CN109231152A - 利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳 - Google Patents

利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳 Download PDF

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CN109231152A CN201811158063.4A CN201811158063A CN109231152A CN 109231152 A CN109231152 A CN 109231152A CN 201811158063 A CN201811158063 A CN 201811158063A CN 109231152 A CN109231152 A CN 109231152A
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Abstract

本发明涉及一种利用光纤Fabry‑Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，以解决现有技术中的微夹钳不能同时对夹持力和夹爪位移进行精确测量的问题。其技术方案包括：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、控制器与、控制器连接的F‑P解调仪，以及与F‑P解调仪连接的光纤Fabry‑Perot复用传感器，单片柔性机构包括：位移放大机构、对称设置的两个夹持力传感机构以及对称设置的两个夹爪，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、两个夹持力传感机构和两个夹爪一一对应，且位移放大机构的输出级、夹持力传感机构和夹爪依次连接。

Description

利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微 夹钳
技术领域
本发明涉及微操作和微装配领域，具体是一种利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳。
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100μm，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，因此在微夹钳上集成夹持力传感器成为必需。夹持过程在微装配空间中进行，要精确实现自动装配任务，则必须获取夹爪位移信息，因此需要在微夹钳上集成夹爪位移传感器。所以，微夹钳的设计应保证可同时对夹持力和夹爪位移进行测量。本发明人（Wang D H, Yang Q, and Dong H M, A Monolithic CompliantPiezoelectric-Driven Microgripper: Design, Modeling, and Testing, IEEE/ASMETransactions 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, No 1, 47-53,January 2010）报道了一种微夹钳的结构，采用在微夹钳上粘贴半导体应变片的方式实现夹持力和夹爪位移的传感，但由于微夹钳的夹持力和夹爪位移很小，应变片的输出信号很微弱，而且不可避免电磁干扰，使得微小夹持力和夹爪位移的更高精度的测量受到了限制。
综上所述，精度高、稳定性好、分辨力小、能避免电磁干扰，且能实现夹持力和夹爪位移同时传感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利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，以解决现有技术中的微夹钳不能同时对夹持力和夹爪位移进行精确测量的问题。
本发明的技术方案为：
本发明提供了一种利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，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、控制器、与所述控制器连接的F-P解调仪，以及与所述F-P解调仪连接的光纤Fabry-Perot复用传感器，所述单片柔性机构包括：
位移放大机构、对称设置的两个夹持力传感机构以及对称设置的两个夹爪，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、两个所述夹持力传感机构和两个所述夹爪一一对应，且所述位移放大机构的输出级、所述夹持力传感机构和所述夹爪依次连接；
所述光纤Fabry-Perot复用传感器包括：在光纤上形成的第一光纤Fabry-Perot干涉仪和第二光纤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干涉仪均与所述F-P解调仪连接，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪安装于所述夹持力传感机构上可感应所述夹持力传感机构的形变的位置处；所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪安装于所述位移放大机构上可感应所述位移放大机构的形变的位置处；
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的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和所述夹持力传感机构依次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干涉仪和所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪均包括：输入/输出光纤、石英毛细管和反射光纤，所述石英毛细管的一端与所述输入/输出光纤熔接，所述石英毛细管的另一端与所述反射光纤熔接；所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪的输入/输出光纤与所述F-P解调仪连接；
其中，所述输入/输出光纤上朝向所述石英毛细管的石英毛细管-输入/输出光纤界面与所述反射光纤上朝向所述石英毛细管的反射光纤-石英毛细管界面之间形成一个光纤Fabry-Perot腔；所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪的输入/输出光纤和所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪的反射光纤为同一段光纤。
优选地，所述夹持力传感机构为可对所述位移放大机构的输出级在第二方向上传递的动力进行平行传递的机构，使所述夹爪在第二方向上进行平行闭合。
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第一平行四边形机构，所述第一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，且所述第一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，所述夹持力传感机构为在所述单片柔性机构上加工形成的第二平行四边形机构，所述第二平行四边形机构的相邻两根连杆之间通过第二柔性铰链连接，所述第一平行四边形机构、所述第二平行四边形机构和所述夹爪依次串联；或
所述夹持力传感机构为在所述单片柔性机构上加工形成的双柔性梁机构，所述第一平行四边形机构、所述双柔性梁机构和所述夹爪依次串联；或
所述夹持力传感机构为在所述单片柔性机构上加工形成的悬臂梁机构，所述第一平行四边形机构、所述悬臂梁机构和所述夹爪依次串联。
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第一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三柔性铰链连接，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第一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第一平行四边形机构中的其中一个第一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第一平行四边形机构的其中一根连杆连接。
优选地，在所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪安装于所述位移放大机构的输出级上时，所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪安装于所述第一平行四边形机构的其中一个所述第一柔性铰链上、任意两个所述第一柔性铰链上或者四个所述第一柔性铰链上。
优选地，在夹持力传感机构为第二平行四边形机构时，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪安装于所述第二平行四边形机构的其中一个所述第二柔性铰链上、任意两个所述第二柔性铰链上或四个所述第二柔性铰链上；
在夹持力传感机构为双柔性梁机构时，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪安装于所述双柔性梁机构的其中一根柔性梁的其中一侧表面上、两根柔性梁的内表面上、两根柔性梁的外表面上或两根柔性梁的内表面和外表面上；
在夹持力传感机构为悬臂梁机构时，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪安装于所述悬臂梁机构上的悬臂梁的内表面和/或外表面上。
优选地，所述第一柔性铰链、所述第二柔性铰链和所述第三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，所述夹爪的弯曲刚度大于所述夹持力传感机构的弯曲刚度，且所述夹爪的夹持面为平面或与待夹持部件表面相贴合的曲面。
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）利用光纤Fabry-Perot干涉仪复用技术实现夹持力和夹爪位置同时传感，结构简单、防电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高，能实现对夹持力和夹爪位移的精确测量和高精度反馈控制，本方法测量的分辨力比常见的应变传感器更小。
2）夹爪在空载时能平行张合，而且在夹持物体且同时传感夹持力和夹爪位移的同时，夹爪仍能平行移动，以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复用传感器的结构图；
图4为本发明的第一光纤Fabry-Perot干涉仪在第二平行四边形机构上的安装结构图；
图5为本发明的第二光纤Fabry-Perot干涉仪在第一平行四边形机构上的安装结构图；
图6为本发明的单片柔性机构的结构示意图之一；
图7为本发明的单片柔性机构的结构示意图之二；
图8为本发明的单片柔性机构的结构示意图之三；
图9为本发明的单片柔性机构的结构示意图之四；
图10为本发明的单片柔性机构的结构示意图之五；
图11为本发明的单片柔性机构的结构示意图之六；
图12为本发明的单片柔性机构的结构示意图之七；
图13为本发明的单片柔性机构的结构示意图之八；
图14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—光纤Fabry-Perot复用传感器；41—第一光纤Fabry-Perot干涉仪；42—第二光纤Fabry-Perot干涉仪；5—F-P解调仪；6—垫块；7—驱动电源；8—电缆接口；21—位移放大机构；22—夹持力传感机构；23—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；22a—第五铰接点；22b—第六铰接点；22d—第七铰接点；22c—第八铰接点；221、222—柔性梁；223—悬臂梁；24—第一螺孔；25—第二螺孔；26—第三螺孔；27—第四螺孔；28—第五螺孔；43—输入/输出光纤；44—石英毛细管；45—反射光纤；46—石英毛细管-输入/输出光纤界面；47—反射光纤-石英毛细管界面。
具体实施方式
参照图1至图14，本发明提供了一种利用光纤Fabry-Perot（法布里-珀罗）干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，包括：基座1、固定于基座1上的单片柔性机构2、安装于单片柔性机构2上开设的空腔内的执行器3、控制器、与控制器连接的F-P解调仪5，以及与F-P解调仪5连接的光纤Fabry-Perot复用传感器4，单片柔性机构2包括：位移放大机构21、对称设置的两个夹持力传感机构22以及对称设置的两个夹爪23，位移放大机构21的输入级211与执行器3相抵接，位移放大机构21的两个输出级212、两个夹持力传感机构22和两个夹爪23一一对应，且位移放大机构21的输出级212、夹持力传感机构22和夹爪23依次连接；光纤Fabry-Perot复用传感器4包括：在光纤上形成的第一光纤Fabry-Perot干涉仪41和第二光纤Fabry-Perot干涉仪42，第一光纤Fabry-Perot干涉仪41和第二光纤Fabry-Perot干涉仪42均与F-P解调仪5连接，第一光纤Fabry-Perot干涉仪41安装于夹持力传感机构22上可感应夹持力传感机构22的形变的位置处；第二光纤Fabry-Perot干涉仪42安装于位移放大机构21上可感应位移放大机构21的形变的位置处；在控制器控制执行器3在第一方向推动位移放大机构21的输入级211时，位移放大机构21的输入级211将执行器3在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，并经由位移放大机构21的输出级212和夹持力传感机构4依次传递至夹爪23位置处，使两个夹爪23闭合，对待夹持部件进行夹持；第一方向与第二方向在水平方向上相垂直。
具体地，在本发明中，光纤Fabry-Perot复用传感器4可以为1个或2个。在其为1个时，如图1所示，其仅安装与其中一个夹爪23连接的夹持力传感机构22和位移放大机构21上，1个光纤Fabry-Perot复用传感器4只对其中一个夹爪23引起的形变进行检测；如图2，在其为2个时，2个光纤Fabry-Perot复用传感器4分别对应安装在两个夹爪23各自连接的夹持力传感机构22和位移放大机构21上，两个光纤Fabry-Perot复用传感器4分别对两个夹爪23各自引起的形变进行检测。具体地，如图6所示，该单片柔性机构2通过螺钉连接的方式固定在基座1上，在基座1上设有5个螺孔（分别为第一螺孔24、第二螺孔25、第三螺孔26、第四螺孔27、第五螺孔28），5个螺钉与5个螺孔一一对应，保证单片柔性机构2和基座1在5个螺孔位置处的连接为刚性连接。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和夹持力传感机构22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。
夹爪23的弯曲刚度大于夹持力传感机构22的弯曲刚度，且夹爪23的夹持面为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23的夹持面可为斜面或圆锥面。
如图1与图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与图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与图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7，该驱动电源7输出的电压是可控的（如功率放大器），驱动电源7通过电缆接口8（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7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（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以及夹持力传感机构22在第二方向上进行传感，使得两个夹爪23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，进而使得两个夹爪23张开，完成对已夹持部件的释放操作。
具体地，控制器通过电缆接口8（如BNC接头、SMA接头等）与F-P解调仪（法布里-珀罗解调仪）5的输出端连接，该F-P解调仪5的输入端分别与第一光纤Fabry-Perot干涉仪41和第二光纤Fabry-Perot干涉仪42连接。可以在一根光纤（单模光纤或者多模光纤）的第一端形成一个第一光纤Fabry-Perot干涉仪41，第二端形成一个第二光纤Fabry-Perot干涉仪42，或者在一根光纤的第一端形成两个第一光纤Fabry-Perot干涉仪41以及在该一根光纤的第二端形成两个第二光纤Fabry-Perot干涉仪42，亦或者，在两根或多根光纤（两根或多根光纤相耦合）的第一端分别形成一个或两个第一光纤Fabry-Perot干涉仪41，以及在两根光纤的第二端分别形成一个或两个第二光纤Fabry-Perot干涉仪42。
如图3至5，在本发明实施例中，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪41和所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪42均包括：输入/输出光纤43、石英毛细管44和反射光纤45，所述石英毛细管44的一端与所述输入/输出光纤43熔接，所述石英毛细管44的另一端与所述反射光纤45熔接；所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪42的输入/输出光纤43与所述F-P解调仪5连接；其中，所述输入/输出光纤43上朝向所述石英毛细管44的石英毛细管-输入/输出光纤界面46与所述反射光纤45上朝向所述石英毛细管44的反射光纤-石英毛细管界面47之间形成一个光纤Fabry-Perot腔；所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪41的输入/输出光纤43和所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪42的反射光纤45为同一段光纤。
本发明实施例中，第一光纤Fabry-Perot干涉仪41粘贴在夹持力传感机构22上，其用于对夹持力传感机构22上的形变进行检测；该第二光纤Frbay-Perot干涉仪42粘贴在位移放大机构21上，其用于对位移放大机构21上的形变进行检测。其中，如图3至5所示，该第一光纤Fabry-Perot干涉仪41和第二光纤Fabry-Perot干涉仪42的形成原理为：将石英毛细管44内嵌于光纤中，石英毛细管44将光纤分隔为两端，在石英毛细管44的一端的光纤称为输入/输出光纤43（该输入/输出光纤43与F-P解调仪5连接），在石英毛细管44的另一端的光纤称为反射光纤45，输入/输出光纤43与石英毛细管44相对的端面称为石英毛细管-输入/输出光纤界面46，反射光纤45与石英毛细管44相对的端面称为反射光纤-石英毛细管界面47，石英毛细管44两端分别与对应的输入/输出光纤43的一端和反射光纤45的一端通过熔接的方式连接，石英毛细管44两端的反射光纤-石英毛细管界面47和石英毛细管-输入/输出光纤界面46构成一个光纤Fabry-Perot腔。其中，作为夹持力传感器的第一光纤Fabry-Perot干涉仪41的输入/输出光纤43和作为夹爪位移传感器的第二光纤Fabry-Perot干涉仪42的反射光纤45是同一段光纤。当第一平行四边形机构和第二平行四边形机构上的柔性铰链发生变形时，粘贴于柔性铰链上的光纤Fabry-Perot腔产生形变，导致反射光纤-石英毛细管界面47和石英毛细管-输入/输出光纤界面46之间的夹角发生改变，从而引起反射回输入/输出光纤43的光强变化；F-P解调仪5根据光强变化即可解调出反射光纤-石英毛细管界面47和石英毛细管-输入/输出光纤界面46之间的夹角的变化量，进而解算出夹持力的大小和夹爪位置。
控制器根据第一光纤Fabry-Perot干涉仪41和第二光纤Fabry-Perot干涉仪42各自感应到的形变获得夹持力和夹爪位移的具体原理如下:
根据现有技术可知，在控制器控制驱动电源7对该压电陶瓷叠堆执行器的两极施加电压使两个夹爪23闭合时，若两个夹爪23未对待夹持部件进行夹持或者两个夹爪23未与待夹持部件接触时，在夹持力传感机构22处不会产生形变，此时，第一光纤Fabry-Perot干涉仪41处不会感应到形变，F-P解调仪5根据第二光纤Fabry-Perot干涉仪42在检测形变后引起变化的光强数据进行转换计算可以获得该微夹钳的夹爪位移；而在两个夹爪23对待夹持部件进行夹持时，产生了夹持力，会使得该夹持力传感机构22发生形变，此时，第一光纤Fabry-Perot干涉仪41可以在检测到形变后发生光强变化，通过对第一光纤Fabry-Perot干涉仪41的光强变化进行转换计算获得微夹钳的夹持力。
因此，可计算出夹持力传感机构22的形变与夹持力的关系、位移放大机构21的形变与夹爪位移的关系，通过计算或标定夹持力传感机构22的形变与第一光纤Fabry-Perot干涉仪41输出信号的关系、位移放大机构21的形变与第二光纤Fabry-Perot干涉仪42输出信号的关系，控制器可以根据测量到的夹持力和夹爪位移进行精确控制，保证对待夹持部件的稳固夹持，且能够防止待夹持部件因受力较大发生变形及折断的现象。
具体地，在本发明实施例中，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6，且执行器3设置于两个垫块6之间，其中一个垫块6与位移放大机构21的输入级211相抵接，另一垫块6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6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为了防止该垫块6和执行器3不会与基座1之间接触到。另一垫块6的设置目的是为了实现对该执行器3的预紧，由于该空腔在第一方向上并非通槽，使得该另一垫块6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，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6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，垫块6与执行器3接触的一侧为平面，以保证执行器3与垫块6为刚性面接触。
参照图6至13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上加工形成的第一平行四边形机构，第一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，且第一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，第一平行四边形机构即起到对执行器3的输出位移进行二次放大的作用，又起到对执行器3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，在对该第一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，该第一平行四边形机构与夹持力传感机构22相连的连杆会沿第二方向上发生平行移动。第一平行四边形机构在第二方向的平行移动通过夹持力传感机构22传递至夹爪23位置处，使得夹爪23在第二方向上发生同步移动。
第二光纤Fabry-Perot干涉仪42可以安装在位移放大机构21的输入级211或输出级212上，在第二光纤Fabry-Perot干涉仪42安装在位移放大机构21的输入级211上时，其可以安装在四连杆机构的至少一个第三柔性铰链位置处或者桥式位移放大机构的至少一个铰接点位置处；在第二光纤Fabry-Perot干涉仪42安装在位移放大机构21的输出级212上时，第二光纤Fabry-Perot干涉仪42的布置方式可以多样，第二光纤Fabry-Perot干涉仪42安装于第一平行四边形机构的其中一个第一柔性铰链上、任意两个第一柔性铰链上或者四个第一柔性铰链上。
并且，在本发明实施例中，第一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6、7、8、9、10、12为直圆柔性铰链，图11为直梁柔性铰链等。
在本发明实施例中，夹持力传感机构22为可对位移放大机构21的输出级212在第二方向上传递的动力进行平行传递的机构，使夹爪23在第二方向上进行平行闭合。
对于夹持力传感机构22的具体形状，本发明实施例中提供了多种结构形式，具体为：如图6至11所示，夹持力传感机构22为在单片柔性机构2上加工形成的第二平行四边形机构，第二平行四边形机构的相邻两根连杆之间通过第二柔性铰链连接，第一平行四边形机构、第二平行四边形机构和夹爪23依次串联；或
如图12所示，夹持力传感机构22为在单片柔性机构2上加工形成的双柔性梁机构，第一平行四边形机构、双柔性梁机构和夹爪23依次串联；或
如图13所示，夹持力传感机构22为在单片柔性机构2上加工形成的悬臂梁机构，第一平行四边形机构、悬臂梁机构和夹爪23依次串联。
如图6至11，在夹持力传感机构22为第二平行四边形机构时，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，例如图6、7、8、9、10为直圆柔性铰链，图11为直梁柔性铰链等。
对应的，在本发明实施例中，该第二光纤Fabry-Perot干涉仪42的布置方式也可以为多种，如图6至11所示，在夹持力传感机构22为第二平行四边形机构时，第二光纤Fabry-Perot干涉仪42安装于第二平行四边形机构的其中一个所述第二柔性铰链上、任意两个所述第二柔性铰链上或四个所述第二柔性铰链上。
其中，在本发明实施例中，为了降低该光纤Fabry-Perot复用传感器4的制造难度，在光纤Fabry-Perot复用传感器4仅包括一根光纤时，第一光纤Fabry-Perot干涉仪41和第二光纤Fabry-Perot干涉仪42贴设在第一平行四边形机构和第二平行四边形机构的同一方向上的侧壁上。如图1所示，该第一光纤Fabry-Perot干涉仪41和第二光纤Fabry-Perot干涉仪42均为1个，第一光纤Fabry-Perot干涉仪41贴合在第二平行四边形机构的外侧壁上，第二光纤Fabry-Perot干涉仪42均贴合在第一平行四边形机构的外侧壁上。也即，在图1和图3中，在第一光纤Fabry-Perot干涉仪41贴设在第五铰接点22a和/或第六铰接点22b上时，该第二光纤Fabry-Perot干涉仪42最优的贴设位置为第一铰接点212a和/或第三铰接点212c上。
在光纤Fabry-Perot复用传感器4包括两根光纤且第一光纤Fabry-Perot干涉仪41和第二光纤Fabry-Perot干涉仪42均为两个时，两根光纤上分别设有一个第一光纤Fabry-Perot干涉仪4和一个第二光纤Fabry-Perot干涉仪42。在两根光纤上形成的第一光纤Fabry-Perot干涉仪41可以对角设置，实现对第二平行四边形机构上处于对角位置处的两个铰接点（第五铰接点22a和第七铰接点22d，或者第六铰接点22b和第八铰接点22c）位置处的形变测量，或者在两根光纤上形成的第一光纤Fabry-Perot干涉仪41对称设置，实现对第二平行四边形机构上处于相对两个侧壁上的相对两个铰接点（第五铰接点22a和第七铰接点22c，或者第六铰接点22b和第八铰接点22d）位置处的形变测量；同样地，在两根光纤上形成的第二光纤Fabry-Perot干涉仪42可以对角设置或者对称设置，以实现对第一平行四边形机构上处于对角位置处的两个铰接点或者处于相对两个侧壁上的相对两个铰接点位置的形变测量。
在光纤Fabry-Perot复用传感器4包括两根光纤且第一光纤Fabry-Perot干涉仪41和第二光纤Fabry-Perot干涉仪42均为四个时，则可以对第一铰接点212a至第四铰接点212d四个铰接点位置处的形变进行感应，以及对第五铰接点22a至第八铰接点22c四个铰接点位置处的形变进行感应。
如图12所示，在夹持力传感机构22为双柔性梁机构时，双柔性梁机构包括柔性梁221和柔性梁222，第一光纤Fabry-Perot干涉仪41安装于双柔性梁机构的其中一根柔性梁的其中一侧表面上、两根柔性梁的内表面上、两根柔性梁的外表面上或两根柔性梁的内表面和外表面上。
可以借助于上述夹持力传感机构22为第二平行四边形机构时的布置形式，对夹持力传感机构22为双柔性梁机构时第一光纤Fabry-Perot干涉仪41在双柔性梁机构上进行布置。
在夹持力传感机构22为悬臂梁机构时，第一光纤Fabry-Perot干涉仪41安装于悬臂梁机构上的悬臂梁223的内表面和/或外表面上。
在夹持力传感机构22为第二平行四边形机构或双柔性梁机构时，夹持力传感机构22的两种结构形式和第一光纤Fabry-Perot干涉仪41的布置形式既实现了夹持力的测量，且能保证夹持物体时夹爪不会发生旋转，仍为平行移动。
本发明实施例中，夹持力传感机构22的形式可以多样，只要在夹持时夹爪23能够达到所预期的平行度，且能够产生测量夹持力所需的微小变形即可。
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6、11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第一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三柔性铰链连接，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第一平行四边形机构的其中一根连杆连接。
如图6、11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6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）与第一平行四边形机构靠近该四连杆机构的一侧连杆相连。
第三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14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6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以一个固定的第三柔性铰链为支点。
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6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7至10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第一平行四边形机构中的其中一个第一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第一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10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7至10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，进而带动两个第一平行四边形机构在第二方向上向内移动，最终实现夹爪23的闭合。
桥式位移放大机构的形式可以多样，例如图7为菱形式，图8为椭圆式，图9和10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23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利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，具有下述优点：
1）利用光纤Fabry-Perot干涉仪复用技术实现夹持力和夹爪位置同时传感，结构简单、防电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高，能实现对夹持力和夹爪位移的精确测量和高精度反馈控制，本方法测量的分辨力比常见的应变传感器更小。
2）夹爪23在空载时能平行张合，而且在夹持物体且同时传感夹持力和夹爪位移的同时，夹爪23仍能平行移动，以保证可靠地完成夹持任务，不易造成零件滑动或脱落。

Claims (12)

1.利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，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）、控制器、与所述控制器连接的F-P解调仪（5），以及与所述F-P解调仪（5）连接的光纤Fabry-Perot复用传感器（4），其特征在于，所述单片柔性机构（2）包括：
位移放大机构（21）、对称设置的两个夹持力传感机构（22）以及对称设置的两个夹爪（23），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）、两个所述夹持力传感机构（22）和两个所述夹爪（23）一一对应，且所述位移放大机构（21）的输出级（212）、所述夹持力传感机构（22）和所述夹爪（23）依次连接；
所述光纤Fabry-Perot复用传感器（4）包括：在光纤上形成的第一光纤Fabry-Perot干涉仪（41）和第二光纤Fabry-Perot干涉仪（42），所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪（41）和所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪（42）均与所述F-P解调仪（5）连接，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪（41）安装于所述夹持力传感机构（22）上可感应所述夹持力传感机构（22）的形变的位置处；所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪（42）安装于所述位移放大机构（21）上可感应所述位移放大机构（21）的形变的位置处；
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）和所述夹持力传感机构（22）依次传递至所述夹爪（23）位置处，使两个所述夹爪（23）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。
2.根据权利要求1所述的利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，其特征在于，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪（41）和所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪（42）均包括：输入/输出光纤（43）、石英毛细管（44）和反射光纤（45），所述石英毛细管（44）的一端与所述输入/输出光纤（43）熔接，所述石英毛细管（44）的另一端与所述反射光纤（45）熔接；所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪（42）的输入/输出光纤（43）与所述F-P解调仪（5）连接；
其中，所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪（42）的输入/输出光纤（43）上朝向所述石英毛细管（44）的石英毛细管-输入/输出光纤界面（46）与所述反射光纤（45）上朝向所述石英毛细管（44）的反射光纤-石英毛细管界面（47）之间形成一个光纤Fabry-Perot腔；所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪（41）的输入/输出光纤（43）和所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪（42）的反射光纤（45）为同一段光纤。
3.根据权利要求1所述的利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，其特征在于，所述夹持力传感机构（22）为可对所述位移放大机构（21）的输出级（212）在第二方向上传递的动力进行平行传递的机构，使所述夹爪（23）在第二方向上进行平行闭合。
4.根据权利要求3所述的利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，其特征在于，所述位移放大机构（21）的输出级（212）为在所述单片柔性机构（2）上加工形成的第一平行四边形机构，所述第一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，且所述第一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所述的利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，其特征在于，
所述夹持力传感机构（22）为在所述单片柔性机构（2）上加工形成的第二平行四边形机构，所述第二平行四边形机构的相邻两根连杆之间通过第二柔性铰链连接，所述第一平行四边形机构、所述第二平行四边形机构和所述夹爪（23）依次串联；或
所述夹持力传感机构（22）为在所述单片柔性机构（2）上加工形成的双柔性梁机构，所述第一平行四边形机构、所述双柔性梁机构和所述夹爪（23）依次串联；或
所述夹持力传感机构（22）为在所述单片柔性机构（2）上加工形成的悬臂梁机构，所述第一平行四边形机构、所述悬臂梁机构和所述夹爪（23）依次串联。
6.根据权利要求5所述的利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，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第一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三柔性铰链连接，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第一平行四边形机构的其中一根连杆连接。
7.根据权利要求5所述的利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，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第一平行四边形机构中的其中一个第一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第一平行四边形机构的其中一根连杆连接。
8.根据权利要求4至7任一项所述的利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，其特征在于，在所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪（42）安装于所述位移放大机构（21）的输出级（212）上时，所述第二光纤Fabry-Perot干涉仪（42）安装于所述第一平行四边形机构的其中一个所述第一柔性铰链上、任意两个所述第一柔性铰链上或四个所述第一柔性铰链上。
9.根据权利要求5、6或7所述的利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，其特征在于，
在夹持力传感机构（22）为第二平行四边形机构时，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪（41）安装于所述第二平行四边形机构的其中一个所述第二柔性铰链上、任意两个所述第二柔性铰链上或四个所述第二柔性铰链上；
在夹持力传感机构（22）为双柔性梁机构时，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪（41）安装于所述双柔性梁机构的其中一根柔性梁的其中一侧表面上、两根柔性梁的内表面上、两根柔性梁的外表面上或两根柔性梁的内表面和外表面上；
在夹持力传感机构（22）为悬臂梁机构时，所述第一光纤Fabry-Perot干涉仪（41）安装于所述悬臂梁机构上的悬臂梁（223）的内表面和/或外表面上。
10.根据权利要求6所述的利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，其特征在于，所述第一柔性铰链、所述第二柔性铰链和所述第三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。
11.根据权利要求1所述的利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，其特征在于，所述夹爪（23）的弯曲刚度大于所述夹持力传感机构（22）的弯曲刚度，且所述夹爪（23）的夹持面为平面或与待夹持部件表面相贴合的曲面。
12.根据权利要求1所述的利用光纤Fabry-Perot干涉仪测量夹持力和夹爪位移的微夹钳，其特征在于，所述空腔内安装有相对设置的两个垫块（6），且所述执行器（3）设置于两个所述垫块（6）之间，其中一个所述垫块（6）与所述位移放大机构（21）的输入级（211）相抵接，另一所述垫块（6）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（6）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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