CN109834694A - 具有多级放大和导向机构的空间微夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器，其能解决现有微夹持器无法完全实现平行输出的问题。其包括基座、平面夹持支链和微探针，平面夹持支链包括依次串联的第一放大机构、第二放大机构和导向机构；导向机构包括两对呈竖向设置且互相平行的柔性簧片一，第一对柔性簧片一两端分别固定连接定平台和过渡平台，定平台与基座固定连接，第二对柔性簧片一对称设置在第一对柔性簧片一的外侧且其两端分别固定连接过渡平台和动平台，微探针固定连接在动平台上；第二放大机构的输出端与动平台铰接，且第二放大机构的输出端的转动中心与柔性簧片一的高度中心位于同一水平线上。

Description

具有多级放大和导向机构的空间微夹持器

技术领域

本发明涉及微夹持器领域，具体为一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器。

背景技术

微夹持器作为微操作系统的执行末端，可以实现拾起、夹持和释放等操作，因而广泛应用于微机电系统、扫描探针显微镜、超精密加工、光学调整以及生物细胞操作等诸多领域。例如，在微机电系统领域，微夹持器可用于将微齿轮等微零件装配成微部件；在生物细胞操作领域，与微探针相结合，还可以向细胞注入或从细胞中提取某种成分。以上这些领域所操作的微小物体多是形状不规则的刚性物体，为了确保微操作、微装配夹取的稳定和可靠，应采取平行夹持方式，这就要求微夹持器的末端应保持平行输出。

公开号为CN 105619377A的发明专利公开了一种基于柔顺机构的空间微夹持器，该微夹持器包括两个具有对称结构的平面夹持支链和四个微探针，夹持支链采用二级杠杆结构，通过杠杆原理两次放大输入位移，夹持支链的末端连接微探针，四个微探针对称布置形成一方形空间夹持口，能与夹持物体四点接触，实现对形状不规则的物体进行夹持。但是，由于该微夹持器完全采用杠杆原理放大输入位移，而杠杆的两端必然是绕支点转动的，因此导致夹持支链在输出位移时也必然是转动输出，夹持支链输出端的微探针无法完全实现平行输出，影响微夹持器夹持的稳定性。

公开号为CN207643111U的发明专利公开了一种三自由度柔顺压电微夹持器，其由至少三个单自由度夹持单元构成，每个单自由度夹持单元包括依次串联的复合桥式机构、杠杆机构和双摇杆机构，其中，复合桥式机构能够对输入位移进行第一次放大和导向，杠杆机构能对输入位移进行第二次放大，双摇杆机构能对输入位移进行第三次放大，并且当铰链G、铰链H、铰链I在一条直线上时，能保证微夹持器的纯平动输出。但实际上，该微夹持器只能实现理论上的纯平动输出，原因是：铰链G、铰链H、铰链I均为双切口直圆型柔性铰链，属于集中柔度型柔性铰链，此种柔性铰链的理想模型是绕转动中心的纯转动且转动中心不发生移动，可在实际过程中，该柔性铰链的转动中心会发生横向移动，且由于受力不同每个铰链的转动中心的横向移动距离也不同，从而发生横向移动后的三个铰链将不能保持在一条直线上，产生了误差，因而该微夹持器的末端在实际过程中仍然不能实现完全的纯平动输出。

发明内容

针对现有微夹持器无法完全实现平行输出的技术问题，本发明提供了一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器，其能保证微夹持器完全实现平行输出，确保微操作、微装配夹取的稳定和可靠。

其技术方案是这样的：一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器，其包括基座、平面夹持支链和微探针，其特征在于：所述平面夹持支链设有三个并呈三角形布置在所述基座上，所述平面夹持支链包括依次串联的第一放大机构、第二放大机构和导向机构，三个所述第一放大机构与所述基座和位移输入平台互相连接成一体，所述位移输入平台由运动输入装置驱动；所述第一放大机构用于将所述运动输入装置输入的竖向位移转化为水平位移输出并放大，所述第二放大机构用于将所述水平位移转化为竖向转动位移输出并放大；所述导向机构包括两对呈竖向设置且互相平行的柔性簧片一，第一对所述柔性簧片一的两端分别固定连接定平台和过渡平台，所述定平台与所述基座固定连接，第二对所述柔性簧片一对称设置在第一对所述柔性簧片一的外侧且其两端分别固定连接所述过渡平台和动平台，所述微探针设有三个并分别固定连接在三个所述动平台上；所述第二放大机构的输出端与所述动平台铰接，且所述第二放大机构的输出端的转动中心与所述柔性簧片一的高度中心位于同一水平线上。

其进一步特征在于：

所述运动输入装置为压电陶瓷驱动器。

三个所述平面夹持支链呈正三角形布置。

所述第一放大机构包括两个柔性簧片二和位移输出平台，两个所述柔性簧片二对称设置在所述位移输出平台的上下两侧并呈倾斜设置，且所述柔性簧片二与竖直方向的夹角相等且小于45°；两个所述柔性簧片二的一端共同固定连接在所述位移输出平台上，另一端分别与所述基座和所述位移输入平台固定连接，所述位移输入平台位于三个所述第一放大机构之间并平行设置在所述基座上方；三个所述第一放大机构上的所述柔性簧片二围合呈空间菱形结构，所述运动输入装置设置在所述空间菱形结构内部，且其底部固定端与所述基座固定连接，顶部驱动端与所述位移输入平台固定连接。

所述基座由三个水平底板首端共同连接而成，三个所述水平底板呈三角形布置，三个所述平面夹持支链与三个所述水平底板一一对应设置，三个所述水平底板的连接处设有凸起，位于所述位移输出平台下方的所述柔性簧片二的下端固定连接在所述凸起上。

所述第二放大机构为杠杆放大机构，其包括连杆、杠杆和支杆，所述连杆呈水平设置，所述杠杆和所述支杆呈竖向设置；所述连杆的一端通过第一柔性铰链与相应的所述位移输出平台铰接，另一端通过第二柔性铰链与所述杠杆的一侧杆部铰接；所述杠杆的另一侧下端通过第三柔性铰链与所述支杆铰接，另一侧上端通过第四柔性铰链与所述动平台铰接；所述支杆固定连接在所述基座上；所述第四柔性铰链的转动中心与所述柔性簧片一的高度中心位于同一水平线上。

所述第一柔性铰链、所述第二柔性铰链、所述第三柔性铰链和所述第四柔性铰链均为双切口直圆型柔性铰链。

所述定平台为呈竖向设置的板状结构，所述定平台的下端与所述基座固定连接，上端与第一对所述柔性簧片一的下端连接；所述过渡平台为呈水平设置的杆状结构，两对所述柔性簧片一的上端分别固定连接在所述过渡平台的底面上；所述动平台呈开口向下的U型结构，所述动平台套装在两对所述柔性簧片一的外侧且其支臂与所述柔性簧片一平行设置，所述过渡平台的两侧与所述动平台之间留有供所述柔性簧片一变形的空间，第二对所述柔性簧片一的下端分别与所述动平台的两个支臂下端固定连接；所述第二放大机构的输出端与所述动平台的其中一个支臂侧面铰接；所述动平台的上端靠近所述第二放大机构的一侧还成型有倾斜设置的位移输出杆，所述微探针固定在所述位移输出杆上，且三个所述微探针的尖端相对。

所述位移输出杆的上端面上加工有螺纹孔，所述微探针的下端加工有外螺纹，所述微探针通过所述外螺纹与所述螺纹孔连接。

所述基座、所述三个所述平面夹持支链和所述位移输入平台一体加工制成。

本发明的有益效果是：

本发明的空间微夹持器，其平面夹持支链由依次串联的第一放大机构、第二放大机构和导向机构构成，通过第一放大机构、第二放大机构可以对输入位移进行两次放大，保证空间微夹持器具有大行程，经过两次放大后的位移输入导向机构，导向机构通过柔性簧片的变形对输入位移进行导向，由于柔性簧片属于均布柔度型柔性元件，与集中柔度型柔性铰链相比，均布柔度型柔性元件的实际误差更小，并且本发明中的导向机构采用了两对呈竖向设置且互相平行的柔性簧片，同时第二对柔性簧片对称设置在第一对柔性簧片的外侧，第二放大机构的输出端的转动中心与柔性簧片的高度中心位于同一水平线上，从而变形时四个柔性簧片的寄生力矩和寄生力恰好能完全抵消，从而完全消除第二放大机构所产出的寄生移动和转动，达到纯平动的导向效果，从而使整个微夹持器的末端可以实现完全平行输出，微探针能够实现完全平行移动，夹持精度高，夹持稳定可靠；此外，平面夹持支链设有三个并呈三角形布置，从而三个微探针可从三个方向夹持微小物体，能够适应形状不规则的微小物体的夹持，确保夹持的稳定性。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为三个第一放大机构的连接关系示意图；

图3为第二放大机构和导向机构的主视图；

图4为导向机构的整体结构示意图；

图5为微探针的主视图；

图6为本发明的空间微夹持器有输入位移前的整体结构示意图；

图7为本发明的空间微夹持器有输入位移后的整体结构示意图。

附图标记：

1-基座；11-水平底板；12-凸起；

2-平面夹持支链；

21-第一放大机构；211-柔性簧片二；212-位移输出平台；

22-第二放大机构；221-连杆；222-杠杆；223-支杆；224-第一柔性铰链；225-第二柔性铰链；226-第三柔性铰链；227-第四柔性铰链；

23-导向机构；231-第一对柔性簧片一；232-第二对柔性簧片一；233-定平台；234-过渡平台；235-动平台；236-位移输出杆；237-螺纹孔；

3-微探针；31-外螺纹；

4-位移输入平台。

具体实施方式

见图1至图7，本发明的一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器，其包括基座1、三个平面夹持支链2和三个微探针3；基座1由三个水平底板11首端共同连接而成，三个水平底板11呈三角形布置，三个平面夹持支链2与三个水平底板11一一对应设置，三个水平底板11的连接处设有凸起12；平面夹持支链2包括依次串联的第一放大机构21、第二放大机构22和导向机构23，三个第一放大机构21与基座1和位移输入平台4互相连接成一体，位移输入平台4由运动输入装置驱动，运动输入装置为压电陶瓷驱动器；第一放大机构21用于将运动输入装置输入的竖向位移转化为水平位移输出并放大，第二放大机构22用于将水平位移转化为竖向转动位移输出并放大；导向机构23包括两对呈竖向设置且互相平行的柔性簧片一，第一对柔性簧片一231的两端分别固定连接定平台233和过渡平台234，定平台233与基座1固定连接，第二对柔性簧片一232对称设置在第一对柔性簧片一231的外侧且其两端分别固定连接过渡平台234和动平台235，三个微探针3分别固定连接在三个动平台235上；第二放大机构22的输出端与动平台235铰接，且第二放大机构22的输出端的转动中心与柔性簧片一的高度中心位于同一水平线A上。

见图1和图2，第一放大机构21包括两个柔性簧片二211和位移输出平台212，两个柔性簧片二211对称设置在位移输出平台212的上下两侧并呈倾斜设置，且柔性簧片二211与竖直方向的夹角α相等且小于45°；两个柔性簧片二211的一端共同固定连接在位移输出平台212上，另一端分别与基座1上的凸起12和位移输入平台4固定连接，位移输入平台4位于三个第一放大机构21之间并平行设置在基座1上方；三个第一放大机构21上的柔性簧片二211围合呈空间菱形结构，运动输入装置设置在空间菱形结构内部，且其底部固定端与基座1上的凸起12固定连接，顶部驱动端与位移输入平台4固定连接，以驱动位移输入平台4上下移动（运动输入装置图1至图7中均未示出）。如此设计，第一放大机构结构简单，加工方便。通过运动输入装置驱动位移输入平台竖直向上移动，在柔性簧片二的作用下，整个空间菱形结构向内收缩（见图6和图7），三个位移输出平台同时输出大小相等的水平位移，由于柔性簧片二与竖直方向的夹角α小于45°，从而能够保证输出的水平位移大于输入位移，实现对输入位移的第一级放大，并且夹角α越小，放大效果越好。

见图1和图3，第二放大机构22为杠杆放大机构，其包括连杆221、杠杆222和支杆223，连杆221呈水平设置，杠杆222和支杆223呈竖向设置；连杆221的一端通过第一柔性铰链224与相应的位移输出平台212铰接，另一端通过第二柔性铰链225与杠杆222的一侧杆部铰接；杠杆222的另一侧下端通过第三柔性铰链226与支杆223铰接，另一侧上端通过第四柔性铰链227与动平台235铰接（即第二柔性铰链225和第三柔性铰链226分别位于杠杆222的两侧，第三柔性铰链226和第四柔性铰链227位于杠杆222的同侧）；支杆223固定连接在基座1上；第四柔性铰链227的转动中心与柔性簧片一的高度中心位于同一水平线A上；第一柔性铰链224、第二柔性铰链225、第三柔性铰链226和第四柔性铰链227均为双切口直圆型柔性铰链。如此设计，第二放大机构结构简单，加工方便。第一柔性铰链作为杠杆放大机构的输入端，第三柔性铰链作为杠杆放大机构的支点，第四柔性铰链作为杠杆放大机构的输出端，当第一柔性铰链受到水平位移后，第四柔性铰链即可将其转化为竖向转动位移进行输出（见图6和图7），并且由于第二柔性铰链与杠杆的杆部铰接，必然有第一柔性铰链与第三柔性铰链之间的垂直距离小于第四柔性铰链与第三柔性铰链之间的垂直，故能够实现对输入位移的第二级放大，并且随着第一柔性铰链与第三柔性铰链之间的垂直距离的减小，放大效果越好。选用双切口直圆型柔性铰链可以在保证大行程的同时还能提高微夹持器的夹持精度。

见图1和图4，定平台233为呈竖向设置的板状结构，定平台233的下端与基座1固定连接，上端与第一对柔性簧片一231的下端连接；过渡平台234为呈水平设置的杆状结构，两对柔性簧片一的上端分别固定连接在过渡平台234的底面上；动平台235呈开口向下的U型结构，动平台235套装在两对柔性簧片一的外侧且其支臂与柔性簧片一平行设置，过渡平台234的两侧与动平台235之间留有供柔性簧片一变形的空间，第二对柔性簧片一232的下端分别与动平台235的两个支臂下端固定连接；第四柔性铰链227与动平台235的其中一个支臂侧面固定连接；动平台235的上端靠近第二放大机构22的一侧还成型有倾斜设置的位移输出杆236，位移输出杆236的上端面上加工有螺纹孔237，微探针3的下端加工有外螺纹31，微探针3通过外螺纹31与螺纹孔237连接，且三个微探针3的尖端相对形成一个三角形的夹持口。如此设计，导向机构的结构简单，且便于加工。通过使微探针螺纹固定在位移输出杆上，能够方便的调节微探针的伸长量，进而方便的调节夹持口的大小，使微夹持器能够夹持的微小物体的尺寸范围更广。

见图6，三个平面夹持支链2呈正三角形布置，能够使得对微小物体的夹持更加稳定；基座1、三个平面夹持支链2以及位移输入平台4为一体加工制成，能够减小装配误差。

Claims (10)

1.一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器，其包括基座、平面夹持支链和微探针，其特征在于：所述平面夹持支链设有三个并呈三角形布置在所述基座上，所述平面夹持支链包括依次串联的第一放大机构、第二放大机构和导向机构，三个所述第一放大机构与所述基座和位移输入平台互相连接成一体，所述位移输入平台由运动输入装置驱动；所述第一放大机构用于将所述运动输入装置输入的竖向位移转化为水平位移输出并放大，所述第二放大机构用于将所述水平位移转化为竖向转动位移输出并放大；所述导向机构包括两对呈竖向设置且互相平行的柔性簧片一，第一对所述柔性簧片一的两端分别固定连接定平台和过渡平台，所述定平台与所述基座固定连接，第二对所述柔性簧片一对称设置在第一对所述柔性簧片一的外侧且其两端分别固定连接所述过渡平台和动平台，所述微探针设有三个并分别固定连接在三个所述动平台上；所述第二放大机构的输出端与所述动平台铰接，且所述第二放大机构的输出端的转动中心与所述柔性簧片一的高度中心位于同一水平线上。

2.根据权利要求1所述的一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器，其特征在于：所述运动输入装置为压电陶瓷驱动器。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器，其特征在于：所述第一放大机构包括两个柔性簧片二和位移输出平台，两个所述柔性簧片二对称设置在所述位移输出平台的上下两侧并呈倾斜设置，且所述柔性簧片二与竖直方向的夹角相等且小于45°；两个所述柔性簧片二的一端共同固定连接在所述位移输出平台上，另一端分别与所述基座和所述位移输入平台固定连接，所述位移输入平台位于三个所述第一放大机构之间并平行设置在所述基座上方；三个所述第一放大机构上的所述柔性簧片二围合呈空间菱形结构，所述运动输入装置设置在所述空间菱形结构内部，且其底部固定端与所述基座固定连接，顶部驱动端与所述位移输入平台固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器，其特征在于：所述基座由三个水平底板首端共同连接而成，三个所述水平底板呈三角形布置，三个所述平面夹持支链与三个所述水平底板一一对应设置，三个所述水平底板的连接处设有凸起，位于所述位移输出平台下方的所述柔性簧片二的下端固定连接在所述凸起上。

5.根据权利要求3所述的一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器，其特征在于：所述第二放大机构为杠杆放大机构，其包括连杆、杠杆和支杆，所述连杆呈水平设置，所述杠杆和所述支杆呈竖向设置；所述连杆的一端通过第一柔性铰链与相应的所述位移输出平台铰接，另一端通过第二柔性铰链与所述杠杆的一侧杆部铰接；所述杠杆的另一侧下端通过第三柔性铰链与所述支杆铰接，另一侧上端通过第四柔性铰链与所述动平台铰接；所述支杆固定连接在所述基座上；所述第四柔性铰链的转动中心与所述柔性簧片一的高度中心位于同一水平线上。

6.根据权利要求5所述的一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器，其特征在于：所述第一柔性铰链、所述第二柔性铰链、所述第三柔性铰链和所述第四柔性铰链均为双切口直圆型柔性铰链。

7.根据权利要求1所述的一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器，其特征在于：所述定平台为呈竖向设置的板状结构，所述定平台的下端与所述基座固定连接，上端与第一对所述柔性簧片一的下端连接；所述过渡平台为呈水平设置的杆状结构，两对所述柔性簧片一的上端分别固定连接在所述过渡平台的底面上；所述动平台呈开口向下的U型结构，所述动平台套装在两对所述柔性簧片一的外侧且其支臂与所述柔性簧片一平行设置，所述过渡平台的两侧与所述动平台之间留有供所述柔性簧片一变形的空间，第二对所述柔性簧片一的下端分别与所述动平台的两个支臂下端固定连接；所述第二放大机构的输出端与所述动平台的其中一个支臂侧面铰接；所述动平台的上端靠近所述第二放大机构的一侧还成型有倾斜设置的位移输出杆，所述微探针固定在所述位移输出杆上，且三个所述微探针的尖端相对。

8.根据权利要求7所述的一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器，其特征在于：所述位移输出杆的上端面上加工有螺纹孔，所述微探针的下端加工有外螺纹，所述微探针通过所述外螺纹与所述螺纹孔连接。

9.根据权利要求1所述的一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器，其特征在于：三个所述平面夹持支链呈正三角形布置。

10.根据权利要求3所述的一种具有多级放大和导向机构的空间微夹持器，其特征在于：所述基座、所述三个所述平面夹持支链和所述位移输入平台一体加工制成。