷块3052和压电陶瓷块3062伸长，迫使第一薄板201、第二薄板202、第五薄板205和第六薄板206向左发生弯曲；或将施加的电压信号的方向反置，使得左侧的压电陶瓷块压电陶瓷块3011、压电陶瓷块3021、压电陶瓷块3051和压电陶瓷块3061伸长，右侧的压电陶瓷块3012、压电陶瓷块3022、压电陶瓷块3052和压电陶瓷块3062缩短，迫使第一薄板201、第二薄板202、第五薄板205和第六薄板206向右发生弯曲，实现柔顺手指2的前指21和后指22同时在空间中的摆动自由度，这时末端执行器5能够左右摆动的幅度比第一种工作模态幅度大。

图8中的a为前指21弯曲摆动前的状态，图8中的b为前指21弯曲摆动后的状态。如图8所示，以控制第七薄板207和第八薄板208上粘结的压电陶瓷块3为例，通过对第七薄板207和第八薄板208上的压电陶瓷块3071和压电陶瓷块3081施加与极化方向相反的电压信号，对压电陶瓷块3072和压电陶瓷块3082施加与极化方向相同的电压信号，使得外侧的压电陶瓷块3071和压电陶瓷块3081伸长，内侧的压电陶瓷块3072和压电陶瓷块3082缩短，迫使第七薄板207和第八薄板208向内发生弯曲，带动前指21向内弯曲实现对物体的抓取，这时末端执行器5向内移动的位移较小，适合抓取外形尺寸较大的物体。

图9中的a为前指21和后指22弯曲摆动前的状态，图9中的b为前指21和后指22弯曲摆动后的状态。如图9所示，以控制第三薄板203、第四薄板204、第七薄板207和第八薄板208上粘结的压电陶瓷块3为例，通过对第三薄板203、第四薄板204、第七薄板207和第八薄板208上的压电陶瓷块3031、压电陶瓷块3041、压电陶瓷块3071和压电陶瓷块3081施加与极化方向相反的电压信号，对压电陶瓷块3032、压电陶瓷块3042、压电陶瓷块3072和压电陶瓷块3082施加与极化方向相同的电压信号，使得外侧的压电陶瓷块3031、压电陶瓷块3041、压电陶瓷块3071和压电陶瓷块3081伸长，内侧的压电陶瓷块3032、压电陶瓷块3042、压电陶瓷块3072和压电陶瓷块3082缩短，迫使第三薄板203、第四薄板204、第七薄板207和第八薄板208向内发生弯曲，同时带动前指21和后指22向内弯曲实现对物体的抓取，这时末端执行器5向内移动的位移比第三种工作模式向内移动的位移大，适合抓取外形尺寸较小的物体。

与现有技术相比，本发明提供的压电驱动柔顺灵巧手具有以下有益效果：

(1)克服了传统微夹持器在夹持圆型器件或位姿不正的器件时适应性不高、不够稳定的缺点。

(2)克服了传统微夹持器夹持臂空间位置不可调的缺点。

(3)通过对后指和前指是否同时弯曲的控制，可以在不更换末端执行器的状况下，使柔顺灵巧手能够抓取不同外形尺寸的物体。

因此，本发明通过对每个薄板两侧的压电陶瓷块施加相反方向的电压，使薄板一侧的压电陶瓷块伸长，另一侧的压电陶瓷块缩短，从而带动薄板弯曲，实现柔顺手指在空间位置上的微调以及在抓取物体动作上的微调，且结构简单、运动灵活、抓取稳定性高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种压电驱动柔顺灵巧手，其特征在于，所述压电驱动柔顺灵巧手包括：支撑台体、三个相同的柔顺手指、柔性连接件、压电陶瓷块和末端执行器；所述支撑台体为规则的多面体；所述柔顺手指均匀的布置在所述支撑台体的外侧面上，且相邻所述柔顺手指的夹角为120度；每个所述柔顺手指均包括前指和后指，且所述前指和所述后指之间通过所述柔性连接件连接；所述压电陶瓷块粘结在所述前指和所述后指的外表面上；所述的末端执行器安装在所述前指的末端；

通过控制施加在所述压电陶瓷块的两端电压的大小和方向，使所述压电陶瓷块发生相应的变形，带动所述前指和所述后指向左或向右弯曲。

2.根据权利要求1所述的压电驱动柔顺灵巧手，其特征在于，所述支撑台体为截面为正六边形的柱体；三个所述柔顺手指通过固定螺栓均匀安装在所述支撑台体呈120度对称的三个平面上。

3.根据权利要求1所述的压电驱动柔顺灵巧手，其特征在于，所述前指和所述后指均由弹性元件制成且均为十字形结构；所述压电陶瓷块粘结在所述前指和所述后指的十字形表面上；每个所述前指和所述后指上均粘结有八个所述压电陶瓷块。

4.根据权利要求1所述的压电驱动柔顺灵巧手，其特征在于，每个所述前指均包括四个薄板，且四个所述薄板组合形成十字形结构；每个所述后指均包括四个薄板，且四个所述薄板组合形成十字形结构。

5.根据权利要求4所述的压电驱动柔顺灵巧手，其特征在于，每个所述薄板的两侧均粘结有所述压电陶瓷块，且每个所述薄板两侧粘结的所述压电陶瓷块的极化方向相同。

6.根据权利要求5所述的压电驱动柔顺灵巧手，其特征在于，每个所述薄板两侧粘结的所述压电陶瓷块施加的电压的方向相反。

7.根据权利要求1所述的压电驱动柔顺灵巧手，其特征在于，所述柔性连接件为柔性万向铰链；所述柔性万向铰链的形状为沙漏形。

8.根据权利要求1所述的压电驱动柔顺灵巧手，其特征在于，所述末端执行器的长度根据所要抓取的物体的外形尺寸而确定；所述压电陶瓷块的尺寸根据所述前指和所述后指的尺寸而确定。

9.根据权利要求1所述的压电驱动柔顺灵巧手，其特征在于，所述压电驱动柔顺灵巧手的驱动元件为所述压电陶瓷块。

10.根据权利要求1所述的压电驱动柔顺灵巧手，其特征在于，所述压电驱动柔顺灵巧手包括摆动自由度运动和弯曲自由度运动。