CN108724147B - 一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳，它解决了现有技术中实现恒力输出的夹钳机构结构复杂的问题，具有能实现夹钳的夹持力为恒力输出，且输出恒力大小可以实现调整的有益效果，其方案如下：一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳，包括设于基座的静夹钳机构，静夹钳机构内设置直线驱动电机，直线驱动电机端部与动夹钳机构连接，动夹钳机构包括刚体，刚体的一侧设置与静夹钳机构连接的导向机构，刚体内侧与调节机构固连，且调节机构的输出端与正刚度机构的一端连接，正刚度机构另一端通过动夹钳钳臂与负刚度机构相并联在一起，直线驱动电机推动动夹钳机构，在导向机构的作用下，来完成动夹钳钳臂趋向静夹钳机构运动实现夹取。

Description

一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳

技术领域

本发明涉及维纳操作领域，特别是涉及一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳。

背景技术

微夹钳是微纳定位操作技术中的一部分，是微机电系统中的一种典型的微执行器。微夹钳的诞生和应用实现了微米级的物体甚至纳米级的物体的定位和操作，比如生物细胞的操作、半导体蚀刻、微装配等。由于其重要性及广泛引用，近年来它已经成为微纳米领域的研究热点。

微夹钳以微小目标为研究对象，可实现的操作类型有移动、组装等，是微夹持系统的执行器，它在运行时发挥的好坏是影响整个系统性能的直接因素。因此，安全、高精度定位夹持是微夹钳设计的一个重要问题。为了避免夹钳在夹取物体时作用在精密/易碎物体的夹持力过大而导致物体损坏，需要解决和平衡好力和位移之间的关系。很多夹钳设计都是通过位移控制和力控制的策略来克服上述问题。虽然，通过精准的控制策略可以达到输出力范围的控制，但是建立控制系统非常复杂，而且需要高成本和高投入，因此需要其他的方式来简化控制策略。

解决夹钳夹持力问题的另一种方法，就是引入一种零刚度机构。零刚度的含义就是dF/dx＝0，即随着位移的增加，输出力是恒定的，也就是一种恒力机构。所以说，零刚度柔性夹钳能够提供在一定的位移范围中提供恒力输出，能够很好的解决上述问题，而且它的结构简单、成本低、易于制造。

零刚度机构的设计在很早就已经出现，有很多不同的方法去实现。很多零刚度机构都是用恒力弹簧，但是恒力弹簧自身无法改变恒定力的大小，除非更换弹簧；也有使用双滑块机构或者变截面变形板簧，但存在的不足是设计结构复杂，不便于推广。

因此，需要对一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳进行新的研究设计。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳，不仅可以实现夹钳的夹持力为恒力输出，且输出恒力大小能够可调。

一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳的具体方案如下：

一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳，包括设于基座的静夹钳机构，静夹钳机构内设置直线驱动电机，直线驱动电机端部与动夹钳机构连接，动夹钳机构包括刚体，刚体的一侧设置与静夹钳机构连接的导向机构，刚体内侧与调节机构固连，且调节机构的输出端与正刚度机构的一端连接，正刚度机构另一端通过动夹钳钳臂与负刚度机构相并联在一起，正刚度机构和负刚度机构二者发生相同的位移，当它们的刚度大小相等、符号相反时，它们就形成了一种零刚度机构，只有当在夹持物体时，施加在物体上的夹持力反作用给夹钳时才会形成恒定力，直线驱动电机推动动夹钳机构，在导向机构的作用下，来完成动夹钳钳臂趋向静夹钳机构运动实现夹取，即夹取的动作。

上述微夹钳机构，通过正刚度机构与负刚度机构的并联，使二者刚度的大小相等、方向相反，就能构成一个零刚度机构，从而输出恒力，通过调节机构的设置，输入位移施加给正刚度机构，正刚度机构就会在工作之前受到一个与工作方向相反的预载位移，这样可以使正负刚度结合形成的恒定力大小发生变化，整个机构通过直线驱动电机推动动夹钳机构，在导向机构的帮助下，来完成动夹钳靠近静夹钳，即夹取的动作。那么随着动夹钳越来越靠近静夹钳时，会使被夹持物发生变形，当变形范围进入零刚度区域时，即恒力区域时，被夹持物在这段范围受到的夹持力将保持不变，也就完成了恒力夹取的目的。

其中，所述调节机构为对称的桥式放大机构，直线驱动电机为音圈电机，音圈电机底部通过音圈电机基座固定于基座，静夹钳机构中部空心设置以用于容纳音圈电机。

进一步地，所述导向机构为对称的两根平行板簧结构，板簧结构的两端与所述的静夹钳机构连接，板簧结构的中部公共端固定于动夹钳机构的刚体。

进一步地，所述桥式放大机构包括设于该机构中心的压电叠堆驱动器，该驱动器的两侧分别与输入质量块中段连接，输入质量块为T字形，输入质量块的端部通过柔性铰链、第一质量块与输出质量块连接。

进一步地，所述桥式放大机构中输出质量块与正刚度机构相并联在一起，输出质量块侧部通过第二柔性铰链与第一质量块一端连接，第一质量块的另一端通过第一柔性铰链与输入质量块连接，第二柔性铰链与第一柔性铰链非同一直线设置。

进一步地，所述直线驱动电机端部设置连接件，连接件与所述导向机构连接，连接件用于传递驱动力，该连接件与动夹钳机构通过螺钉进行连接。连接件呈L形，在垂直面设有与标准音圈电机动子对应的通孔，通过螺钉与所述的音圈电机动子固定。在水平面设有与所述的动夹钳机构相对应的通孔，通过螺钉与动夹钳机构固定连接。

进一步地，所述正刚度机构呈对称的口字形结构，包括板簧和第二质量块。

进一步地，所述正刚度机构包括两根第一板簧和两根第二板簧，第一板簧一端连接输出质量块，另一端连接第二质量块；第二板簧同样与第二质量块的一端连接，另一端连接动夹钳钳臂，通过输出质量块使得调节机构与正刚度机构同样并联连接在一起，两根第一板簧分别设于输出质量块的一侧，两根第二板簧分别设于动夹钳钳臂的两侧。

进一步地，所述负刚度机构包括两根完全对称的倾斜板簧，倾斜板簧的一端固定于所述的刚体，另一端与动夹钳钳臂侧部相连，两根倾斜板簧朝向动夹钳钳臂弯折。

进一步地，所述动夹钳钳臂为L型，动夹钳钳臂端部弯折设置，且动夹钳钳臂突出所述刚体设置，这样动夹钳钳臂与正刚度机构的连接侧为T型，另一侧朝向静夹钳机构的静夹钳臂设置；

或者，所述静夹钳机构一侧设于刚体侧部形成静夹钳臂，以与动夹钳钳臂间隔设定距离形成夹持空间。

进一步的，所述的基座均匀分布有若干螺纹孔，静夹钳机构和音圈电机基座分别对应设有螺钉配合的孔位，都通过螺钉配合安装紧固于基座，音圈电机基座呈倒立的L形，在其垂直面设有与标准音圈电机对应的通孔。

整个静夹钳机构和动夹钳机构，包括动夹钳机构中其他机构，都是一体结构，并非装配获得，通过整体线切割慢走丝的加工方式得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明引入了负刚度机构和正刚度机构并联结合的恒力机构，来实现微夹钳输出的夹持力为恒定力，从而代替了一些复杂的困难的高成本的控制系统，也能保证被夹持物不会因为夹持力过大而被损坏；

2)本发明通过对零刚度机构施加预载位移的方式，通过预紧力实现夹持力大小的调整，调整夹持力恒力大小值，这样可以拓宽输出恒力的范围，从而可以提高微夹钳的通用性和多用性；

3)本发明通过正刚度机构与调节机构的连接，以便通过调节机构输出预紧位移来调节夹持恒力的大小。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的整体结构图。

图2为本发明的整体结构的俯视图。

图3为本发明的整体结构左视图的全剖试图。

图4为本发明的调节机构的局部图。

图5为本发明的正刚度机构和负刚度机构的局部图。

图6为本发明的恒力大小调节的原理图。

图7为本发明的整体结构的正等轴测图。

图中：1-基座、2-静夹钳机构、3-音圈电机基座、4-音圈电机、5-连接件、6-导向机构、7-调节机构、8-压电叠堆驱动器、9-正刚度机构、10-负刚度机构、11-动夹钳机构、12-输入质量块、13-第一柔性铰链、14-第一质量块、15-第二柔性铰链、16-输出质量块、17-第一板簧、18-第二质量块、19-第二板簧、20-倾斜板簧、21-动夹钳钳臂、22-刚体。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳。

本申请的一种典型的实施方式中，一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳，如图1、2、3所示，包括：基座1、静夹钳机构2、音圈电机基座3、音圈电机4、连接件5、导向机构6、调节机构7、压电叠堆驱动器8、正刚度机构9、负刚度机构10、动夹钳机构11。基座1是带两个凸台的方形结构，在基座两端均匀分布四个沉头孔，其目的是连接微夹钳与微定位平台等微机电系统。所述的静夹钳机构2和动夹钳机构11是一体的，且通过四个均匀分布的四个沉头孔采用螺钉与基座1相固定。所述的音圈电机基座3置于基座1两个凸台的中间，并位于静夹钳机构中心镂空处，通过两个螺钉固定在基座上方。音圈电机4的静子通过螺钉固定在音圈电机基座3；动子通过螺钉与连接件5相固定。连接件5是用于连接音圈电机4和动夹钳机构11的，并传递驱动力，因此连接件也与动夹钳机构11通过两个螺钉相固定，刚体呈框形，框体侧部伸出块与连接件连接通过螺钉连接。

其中，其中导向机构包括两根板簧，以刚体中心两侧对称设置，每根板簧的一端与静夹钳机构固连，板簧另一端均与动夹钳机构的刚体连接，板簧、静夹钳机构和动夹钳机构的刚体均为一体结构。。

动夹钳机构11包括导向机构6、调节机构7、正刚度机构9和负刚度机构10这四个小机构，它们都是一体的，位于同一平面内，通过线切割加工方式得到。导向机构6为对称的两根平行板簧结构，其两端固定于静夹钳机构2，中间的公共端固定于刚体部分，这样就完成了静夹钳机构2与动夹钳机构11之间的连接；同时对称的结构设计可以消除非工作方向上的位移，即只存在夹取方向上的位移从而达到导向的目的。调节机构是一种桥式放大机构，自身完全对称，它的一端固定与刚体部分，另一端与正刚度机构9相连在一起。所述的正刚度机构9呈口字形结构，一端与调节机构7并联在一起，另一端通过动夹钳钳臂与负刚度机构相并联在一起。负刚度机构10是两根完全对称的倾斜板簧，其两端固定于刚体部分，中间公共端与动夹钳钳臂相连，也是与正刚度机构9并联在一起，发生相同的位移。

如图4所示，调节结构示意图。调节机构是一种桥式放大机构，其结构完全对称，包括压电叠堆驱动器8、柔性铰链和质量块。压电叠堆驱动器8水平安装于调节机构的中心位置，两端通过输入质量块12固定。输入质量块呈对称的“T”字形，两边对称的连接方形第一柔性铰链13。第一柔性铰链13的另一端与第一质量块14相连，第一质量块14的另一端再连接一个尺寸相同的方形第二柔性铰链15。此时第一质量块14的两个柔性铰链的垂直位置不可以相同，即不在同一条直线上(独角设置)，这样可以起到一个三角放大作用。第二柔性铰链15的另一端与输出质量块16相连，输出质量块16是与正刚度机构并联在一起。

如图5所示，正刚度机构与负刚度机构并联在一起。其中正刚度机构9的一端与调节机构的输出质量块16连接在一起形成并联。正刚度机构9呈口字形结构，包括两根第一板簧、两根第二板簧，所述两根第一平行板簧、两根第二平行板簧各自左右对称。第一板簧17一端连接输出质量块16，另一端连接第二质量块18；第二板簧19同样连接在第二质量块18的同一端，板簧的另一端连接动夹钳钳臂21。动夹钳钳臂21之上同样连接着负刚度机构10。负刚度机构10是两根完全对称的倾斜板簧，存在设定的初始倾角(起始状态朝向正刚度机构方向倾斜)。倾斜板簧20的一端连接在刚体22，另一端连接在动夹钳钳臂21上。这样的负刚度机构称为双稳态机构，存在两个稳定点，当动夹钳钳臂21相上运动时，倾斜板簧20会发生弯曲，到临界点之后发生屈曲现象，会释放自身的势能，跳变向第二稳态点，从而表现出负刚度的特性。正刚度机构和负刚度机构并联在一起，发生相同的位移，当它们的刚度大小相等、方向相反时，它们就形成了一种零刚度机构，也就是所谓的恒力机构。这种恒力机构是一种被动机构，也就是只有当在夹持物体时，施加在物体上的夹持力反作用给夹钳时才会形成恒定力。

输出恒力可调的零刚度柔性微夹钳在夹取与释放时的工作原理。柔性微夹钳由两个夹钳机构组成，一个夹钳机构是固定的(静止的)，另一个夹钳机构是活动的。在夹取被夹持物之前，先对恒力大小进行调节，通过压电叠堆驱动器8上电工作，发生位移输入给调节机构7。调节机构7通过桥式放大机构放大输入位移，并改变位移的方向，施加给与之并联的正刚度机构9。正刚度机构9就会在工作之前受到一个与工作方向相反的预载位移，这样可以使正负刚度结合形成的恒定力大小发生变化，如图6所示。微夹钳的夹取动作，通过音圈电机4的收缩来推动动夹钳机构11，同时在导向机构6的帮助下，来完成动夹钳靠近静夹钳，即夹取的动作。那么随着动夹钳越来越靠近静夹钳时，会使被夹持物发生变形，当变形范围进入零刚度区域时，即恒力区域时，被夹持物在这段范围受到的夹持力将保持不变，也就完成了恒力夹取的目的。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳，其特征在于，包括设于基座的静夹钳机构，静夹钳机构内设置直线驱动电机，直线驱动电机端部与动夹钳机构连接，动夹钳机构包括刚体、动夹钳钳臂，刚体的一侧设置与静夹钳机构连接的导向机构，刚体的内侧与调节机构固连，且调节机构的输出端与正刚度机构的一端连接，正刚度机构另一端通过动夹钳钳臂与负刚度机构相并联在一起，直线驱动电机推动动夹钳机构，在导向机构的作用下，来完成动夹钳钳臂趋向静夹钳机构运动实现夹取；

所述调节机构为对称的桥式放大机构；所述桥式放大机构包括设于该桥式放大机构的中心位置的压电叠堆驱动器和两个输入质量块，所述两个输入质量块分别设置于压电叠堆驱动器的两侧，所述输入质量块为T字形，该压电叠堆驱动器的两侧分别与所述输入质量块的中段连接；

所述导向机构为对称设置的两根平行板簧，每根板簧的一端与静夹钳机构固连，每根板簧另一端均与动夹钳机构的刚体连接；

所述桥式放大机构中的输出质量块与正刚度机构相并联在一起，输出质量块侧部通过第二柔性铰链与第一质量块一端连接，第一质量块的另一端通过第一柔性铰链与输入质量块连接，第二柔性铰链与第一柔性铰链非同一直线设置；

所述正刚度机构包括两根第一板簧和两根第二板簧，所述两根第一板簧左右对称，所述两根第二板簧左右对称；每根第一板簧一端连接输出质量块，另一端连接第二质量块的一端；所述第二质量块的一端同样与第二板簧的一端连接，所述第二板簧的另一端连接动夹钳钳臂。

2.根据权利要求1所述的一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳，其特征在于，所述直线驱动电机端部设置连接件，连接件与所述导向机构连接。

3.根据权利要求1所述的一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳，其特征在于，所述负刚度机构包括两根完全对称的倾斜板簧，每根所述倾斜板簧的一端固定于所述的刚体，另一端与动夹钳钳臂侧部相连。

4.根据权利要求1所述的一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳，其特征在于，所述动夹钳钳臂为L型，动夹钳钳臂端部弯折设置，且动夹钳钳臂突出所述刚体设置。

5.根据权利要求1所述的一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳，其特征在于，所述静夹钳机构一侧设于刚体侧部形成静夹钳臂，以与动夹钳钳臂间隔设定距离形成夹持空间。

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