CN108656140A - 一种压电纤维驱动微夹钳与使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电纤维驱动微夹钳与使用方法，设有一个U形的微夹钳基体两端通过柔性铰链与折弯状微夹钳后臂的后端相连接，折弯状微夹钳后臂的前端通过柔性铰链与一字状的前臂的后端相连接，一字状的前臂的前端之间形成缝状钳口，其特征在于：全部柔性铰链的两侧分别设有压电纤维片。也可以仅在所有柔性铰链的单侧设有压电纤维片，或者仅在所述折弯状微夹钳后臂的后端双侧或单侧各设有压电纤维片；也可以仅在所有一字状的前臂的后端双侧或单侧各设有压电纤维片。本发明以一种简单的结构，实现了微夹钳的夹持和松开动作，操作灵活、位移大、夹持力强，可广泛应用于微机器人、微机械加工和微装配中。
Description
技术领域 本发明涉及一种微机器人的执行机构。
背景技术 微夹钳是国内外微机械领域研究的一个前沿课题，其不仅可以作为微机器人的执行机构，还在微机械加工、装配、微焊接、生物工程研究、医学、光学等领域均有相关的应用。微夹钳的主要功能为夹持或抓取微小物体和微型机构。其操作方式主要分为吸附和夹持：采用吸附方式时对加工对象的形状和材质有严格要求，而采用夹持方式时对加工对象没有严格要求，因此后者使用范围较广。
在采用夹持方式的微夹钳中多为柔性结构和压电陶瓷执行器的配合，其具有位移分辨率高、响应快、无摩擦磨损等优点。但是这种方案也有明显的缺点：由于压电陶瓷执行器的输出位移普遍较小，在毫米或亚毫米的场合，微夹钳的柔性结构需要采用位移放大结构，这样势必增加结构的复杂性，而且操作不灵活，钳口张开度有限，使得其使用范围受限，执行效果不理想。本发明设计了一种压电纤维片驱动的微夹钳，其结构简单、钳口张开度大、夹持力大、操作灵活、应用范围广。
发明内容 本发明的目的是针对以上不足和应用前景提供一种结构简单，操作灵活，具备大夹持力和大位移的微夹钳，本发明的技术解决方案是这样实现的：
一种压电纤维驱动微夹钳，设有一个U形的微夹钳基体，微夹钳基体的一端通过柔性铰链i与折弯状微夹钳后臂i的后端相连接而另一端通过柔性铰链ii与折弯状微夹钳后臂ii的后端相连接，折弯状微夹钳后臂i的前端通过柔性铰链iii与一字状的前臂i的后端连接而折弯状微夹钳后臂ii的前端通过柔性铰链iv与一字状的前臂ii的后端连接，一字状的前臂i的前端与一字状的前臂ii的前端之间形成缝状钳口，其特征在于：柔性铰链i的两侧分别设有压电纤维片i和压电纤维片ii，柔性铰链ii的两侧分别设有压电纤维片iii和压电纤维片iv，柔性铰链iii的两侧分别设有压电纤维片v和压电纤维片vi，柔性铰链iv的两侧分别设有压电纤维片vii和压电纤维片viii。本案例中可根据需要在柔性铰链i、柔性铰链ii、柔性铰链iii、柔性铰链iv的单侧设有压电纤维片，或在折弯状微夹钳后臂i、折弯状微夹钳后臂ii、一字状的前臂i、一字状的前臂ii的后端双侧或单侧设有压电纤维片。本案例中所有柔性铰链均为圆弧形，可以根据需要将其设计成方形、梯形、椭圆形等形式。本案例中主要采用压电纤维片直接驱动柔性铰链关节部位的驱动方式，与传统的压电陶瓷执行器驱动相比较，压电纤维片输出位移更大，输出力也更大，使微夹钳操作更加灵活，有较大的输出位移和较大的夹持力。
由于采用上述技术方案，本发明提供一种压电纤维驱动微夹钳，通过一种简单的结构，使微夹钳具有动作灵活、钳口张开度大、位移大、夹持力大、应用范围广的特点，可作为微机器人、微机械加工的执行器，使其具有更好的工作性能。
附图说明
图1为本发明一种压电纤维驱动微夹钳的立体图；
图2为本发明一种压电纤维驱动微夹钳的主视图；
图3为图2的左视图。
图中：1、微夹钳基体，2-1、微夹钳后臂i，2-2、微夹钳后臂ii，3-1、前臂i，3-2、前臂ii，4、柔性铰链i，5、柔性铰链ii，6、柔性铰链iii，7、柔性铰链iv，8、压电纤维片i，9、压电纤维片ii，10、压电纤维片iii，11、压电纤维片iv，12、压电纤维片v，13、压电纤维片vi，14、压电纤维片vii，15、压电纤维片viii，16、微夹钳钳口。
具体实施方式 从附图可以看出本发明采用压电纤维片作为驱动器，实现微夹钳后臂和前臂的左右运动，完成微夹钳的夹持或抓取动作。
压电纤维驱动微夹钳，设有一个U形的微夹钳基体1，微夹钳基体1的一端通过柔性铰链i-4与折弯状微夹钳后臂i-2-1的后端相连接而另一端通过柔性铰链ii-5与折弯状微夹钳后臂ii-2-2的后端相连接，折弯状微夹钳后臂i-2-1的前端通过柔性铰链iii-6与一字状的前臂i-3-1的后端连接而折弯状微夹钳后臂ii-2-2的前端通过柔性铰链iv-7与一字状的前臂ii-3-2的后端连接，一字状的前臂i-3-1的前端与一字状的前臂ii-3-2的前端之间形成缝状钳口16，其特征在于：柔性铰链i-4的两侧分别设有压电纤维片i-8和压电纤维片ii-9，柔性铰链ii-5的两侧分别设有压电纤维片iii-10和压电纤维片iv-11，柔性铰链iii-6的两侧分别设有压电纤维片v-12和压电纤维片vi-13，柔性铰链iv-7的两侧分别设有压电纤维片vii-14和压电纤维片viii-15。
根据压电纤维片的逆压电效应，在电压作用下，压电纤维片可以完成伸长和缩短的动作。柔性铰链i-4两侧的压电纤维片i-8和压电纤维片ii-9和柔性铰链ii-5两侧的压电纤维片iii-10和压电纤维片iv-11通过压电纤维片ii-9、压电纤维片iv-11的缩短和压电纤维片i-8、压电纤维片iii-10伸长可以实现折弯状微夹钳后臂i-2-1、折弯状微夹钳后臂ii-2-2朝内侧弯曲，通过压电纤维片ii-9、压电纤维片iv-11的伸长和压电纤维片i-8、压电纤维片iii-10缩短可以实现折弯状微夹钳后臂i-2-1、折弯状微夹钳后臂ii-2-2朝外侧弯曲，从而实现折弯状微夹钳后臂i-2-1、折弯状微夹钳后臂ii-2-2的左右运动。柔性铰链iii-6两侧的压电纤维片v-12和压电纤维片vi-13和柔性铰链iv-7两侧的压电纤维片vii-14和压电纤维片viii-15通过压电纤维片vi-13、压电纤维片viii-15的缩短和压电纤维片v-12、压电纤维片vii-14伸长可以实现一字状的前臂i-3-1、一字状的前臂ii-3-2朝内侧弯曲，通过压电纤维片vi-13、压电纤维片viii-15的伸长和压电纤维片v-12、压电纤维片vii-14缩短可以实现一字状的前臂i-3-1、一字状的前臂ii-3-2朝外侧弯曲，从而实现一字状的前臂i-3-1、一字状的前臂ii-3-2的左右运动。一字状的前臂i-3-1、一字状的前臂ii-3-2、折弯状微夹钳后臂i-2-1、折弯状微夹钳后臂ii-2-2一致向内侧弯曲可以实现微夹钳的夹持动作，一致向外侧弯曲可以实现微夹钳的松开动作，也可以单个臂进行弯曲完成夹持和松开的动作。折弯状微夹钳后臂i-2-1、折弯状微夹钳后臂ii-2-2主要提供输出位移、辅助提供夹持力，一字状的前臂i-3-1、一字状的前臂ii-3-2主要提供夹持力、辅助提供输出位移。本案例中还可以在柔性铰链i-4、柔性铰链ii-5、柔性铰链iii-6、柔性铰链iv-7的单侧设置压电纤维片。本案例中还可以在折弯状微夹钳后臂i-2-1、折弯状微夹钳后臂ii-2-2和一字状的前臂i-3-1、一字状的前臂ii-3-2的后端两侧或单侧设置压电纤维片。本案例中所有柔性铰链均为圆弧形，可以根据需要将其设计成方形、梯形、椭圆形等形式。
这种压电纤维驱动微夹钳的使用方法，其特点是：将传统夹钳的刚性结构，通过仿生手指的原理，采用柔性铰链结构对其进行柔顺化，增加柔性关节，同时将微夹钳夹臂分成前臂和后臂；采用控制关节的驱动方法，对微夹钳柔性关节进行直接驱动控制，通过控制新型智能材料压电纤维片的伸长和缩短，直接控制微夹钳的柔性关节—柔性铰链结构，使微夹钳如同手指一样，可灵活弯曲伸展。
本案例中主要采用压电纤维片直接驱动柔性铰链关节部位的驱动方式，与传统的压电陶瓷执行器驱动相比较，压电纤维片输出位移更大，输出力也更大，使微夹钳操作更加灵活，夹取精确，并且使微夹钳具有较大的输出位移和较大的夹持力，可适用于多种场合，能够完成一些复杂的夹持动作，操作性能较好。
综上所述，本发明的压电纤维驱动微夹钳，利用了压电纤维片的逆压电效应，以一种简单的U形结构实现了微夹钳的夹持和松开动作，其动作灵活、位移大、夹持力大，可广泛应用于微机器人、微机械加工和微装配中。
Claims (10)
1.一种压电纤维驱动微夹钳，设有一个U形的微夹钳基体(1)，所述微夹钳基体(1)的一端通过柔性铰链i(4)与折弯状微夹钳后臂i(2-1)的后端相连接而另一端通过柔性铰链ii(5)与折弯状微夹钳后臂ii(2-2)的后端相连接，所述折弯状微夹钳后臂i(2-1)的前端通过柔性铰链iii(6)与一字状的前臂i(3-1)的后端连接而所述折弯状微夹钳后臂ii(2-2)的前端通过柔性铰链iv(7)与一字状的前臂ii(3-2)的后端连接，所述一字状的前臂i(3-1)的前端与一字状的前臂ii(3-2)的前端之间形成缝状钳口(16)，其特征在于：所述柔性铰链i(4)的两侧分别设有压电纤维片i(8)和压电纤维片ii(9)，所述柔性铰链ii(5)的两侧分别设有压电纤维片iii(10)和压电纤维片iv(11)，所述柔性铰链iii(6)的两侧分别设有压电纤维片v(12)和压电纤维片vi(13)，所述柔性铰链iv(7)的两侧分别设有压电纤维片vii(14)和压电纤维片viii(15)。
2.根据权利要求1所述的压电纤维驱动微夹钳，其特征在于：仅在所述柔性铰链i(4)、柔性铰链ii(5)、柔性铰链iii(6)、柔性铰链iv(7)的单侧各设有压电纤维片。
3.根据权利要求1所述的压电纤维驱动微夹钳，其特征在于：仅在所述折弯状微夹钳后臂i(2-1)、折弯状微夹钳后臂ii(2-2)的后端双侧各设有压电纤维片。
4.根据权利要求1所述的压电纤维驱动微夹钳，其特征在于：仅在所述折弯状微夹钳后臂i(2-1)、折弯状微夹钳后臂ii(2-2)的后端单侧各设有压电纤维片。
5.根据权利要求1所述的压电纤维驱动微夹钳，其特征在于：仅在所述一字状的前臂i(3-1)、一字状的前臂ii(3-2)的后端双侧各设有压电纤维片。
6.根据权利要求1所述的压电纤维驱动微夹钳，其特征在于：仅在所述一字状的前臂i(3-1)、一字状的前臂ii(3-2)的后端单侧各设有压电纤维片。
7.根据权利要求1所述的压电纤维驱动微夹钳，其特征在于：所述柔性铰链i(4)、柔性铰链ii(5)、柔性铰链iii(6)、柔性铰链iv(7)的形状均为圆弧形。
8.根据权利要求7所述的压电纤维驱动微夹钳，其特征在于：所述柔性铰链形状均为方形。
9.根据权利要求1所述的压电纤维驱动微夹钳的使用方法，其特征在于：采用控制关节的驱动方法，对微夹钳柔性关节进行直接驱动控制，通过对柔性铰链结构—柔性关节处的刚性结构进行牵引和拉伸。
10.根据权利要求9所述的压电纤维驱动微夹钳的使用方法，其特征在于：采用柔性铰链两侧分别设有的压电纤维片对微夹钳的柔性关节—柔性铰链结构进行直接驱动。
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