CN109129410B - 夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及夹爪为光纤Fabry‑Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳，以解决现有技术中的微夹钳的夹爪不能同时实现夹持部件和夹持力自传感的问题。其包括：基座、固定于基座上的单片柔性机构、安装于单片柔性机构上开设的空腔内的执行器、F‑P解调仪、以及与执行器和F‑P解调仪连接的控制器，单片柔性机构包括：位移放大机构，位移放大机构的输入级与执行器相抵接，位移放大机构的两个输出级分别对应连接有一个夹爪；微夹钳还包括：一个或两个第一光纤Fabry‑Perot干涉仪，一个第一光纤Fabry‑Perot干涉仪对应一个夹爪，第一光纤Fabry‑Perot干涉仪包括：用于形成夹爪的夹持部以及用于形成对夹爪对待夹持部件进行夹持时产生的形变进行传感的夹持力传感部，第一光纤Fabry‑Perot干涉仪与F‑P解调仪连接。

Description

夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳

技术领域

本发明涉及微操作和微装配领域，具体是一种夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳。

背景技术

随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）的迅猛发展，加之传统MEMS制造工艺不能制造出具有复杂三维几何结构和由不同材料构成的微小零件，微装配和微操作技术显现出了举足轻重的作用。微夹钳是微装配系统和微操作系统的末端执行器，直接与被操作的对象相接触，对微装配与微操作任务的完成起着决定性作用，广泛应用于生物医学、电子制造、航空航天和军事等领域。

常用的微夹钳驱动方式包括静电驱动、电热驱动、形状记忆驱动、电磁驱动和压电驱动等，相比于其他驱动方式，压电驱动具有位移分辨率高、驱动力大、频响范围宽、响应速度快和动态性能好等优点，因而特别适合作为微夹钳的驱动。

但由于压电执行器的输出位移量小，为了完成夹持任务，常常采用位移放大机构将执行器输出的微小位移放大后传递给夹爪；同时由于压电叠堆执行器驱动力大，而被夹持的对象小、壁薄易脆，而位移放大机构有缩小力的作用，因此采用位移放大机构将微执行器输出的驱动力缩小后再传递给夹爪。对微夹钳的位移放大机构的最基本要求是体积小、结构简单、无间隙、无机械摩擦、运动灵敏度高、分辨率高、稳定的位移放大倍率和力缩小倍率。

并且，由于夹持对象的尺寸一般小于100 μm，且易发生变形、折断等损坏，通常需要采用具有力反馈的可控微夹钳完成操作，常见的做法是在微夹钳上安装夹持力传感器，如半导体应变片等。本发明人（Wang D H, Yang Q, and Dong H M, A MonolithicCompliant Piezoelectric-Driven Microgripper: Design, Modeling, and Testing,IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol 18, No 1, 138-147, Feb 2013；王代华, 杨群, 一种压电致动微夹钳及其开环位移特性, 纳米技术与精密工程, Vol 8, No1, 47-53, January 2010）报道了一种微夹钳的结构，就是采用在微夹钳上粘贴半导体应变片的方式实现力传感的。但在微装配/微操作中，由于夹爪的夹持力很小，应变片等传感器的输出信号本来就很微弱，再加上不可避免的电磁干扰、传感器安装困难且易带来误差等问题，使得微小夹持力的准确测量就显得尤为困难。综上，具有精度高、稳定性好、分辨力小、能避免电磁干扰、能实现夹持力自传感等诸多优点的微夹钳成为了迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳，以解决现有技术中的微夹钳的夹爪不能同时实现夹持部件和夹持力自传感问题。

本发明的技术方案为：

本发明提供了一种夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳，包括：基座、固定于所述基座上的单片柔性机构、安装于所述单片柔性机构上开设的空腔内的执行器、F-P解调仪、以及与所述执行器和所述F-P解调仪连接的控制器，所述单片柔性机构包括：

位移放大机构，所述位移放大机构的输入级与所述执行器相抵接，所述位移放大机构的两个输出级分别对应连接有一个夹爪；

所述微夹钳还包括：

一个或两个第一光纤Fabry-Perot干涉仪，一个所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪对应一个夹爪，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪包括：用于形成所述夹爪的夹持部以及用于形成对所述夹爪对待夹持部件进行夹持时产生的形变进行传感的夹持力传感部，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪与所述F-P解调仪连接；

在所述控制器控制所述执行器在第一方向推动所述位移放大机构的输入级时，所述位移放大机构的输入级将所述执行器在所述第一方向上推动产生的运动位移转换为第二方向上的运动位移，并经由所述位移放大机构的输出级传递至所述夹爪位置处，使两个所述夹爪闭合，对待夹持部件进行夹持；所述第一方向与所述第二方向在水平方向上相垂直。

优选地，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪包括：第一输入/输出光纤、第一石英毛细管和第一反射光纤，所述第一石英毛细管的一端与所述第一输入/输出光纤熔接，所述第一石英毛细管的另一端与所述第一反射光纤熔接；所述夹爪形成于所述第一反射光纤上，所述第一输入/输出光纤与所述F-P解调仪连接；

其中，所述第一输入/输出光纤上朝向所述第一石英毛细管的第一石英毛细管-输入/输出光纤界面与所述第一反射光纤上朝向所述第一石英毛细管的第一反射光纤-石英毛细管界面之间形成一个第一Fabry-Perot腔，所述第一反射光纤形成所述夹持部，所述第一Fabry-Perot腔形成所述夹持力传感部，所述第一Fabry-Perot腔位于可感应所述夹爪对待夹持部件进行夹持时产生形变的位置处，所述第一石英毛细管-输入/输出光纤界面与所述位移放大机构的输出级的前端端面齐平或位于所述位移放大机构的输出级的前端端面之前。

优选地，所述微夹钳还包括：

与第一光纤Fabry-Perot干涉仪数量相同的第二光纤Fabry-Perot干涉仪，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪和所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪一一对应连接，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪通过所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪与所述F-P解调仪连接，所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪包括：用于形成对所述位移放大机构移动时产生的形变进行传感的夹爪位移传感部。

优选地，所述夹爪的夹持面为在所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪的夹持部上加工形成的圆柱面、平面或与所述待夹持部件的表面相贴合的曲面。

优选地，所述位移放大机构的输出级为在所述单片柔性机构上加工形成的平行四边形机构，所述平行四边形机构的相邻两根连杆之间通过第一柔性铰链连接，且所述平行四边形机构的其中一根连杆与所述位移放大机构的输入级连接。

优选地，所述位移放大机构的输入级为所述单片柔性机构上加工形成的两个四连杆机构，两个所述四连杆机构对称设置，两个所述四连杆机构与两个所述平行四边形机构一一对应，所述四连杆机构的相邻两根连杆之间通过第二柔性铰链连接，所述四连杆机构的两个固定端与所述基座固定连接，所述四连杆机构的输入端与所述执行器相抵接，所述四连杆机构的输出端与所述平行四边形机构的其中一根连杆连接。

优选地，所述位移放大机构的输入级为在所述单片柔性机构上加工形成的一个桥式位移放大机构，所述空腔位于所述桥式位移放大机构内，所述桥式位移放大机构的其中一个输出端与两个所述平行四边形机构中的其中一个平行四边形机构的其中一根连杆连接，所述桥式位移放大机构的另外一个输出端与另外一个所述平行四边形机构的其中一根连杆连接。

优选地，所述第一柔性铰链和所述第二柔性铰链均为椭圆柔性铰链、直圆柔性铰链或直梁柔性铰链。

优选地，所述空腔内安装有相对设置的两个垫块，且所述执行器设置于两个所述垫块之间，其中一个所述垫块与所述位移放大机构的输入级相抵接，另一所述垫块与所述空腔内朝向位移放大机构的输入级的一侧侧壁相抵接；

所述垫块朝向所述单片柔性机构的一侧端面上开设有凹槽，所述单片柔性机构卡设于所述凹槽内。

本发明的有益效果为：

1）夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪，能够实现对夹持力的自传感，或同时实现对夹持力的自传感和夹爪位移的传感，可以实现微小对象的夹持，精度高，分辨力小，稳定性好，能避免电磁干扰。

2）作为夹爪的光纤Fabry-Perot干涉仪，为全石英的结构，结构简单，整体性好，易于加工，提高了本发明的适用广度。

3）夹持对象时，夹爪平行移动，保证可靠地完成夹持任务，不易造成零件滑动或脱落。

附图说明

图1为本发明的结构示意图之一；

图2为本发明的结构示意图之二；

图3为本发明的光纤Fabry-Perot干涉仪在位移放大机构的输出级上的安装结构图；

图4为本发明实施例中的光纤Fabry-Perot干涉仪的结构图；

图5为本发明实施例中的光纤复用传感器的结构图；

图6为本发明实施例中的光纤复用传感器在单片柔性机构上的安装结构图；

图7为本发明的单片柔性机构的结构示意图之一；

图8为本发明的单片柔性机构的结构示意图之二；

图9为本发明的单片柔性机构的结构示意图之三；

图10为本发明的单片柔性机构的结构示意图之四；

图11为本发明的单片柔性机构的结构示意图之五；

图12为本发明的单片柔性机构的结构示意图之六；

图13为本发明的四连杆机构的结构图；

附图标记说明：

1—基座；2—单片柔性机构；3—执行器；4— F-P解调仪；51、52、61、62—光纤Fabry-Perot干涉仪； 7—垫块；8—驱动电源；9—电缆接口；21—位移放大机构； 221—夹爪；222—第二夹爪；211—输入级；212—输出级；212a—第一铰接点；212b—第二铰接点；212c—第三铰接点；212d—第四铰接点；213—四杆机构；214—杠杆机构；215—前端端面；216—安装槽；501—第一输入/输出光纤；502—第一石英毛细管；503—第一反射光纤；504—第一石英毛细管-输入/输出光纤界面；505—第一反射光纤-石英毛细管界面；506—第一Fabry-Perot腔；601—第二输入/输出光纤；602—第二石英毛细管；603—第二反射光纤；604—第二石英毛细管-输入/输出光纤界面；605—第二反射光纤-石英毛细管界面；606—第二Fabry-Perot腔。

具体实施方式

参照图1至图11，一种夹爪为光纤Fabry-Perot（法布里-珀罗）干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳，包括：基座1、固定于所述基座上的单片柔性机构2、安装于所述单片柔性机构2上开设的空腔内的执行器3、F-P解调仪（法布里-珀罗解调仪）4、以及与所述执行器3和所述F-P解调仪4连接的控制器，所述单片柔性机构2包括：位移放大机构21，所述位移放大机构21的输入级211与所述执行器3相抵接，所述位移放大机构21的两个输出级212分别对应连接有一个夹爪；所述微夹钳还包括：一个或两个第一光纤Fabry-Perot干涉仪，一个所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪对应一个夹爪，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪包括：用于形成所述夹爪的夹持部以及用于形成对所述夹爪对待夹持部件进行夹持时产生的形变进行传感的夹持力传感部，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪与所述F-P解调仪4连接；在所述控制器控制所述执行器3在第一方向推动所述位移放大机构21的输入级211时，所述位移放大机构21的输入级211将所述执行器3在所述第一方向上推动产生的运动位移转换为第二方向上的运动位移，并经由所述位移放大机构21的输出级212传递至所述夹爪位置处，使两个所述夹爪闭合，对待夹持部件进行夹持；所述第一方向与所述第二方向在水平方向上相垂直。

具体地，如图7所示，该单片柔性机构2通过粘合的方式固定在基座1上，保证单片柔性机构2和基座1连接为刚性连接。基座1采用铝合金材料，也可采用其他合适的材料。基座1中有凹槽，保证其不与后文中的位移放大机构21中的柔性铰链和柔性梁接触，且不影响执行器3的运动。基座1与连接装置固定，使得微夹钳能通过连接装置接入微装配/微操作系统。单片柔性机构2是一体化的结构，采用钛合金板材通过电火花线加工工艺加工而成，该加工工艺例如为线切割工艺、激光切割工艺以及蚀刻工艺等。

本申请中，将两个夹爪分为：与位移放大机构21的一个输出级212连接的第一夹爪221以及与位移放大机构21的另一个输出级212连接的第二夹爪222，对于本申请中的第一光纤Fabry-Perot干涉仪来说，在其数量为1个时，其具体为光纤Fabry-Perot干涉仪51，如图1所示，第一夹爪221和第二夹爪222中的其中一个夹爪在光纤Fabry-Perot干涉仪51上加工形成，另外一个夹爪则是通过在未设置有光纤Fabry-Perot干涉仪的普通光纤上加工形成；在第一光纤Fabry-Perot干涉仪为2个时，其具体为光纤Fabry-Perot干涉仪51和光纤Fabry-Perot干涉仪52，如图2所示，第一夹爪221在光纤Fabry-Perot干涉仪51和光纤Fabry-Perot干涉仪52中的其中一个上加工形成，而第二夹爪222则在另外一个上加工形成。其中，对于在第一光纤Fabry-Perot干涉仪上加工形成的夹爪来说，夹爪的夹持面为在所述光纤Fabry-Perot干涉仪的夹持部上加工形成的圆柱面、平面或与待夹持部件表面相贴合的曲面。例如在待夹持部件为椎体时，夹爪的夹持面可为斜面或圆锥面。

如图1和图2所示，在本发明实施例中，第一方向为与该单片柔性机构2的中心线相平行的方向（图1和图2中标注的纵向方向），第二方向为与该单片柔性机构2的中心线相垂直的方向（图1和图2中标注的横向方向）。

该执行器3为压电陶瓷叠堆执行器，也可采用其他类型的执行器，只要能满足所需的位移分辨率、驱动力、频响范围、响应速度和动态性能即可，例如音圈电机。

在该执行器3为压电陶瓷叠堆执行器时，控制器与压电陶瓷叠堆执行器之间设有一个对压电陶瓷叠堆执行器的两极进行供电的驱动电源8，该驱动电源8输出的电压是可控的（如功率放大器），驱动电源8通过电缆接口9（如BNC接头、SMA接头等）与控制器进行通信，当控制器控制驱动电源8对该压电陶瓷叠堆执行器的两极施加电压时，压电陶瓷叠堆执行器会在第一方向上出现伸长的现象，进而推动与该压电陶瓷叠堆执行器抵接的位移放大机构21的输入级211在第一方向上产生运动位移，位移放大机构21的输入级211经过转换，将在第一方向上产生的运动位移转换为第二方向上的运动位移（即进行一次位移放大），并通过位移放大机构21的输出级212在第二方向上进行二次位移放大在第二方向上进行传递，使得第一夹爪221和第二夹爪222进行闭合，实现对待夹持部件的夹持；当控制器控制驱动电源7停止对该压电陶瓷叠堆执行器的两极施加电压时，该压电陶瓷叠堆执行器的长度复原，不再对位移放大机构21的输入级211进行推动，进而使得第一夹爪221和第二夹爪222张开，完成对已夹持部件的释放操作。

具体的，对于仅可以进行夹持力自传感的第一光纤Fabry-Perot干涉仪来说，如图3与4，其具体包括：第一输入/输出光纤501、第一石英毛细管502和第一反射光纤503，所述第一石英毛细管502的一端与所述第一输入/输出光纤501熔接，所述第一石英毛细管502的另一端与所述第一反射光纤503熔接；所述夹爪形成于所述第一反射光纤503上，所述第一输入/输出光纤501与所述F-P解调仪4连接；其中，所述第一输入/输出光纤501上朝向所述第一石英毛细管502的第一石英毛细管-输入/输出光纤界面504与所述第一反射光纤503上朝向所述第一石英毛细管502的第一反射光纤-石英毛细管界面505之间形成一个第一Fabry-Perot腔506，所述第一反射光纤503形成所述夹持部，所述第一Fabry-Perot腔506形成所述夹持力传感部，所述第一Fabry-Perot腔506位于可感应所述夹爪对待夹持部件进行夹持时产生形变的位置处，所述第一石英毛细管-输入/输出光纤界面504与所述位移放大机构21的输出级212的前端端面215齐平或位于所述位移放大机构21的输出级212的前端端面215之前。

其中，该第一输入/输出光纤501和第一反射光纤503既可以为单模光纤，也可以为多模光纤。第一输入/输出光纤501与位移放大机构21的输出级212的前端固定，具体地，如图7至12所示，在该位移放大机构21的输出级212上设置有放置该第一输入/输出光纤501的安装槽216，该安装槽216具体可以为L形槽，V形槽或弧形槽等结构形式。

下面，对该第一光纤Fabry-Perot干涉仪实现夹持力自传感的原理进行介绍。如图3与4所示，由于该第一Fabry-Perot腔506位于可感应所述夹爪对待夹持部件进行夹持时产生形变的位置处，在第一夹爪221和第二夹爪222对待夹持部件进行夹持时，第一Fabry-Perot腔506产生形变，导致第一反射光纤-石英毛细管界面505和第一石英毛细管-输入/输出光纤界面504之间的夹角发生改变，从而引起反射回第一输入/输出光纤503的光强变化；F-P解调仪4根据光强变化即可解调出第一反射光纤-石英毛细管界面505和第一石英毛细管-输入/输出光纤界面504之间的夹角的变化量，进而解算出夹持力的大小。控制器根据该F-P解调仪4解调出的夹持力大小，控制执行器3对输出的力进行调整。

为了保证该第一光纤Fabry-Perot干涉仪能够感应到形变，在本发明实施例中，要求该第一石英毛细管-输入/输出光纤界面504与位移放大机构21的输出级212的前端端面215齐平或位于位移放大机构21的输出级212的前端端面215之前。该前端端面215即为该位移放大机构21的输出级212上远离输入级211的一侧端面。

在本发明另一实施例中，微夹钳除了包括上述的能对夹持力自传感的第一光纤Fabry-Perot干涉仪之外，还包括能实现夹爪位移传感的第二光纤Fabry-Perot干涉仪，第二光纤Fabry-Perot干涉仪的数量和第一光纤Fabry-Perot干涉仪数量相同，且第一光纤Fabry-Perot干涉仪和第二光纤Fabry-Perot干涉仪一一对应连接。第一光纤Fabry-Perot干涉仪和第二光纤Fabry-Perot干涉仪形成一光纤复用传感器，第二光纤Fabry-Perot干涉仪包括：用于形成对所述位移放大机构21移动时产生的形变进行传感的夹爪位移传感部。

对于该第二光纤Fabry-Perot干涉仪来说，其数量和第一光纤Fabry-Perot干涉仪的数量相同，在第一光纤Fabry-Perot干涉仪仅为1个时，第二光纤Fabry-Perot干涉仪为与光纤Fabry-Perot干涉仪51连接的光纤Fabry-Perot干涉仪61；在第二光纤Fabry-Perot干涉仪为2个时，第二光纤Fabry-Perot干涉仪包括与光纤Fabry-Perot干涉仪51连接的光纤Fabry-Perot干涉仪61和与光纤Fabry-Perot干涉仪52连接的光纤Fabry-Perot干涉仪62。

如图5，对于此时的光纤复用传感器，其结构包括：第一输入/输出光纤501、第一石英毛细管502、第一反射光纤503、第二输入/输出光纤601、第二石英毛细管602和第二反射光纤603，其中，第一石英毛细管502的一端与该第一输入/输出光纤501熔接，另一端与该第一反射光纤503熔接，所述第一石英毛细管-输入/输出光纤界面504与所述第一反射光纤-石英毛细管界面505之间形成一个第一Fabry-Perot腔506，所述第一反射光纤503形成所述夹持部，所述第一Fabry-Perot腔506形成所述夹持力传感部；第二石英毛细管602的一端与该第二输入/输出光纤601熔接，另一端与该第二反射光纤603熔接，所述第二石英毛细管-输入/输出光纤界面604与所述第二反射光纤-石英毛细管界面605之间形成一个第二Fabry-Perot腔606，所述第二Fabry-Perot腔606形成夹爪位移传感部。第一输入/输出光纤501和第二反射光纤603为同一段光纤。此时，第一反射光纤503、第一石英毛细管502和第一输入/输出光纤501形成该第一光纤Fabry-Perot干涉仪，第二反射光纤603、第二石英毛细管602和第二输入/输出光纤601形成该第二光纤Fabry-Perot干涉仪。并且，该第二输入/输出光纤601与F-P解调仪4连接，夹爪形成于该第一反射光纤503上。第一Fabry-Perot腔506形成上述的夹持力传感部，第二Fabry-Perot腔606形成上述的夹爪位移传感部。在第一夹爪221和第二夹爪222开始闭合但第一夹爪221和第二夹爪222之间未夹持待夹持部件或者第一夹爪221和第二夹爪222未与待夹持部件接触时，该第一光纤Fabry-Perot干涉仪的第一Fabry-Perot腔506处不会产生形变，因而第一反射光纤-石英毛细管界面505和第一石英毛细管-输入/输出光纤界面504之间的夹角不会发生改变，因此第一输入/输出光纤501的反射光强不会发生变化，但在第二光纤Fabry-Perot干涉仪的第二Fabry-Perot腔606处产生形变，致使第二反射光纤-石英毛细管界面605和第二石英毛细管-输入/输出光纤界面604之间的夹角发生改变，第二输入/输出光纤601的反射光强发生变化，F-P解调仪4进行解调，获得夹爪位移的变化；而在第一夹爪221和第二夹爪222对待夹持部件进行夹持时，会使得第一Fabry-Perot腔506产生形变，进而引起第一反射光纤-石英毛细管界面505和第一石英毛细管-输入/输出光纤界面504之间的夹角发生改变，第一输入/输出光纤501的反射光强发生变化，F-P解调仪4进行解调，获得夹持力大小。

同样地，对于既可以实现夹持力自传感又能实现夹爪位移传感的光纤复用传感器来说，为了保证第一Fabry-Perot腔506能够感应到夹持待夹持部件引起形变，要求第一Fabry-Perot腔506的石英毛细管-输入/输出光纤界面504与所述位移放大机构21的输出级212的前端端面215齐平或位于所述位移放大机构21的输出级212的前端端面215之前。

对于该第二Fabry-Perot腔606来说，将该第二Fabry-Perot腔606设于感应位移放大机构21的形变的位置处的原因在于，该夹爪在第二方向上是与位移放大机构21同步发生移动的，因此，夹爪在第二方向上所发生的位移等于位移放大机构21的输出级212的前端的位移。通过对位移放大机构21在第二方向上的运动位移进行检测，实现对该夹爪在第二方向上的运动位移进行检测。对于第二Fabry-Perot腔606的安装位置，在后文中说明位移放大机构21的输出级212的具体结构处进行具体说明。

另外，在本发明实施例中，如图1和图2，从该单片柔性机构2的上侧面开槽至该单片柔性机构2的下侧面，以形成通槽（空腔）。空腔内安装有相对设置的两个垫块7，且执行器3设置于两个垫块7之间，其中一个垫块7与位移放大机构21的输入级211相抵接，另一垫块7与空腔内朝向位移放大机构21的输入级211的一侧侧壁相抵接；垫块7朝向单片柔性机构2的一侧端面上开设有凹槽，单片柔性机构2卡设于凹槽内。

并且，在基座1的上侧面与该空腔相对的位置开设有沉槽，该沉槽的设置目的是防止该垫块7和执行器3不会与基座1之间接触到。另一垫块7的设置目的是实现对该执行器3的预紧，由于该沉槽在第一方向上并非通槽，使得该另一垫块7与空腔内朝向位移放大机构21的输入级211的一侧壁相抵接，此种设置方式具有导向作用，能够使得安装在空腔内的执行器3在第一方向上的伸长或复原均是沿着该第一方向直线运动的。该单片柔性机构2卡设在垫块7的凹槽中，能够保证执行器3的中心轴线位于该单片柔性机构2的上表面上。并且，与执行器3接触的一侧为平面，保证执行器3与垫块7为刚性面接触。

参照图7至12所示，在本发明实施例中，位移放大机构21的输出级212为在单片柔性机构2上加工形成的平行四边形机构，平行四边形机构的相邻两根连杆之间通过第一柔性铰链连接，且平行四边形机构的其中一根连杆与位移放大机构21的输入级211连接。

本发明实施例中，平行四边形机构既起到对执行器3的输出位移进行二次放大的作用，又起到对夹爪的位移进行传感的作用。

基于平行四边形机构的运动特性，在一根连杆固定的情况下，对与固定连杆相邻的任意一根连杆输入平行于固定连杆方向上的力，会使得与固定连杆相对的连杆沿着该方向发生移动。因此，在本发明实施例中，在对该平行四边形机构与位移放大机构21的输入级211连接的其中一根连杆输入沿第二方向上的力时，该平行四边形机构与夹持力传感机构相连的连杆会沿第二方向上发生平行移动。平行四边形机构在第二方向的平行移动传递至夹爪位置处，使得夹爪在第二方向上发生同步移动。

并且，在本发明实施例中，平行四边形机构中的第一柔性铰链的形式可以多样，如椭圆柔性铰链、直圆柔性铰链或直梁柔性铰链，只要能够达到所需运动效果且便于精确计算即可，例如图7、8、9、10、11为直圆柔性铰链，图12为直梁柔性铰链等。

具体的，该第二Fabry-Perot腔606设置于该平行四边形机构的任意一个第一柔性铰链位置处，具体为图7至图12中的第一铰接点212a、第二铰接点212b、第三铰接点212c和第四铰接点212d中的任意一个铰接点位置处。

另外，在本发明实施例中，该位移放大机构21的输入级211也可以为多种形式，例如，如图7和12所示，位移放大机构21的输入级211为单片柔性机构2上加工形成的两个四连杆机构，两个四连杆机构对称设置，两个四连杆机构与两个平行四边形机构一一对应，四连杆机构的相邻两根连杆之间通过第二柔性铰链连接，四连杆机构的两个固定端与基座1固定连接，四连杆机构的输入端与执行器3相抵接，四连杆机构的输出端与平行四边形机构的其中一根连杆连接。

如图7和12所示，两个四连杆机构设置在该空腔的前端，四连杆机构的一个运动端（输入端）通过垫块7与执行器3紧密贴合（抵接），保证四连杆机构的输入端的运动方向与执行器3的力和位移输出方向与一致；该四连杆机构的两个固定端分别通过螺钉与基座1固定，另一个运动端（输出端）与平行四边形机构靠近该四连杆机构的一侧连杆相连。

第二柔性铰链形式可以多样，如椭圆柔性铰链、直圆柔性铰链或直梁柔性铰链，只要能够达到所需运动效果且便于精确计算即可。

如图13所示，每一四连杆机构具体由一个四杆机构213和一个杠杆机构214组成，该杠杆机构214的输入端与该垫块7抵接，四杆机构213的输入端为该杠杆机构214的输出端，该杠杆机构214以一个固定的第二柔性铰链为支点。

其中，在本发明实施例中，在位移放大机构21的输入级为两个四连杆机构时，可以通过另外一种方式来实现位移转换，两个四连杆机构的输入端通过一根连杆连接，此时，垫块7与该连杆抵接，通过推动该连杆，进而带动两个四连杆机构的输入端在第一方向上发生移动。

再或者，如图8至11所示，位移放大机构21的输入级211为在单片柔性机构2上加工形成的一个桥式位移放大机构，空腔位于桥式位移放大机构内，桥式位移放大机构的其中一个输出端与两个平行四边形机构中的其中一个平行四边形机构的其中一根连杆连接，桥式位移放大机构的另外一个输出端与另外一个平行四边形机构的其中一根连杆连接。

在本发明实施例中，如图11所示，可以设置导向机构与桥式位移放大机构相连；或，将桥式位移放大机构的一侧与基座1固定，保证桥式位移放大机构的输出轴始终与执行器3的力和位移输出方向垂直。

如图8至11所示，该执行器3置于桥式位移放大机构内，执行器3向第一方向上移动时，会带动桥式位移放大机构的两个输出端在第二方向上向内移动，进而带动两个平行四边形机构在第二方向上向内移动，最终实现夹爪的闭合。

桥式位移放大机构的形式可以多样，例如图8为菱形式，图9为椭圆式，图10和11为柔性铰链式等。

本发明实施例中，位移放大机构21的输入级211包括但不限于上述形式，只需要保证其能将执行器3的输出位移转换成夹爪的平行输出，具有稳定的位移放大倍率和力缩小倍率，且满足预期的运动灵敏度、分辨率即可。

本发明实施例提供的夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳，具有下述优点：

1）夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪，能够实现对夹持力的自传感，或同时实现对夹持力的自传感和夹爪位移的传感，可以实现微小对象的夹持，精度高，分辨力小，稳定性好，能避免电磁干扰。

2）作为夹爪的光纤Fabry-Perot干涉仪，为全石英的结构，结构简单，整体性好，易于加工，提高了本发明的适用广度。

3）夹持对象时，夹爪平行移动，保证可靠地完成夹持任务，不易造成零件滑动或脱落。

Claims (8)

1.夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳，包括：基座（1）、固定于所述基座（1）上的单片柔性机构（2）、安装于所述单片柔性机构（2）上开设的空腔内的执行器（3）、F-P解调仪（4）、以及与所述执行器（3）和所述F-P解调仪（4）连接的控制器，其特征在于，所述单片柔性机构（2）包括：

位移放大机构（21），所述位移放大机构（21）的输入级（211）与所述执行器（3）相抵接，所述位移放大机构（21）的两个输出级（212）分别对应连接有一个夹爪；

所述微夹钳还包括：

一个或两个第一光纤Fabry-Perot干涉仪，一个所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪对应一个夹爪，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪包括：用于形成所述夹爪的夹持部以及用于形成对所述夹爪对待夹持部件进行夹持时产生的形变进行传感的夹持力传感部，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪与所述F-P解调仪（4）连接；

在所述控制器控制所述执行器（3）在第一方向推动所述位移放大机构（21）的输入级（211）时，所述位移放大机构（21）的输入级（211）将所述执行器（3）在所述第一方向上推动产生的运动位移转换为第二方向上的运动位移，并经由所述位移放大机构（21）的输出级（212）传递至所述夹爪位置处，使两个所述夹爪闭合，对待夹持部件进行夹持；所述第一方向与所述第二方向在水平方向上相垂直；

所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪包括：第一输入/输出光纤（501）、第一石英毛细管（502）和第一反射光纤（503），所述第一石英毛细管（502）的一端与所述第一输入/输出光纤（501）熔接，所述第一石英毛细管（502）的另一端与所述第一反射光纤（503）熔接；所述夹爪形成于所述第一反射光纤（503）上，所述第一输入/输出光纤（501）与所述F-P解调仪（4）连接；

其中，所述第一输入/输出光纤（501）上朝向所述第一石英毛细管（502）的第一石英毛细管-输入/输出光纤界面（504）与所述第一反射光纤（503）上朝向所述第一石英毛细管（502）的第一反射光纤-石英毛细管界面（505）之间形成一个第一Fabry-Perot腔（506），所述第一反射光纤（503）形成所述夹持部，所述第一Fabry-Perot腔（506）形成所述夹持力传感部，所述第一Fabry-Perot腔（506）位于可感应所述夹爪对待夹持部件进行夹持时产生形变的位置处，所述第一石英毛细管-输入/输出光纤界面（504）与所述位移放大机构（21）的输出级（212）的前端端面（215）齐平或位于所述位移放大机构（21）的输出级（212）的前端端面（215）之前。

2.根据权利要求1所述的夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳，其特征在于，所述微夹钳还包括：

与第一光纤Fabry-Perot干涉仪数量相同的第二光纤Fabry-Perot干涉仪，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪和所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪一一对应连接，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪通过所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪与所述F-P解调仪（4）连接，所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪包括：

用于形成对所述位移放大机构（21）移动时产生的形变进行传感的夹爪位移传感部。

3.根据权利要求1至2任一项所述的夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳，其特征在于，所述夹爪的夹持面为在所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪的夹持部上加工形成的圆柱面、平面或与所述待夹持部件的表面相贴合的曲面。

4.根据权利要求1至2任一项所述的夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳，其特征在于，所述位移放大机构的输出级（212）为在所述单片柔性机构（2）上加工形成的平行四边形机构，所述平行四边形机构的相邻两根连杆之间通过第一柔性铰链连接，且所述平行四边形机构的其中一根连杆与所述位移放大机构（21）的输入级（211）连接。

5.根据权利要求4所述的夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳，其特征在于，所述位移放大机构（21）的输入级（211）为所述单片柔性机构（2）上加工形成的两个四连杆机构，两个所述四连杆机构对称设置，两个所述四连杆机构与两个所述平行四边形机构一一对应，所述四连杆机构的相邻两根连杆之间通过第二柔性铰链连接，所述四连杆机构的两个固定端与所述基座（1）固定连接，所述四连杆机构的输入端与所述执行器（3）相抵接，所述四连杆机构的输出端与所述平行四边形机构的其中一根连杆连接。

6.根据权利要求4所述的夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳，其特征在于，所述位移放大机构（21）的输入级（211）为在所述单片柔性机构（2）上加工形成的一个桥式位移放大机构，所述空腔位于所述桥式位移放大机构内，所述桥式位移放大机构的其中一个输出端与两个所述平行四边形机构中的其中一个平行四边形机构的其中一根连杆连接，所述桥式位移放大机构的另外一个输出端与另外一个所述平行四边形机构的其中一根连杆连接。

7.根据权利要求5所述的夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳，其特征在于，所述第一柔性铰链和所述第二柔性铰链均为椭圆柔性铰链、直圆柔性铰链或直梁柔性铰链。

8.根据权利要求1至2任一项所述的夹爪为光纤Fabry-Perot干涉仪且可夹持力自传感的微夹钳，其特征在于，所述空腔内安装有相对设置的两个垫块（7），且所述执行器（3）设置于两个所述垫块（7）之间，其中一个所述垫块（7）与所述位移放大机构（21）的输入级（211）相抵接，另一所述垫块（7）与所述空腔内朝向位移放大机构（21）的输入级（211）的一侧侧壁相抵接；

所述垫块（7）朝向所述单片柔性机构（2）的一侧端面上开设有凹槽，所述单片柔性机构（2）卡设于所述凹槽内。

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