CN109909976B - 具有三级运动放大机构的对称式空间立体微机械手 - Google Patents
具有三级运动放大机构的对称式空间立体微机械手 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有三级运动放大机构的对称式空间立体微机械手，旨在提供一种体积小、结构紧凑、夹紧力稳定可靠，运动精度高的微机械手。由基座和多个放大夹持模块组成，每个放大夹持模块包括压电陶瓷驱动器、桥型位移放大机构、两个杠杆位移放大机构、Z型梁位移放大机构、两个柔性导向机构和夹爪；压电陶瓷驱动器设置于基座与桥型位移放大机构的活动端之间；压电陶瓷驱动器驱动桥型位移放大机构的活动端，桥型位移放大机构的输出端驱动杠杆位移放大机构的输入端，每个杠杆位移放大机构的输出端分别驱动Z型梁位移放大机构的输入端，Z型梁位移放大机构的输出端与夹爪固定连接。该微机械手结构紧凑，夹紧力稳定可靠，成本低，运动精度高。
Description
技术领域
本发明属于微纳机器人技术领域，更具体的说，是涉及一种具有三级运动放大机构的对称式空间立体微机械手。
背景技术
近年来，随着微电子、生命科学和机器人技术的迅速发展，微纳器件的应用越来越广泛。微纳制造、封装和测试以及精密操作等与其他基础学科的结合日益密切，已成为引领科学发展和工程应用的重要前沿科学技术之一，受到了众多专家学者的广泛关注。微纳操作技术已经广泛应用于生物工程、微器件键合、光学器件装配与光纤对接等众多领域。
微机械手作为微操作系统的末端执行器，直接与被操作物体接触，其精度和稳定性对微操作系统的操作质量有十分重要的影响。传统微机械手只具有二维平面结构，且夹爪数量只有两个，在与微操作机器人机械臂结合时需要借助特定基座等器件，夹持方向一般与机械臂轴线方向垂直，一般只能完成“捏”的动作，限制了微操作机器人的应用范围，增加了机械臂运动控制的难度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种体积小、结构紧凑、夹紧力稳定可靠，运动精度高，具有三级运动放大机构的对称式空间立体微机械手。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种具有三级运动放大机构的对称式空间立体微机械手，由基座和多个放大夹持模块组成，每个所述放大夹持模块包括压电陶瓷驱动器、桥型位移放大机构、两个杠杆位移放大机构、Z型梁位移放大机构、两个柔性导向机构和夹爪；所述两个杠杆位移放大机构对称的设置于所述桥型位移放大机构的两侧；两个所述杠杆位移放大机构的输出端之间设置有所述Z型梁位移放大机构，所述压电陶瓷驱动器设置于所述基座与所述桥型位移放大机构的活动端之间；所述压电陶瓷驱动器驱动所述桥型位移放大机构的活动端，所述桥型位移放大机构的输出端驱动所述杠杆位移放大机构的输入端，每个所述杠杆位移放大机构的输出端分别驱动所述Z型梁位移放大机构的输入端，所述Z型梁位移放大机构的输出端与所述夹爪固定连接，两个所述柔性导向机构对称的设置于所述Z型梁位移放大机构的输出端两侧与所述基座之间；所述基座上设置有安装孔；多个所述放大夹持模块关于所述空间立体微机械手的几何中心对称,所述空间立体微机械手的轴线与机械臂的轴线共线。
所述桥型位移放大机构包括可动横梁及关于所述可动横梁对称设置的两个连杆单元，所述压电陶瓷驱动器位于所述两个连杆单元之间，上端与所述可动横梁相接；每个所述连杆单元由第一连杆、第二连杆及第三连杆通过柔性铰链连接而成，所述第三连杆通过第一柔性铰链与所述可动横梁连接，所述第二连杆通过第二柔性铰链与所述桥型位移放大机构的输出端连接，所述第一连杆通过第三柔性铰链与所述基座连接。
每个所述杠杆位移放大机构包括连接体、放大输出端和放大输入端，所述放大输入端与所述桥型位移放大机构的输出端为一体式结构，所述放大输出端与所述Z型梁位移放大机构的输入端为一体式结构；所述连接体的上端通过第四柔性铰链与所述放大输出端连接，所述连接体的中部通过第五柔性铰链与所述放大输入端连接，所述连接体的下端通过第六柔性铰链与所述基座连接。
所述Z型梁位移放大机构包括一体的第一横梁、第二横梁、第三横梁和输出梁，所述第一横梁和第三横梁作为所述Z型梁位移放大机构的输入端，分别与每个所述杠杆位移放大机构的输出端为一体式结构，所述输出梁作为Z型梁位移放大机构的输出端与所述夹爪连接。
每个所述柔性导向机构包括五个叶型柔性铰链，所述五个叶型柔性铰链串联，连接于所述基座与所述Z型梁位移放大机构的输出端之间。
所述基座与所述压电陶瓷驱动器通过预紧螺栓连接。
所述夹爪的柔性梁上设置有金属应变片作为夹持力的反馈元件。
每个所述放大夹持模块为沿所述压电陶瓷驱动器的纵向轴线左右对称的结构。
所述桥型位移放大机构、两个杠杆位移放大机构、Z型梁位移放大机构为一体成型结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的微机械手为三维立体结构，体积小、结构紧凑、夹紧力稳定可靠、便于与微操作机器人机械臂连接，可以实现多种抓取方式并且运动精度高，可以在不借助外部机构条件下实现主动释放微小物体。
2、本发明的微机械手采用桥式放大机构、杠杆放大机构和Z型梁放大机构串联，Z型梁放大机构可改变运动的传递方向，且在基座与输出端之间设有基于叶型铰链的柔性导向机构，减小了寄生位移，运动精度大大提高。
3、本发明的微机械手借鉴了人手和手臂的连接方式，基座上设有安装螺栓孔，可直接与微机械臂连接，简化了操作过程中机械臂的运动路径，并可以根据实际操作需要选择夹爪数量和抓取方式。既可以完成“捏”的操作方式，也可以完成“包围式”抓取的操作方式，完成相关操作任务后，可利用多余夹爪实现主动释放被操作物体。
4、本发明的微机械手采用Z型梁位移放大机构进一步放大微机械手输出位移，使微机械手具有较大的张合量，能够实现对不同尺寸物体的稳定夹持。采用Z型梁位移放大机构改变位移传递方向，实现空间运动。通过在Z型梁输出端对称布置两个基于叶型铰链的柔性导向机构，保证夹爪沿水平方向运动，从而保证线夹在急启急停情况下夹爪的运动精度。
5、本发明的微机械手采用金属应变片作为夹持力的反馈元件，能够实现夹持力的测量与实时反馈，从而提高微操作过程中微机械手工作的稳定性。
6、本发明的微机械手采用压电陶瓷驱动器作为微机械手的驱动源，可以明显降低微机械手整体质量和运动惯量。另外压电陶瓷驱动器具有体积小、刚度高、响应速度快、位移分辨率高等特点，利用压电陶瓷驱动器驱动微机械手完成抓取、释放动作，可以有效改善微机械手的静动态特性。将压电陶瓷驱动器设置在微机械手内部，使微机械手结构紧凑。
7、微机械手主体放大机构采用一体成型结构，不需要贵重材料，制作成本低。
附图说明
图1所示为本发明的具有四个放大夹持模块的三级运动放大机构的空间立体微机械手三维结构示意图；
图2所示为本发明桥型位移放大机构和杠杆位移放大机构的示意图；
图3所示为本发明的去掉夹爪的俯视图；
图4所示为本发明桥型位移放大机构的示意图；
图5为本发明夹爪的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明具有三级运动放大机构的对称式空间立体微机械手的结构示意图如图1-图5所示，由基座1和多个放大夹持模块组成，放大夹持模块的数量可以根据使用需要确定，图1为具有四个放大夹持模块的实施例的结构示意图。每个所述放大夹持模块包括压电陶瓷驱动器6、桥型位移放大机构3、两个杠杆位移放大机构2、Z型梁位移放大机构7、两个柔性导向机构8和夹爪4。所述两个杠杆位移放大机构2对称的设置于所述桥型位移放大机构3的两侧。两个所述杠杆位移放大机构2的输出端之间设置有所述Z型梁位移放大机构7，所述压电陶瓷驱动器6设置于所述基座1与所述桥型位移放大机构3的活动端之间。所述压电陶瓷驱动器6驱动所述桥型位移放大机构3的活动端，所述桥型位移放大机构3的输出端驱动所述杠杆位移放大机构2的输入端，每个所述杠杆位移放大机构2的输出端分别驱动所述Z型梁位移放大机构7的输入端，所述Z型梁位移放大机构7的输出端与所述夹爪4固定连接，两个所述柔性导向机构8对称的设置于所述Z型梁位移放大机构7的输出端两侧与所述基座1之间。多个所述放大夹持模块关于所述空间立体微机械手的的几何中心对称。为了便于与机械臂的连接，所述基座1上设置有安装孔，所述空间立体微机械手的轴线与机械臂的轴线共线，通过螺栓将本发明的空间立体微机械手与机械臂连接。
本实施例中，所述桥型位移放大机构3包括可动横梁3-1及关于所述可动横梁3-1对称设置的两个连杆单元3-a。所述压电陶瓷驱动器6位于所述两个连杆单元3-a之间，所述压电陶瓷驱动器6的上端与所述可动横梁3-1相接。每个所述连杆单元3-a由第一连杆3-4、第二连杆3-5及第三连杆3-8通过柔性铰链连接而成，所述第三连杆3-8通过第一柔性铰链3-7与所述可动横梁3-1连接，所述第二连杆3-5通过第二柔性铰链3-6与所述桥型位移放大机构的输出端3-3连接，所述第一连杆3-4通过第三柔性铰链3-2与所述基座1连接。
每个所述杠杆位移放大机构2包括连接体2-5、放大输出端2-4和放大输入端2-2，所述放大输入端2-2与所述桥型位移放大机构的输出端3-3为一体式结构，所述放大输出端2-4与所述Z型梁位移放大机构7的输入端为一体式结构。所述连接体2-5的上端通过第四柔性铰链2-3与所述放大输出端2-4连接，所述连接体2-5的中部通过第五柔性铰链2-6与所述放大输入端2-2连接，所述连接体2-5的下端通过第六柔性铰链2-1与所述基座1连接。
所述Z型梁位移放大机构7包括一体的第一横梁7-1、第二横梁7-2、第三横梁7-3和输出梁7-4，所述输出梁7-4垂直于所述第二横梁7-2，所述第一横梁7-1和第三横梁7-3作为所述Z型梁位移放大机构7的输入端，分别与每个所述杠杆位移放大机构的输出端2-4为一体式结构，所述第二横梁7-2与所述输出梁7-4为一体式结构，所述输出梁7-4作为所述Z型梁位移放大机构7的输出端与所述夹爪4连接。本实施例中，所述输出梁7-4上设置有螺栓孔9，所述输出梁7-4通过螺栓与所述夹爪4连接。
所述柔性导向机构8包括五个叶型柔性铰链，所述五个叶型柔性铰链串联，连接于所述基座1与所述Z型梁位移放大机构7的输出端之间。
所述基座1与所述压电陶瓷驱动器6通过预紧螺栓5连接，以调节夹爪4之间的间距，满足夹持不同尺寸物体的需要。
所述夹爪4的柔性梁上设置有金属应变片作为夹持力的反馈元件。
每个所述放大夹持模块为沿所述压电陶瓷驱动器6的纵向轴线左右对称的结构。
所述桥型位移放大机构3、两个杠杆位移放大机构2、Z型梁位移放大机构7为采用板材线切割配合铣削加工的一体成型结构。
使用时，将本发明的空间立体微机械手通过螺栓连接固定在微操作机器人机械臂上。当在压电陶瓷驱动器6的两端施加驱动电压时，压电陶瓷驱动器6将伸长，驱动桥型位移放大机构3中的可动横梁3-1向上平动，可动横梁3-1通过两侧的连杆单元带动输出端3-3向内侧平移，桥型位移放大机构3将压电陶瓷驱动器6的输出位移进行放大，通过输出端3-3将输出位移传递到杠杆位移放大机构的输入端2-2，带动杠杆位移放大机构2运动，杠杆位移放大机构2通过放大输出端2-4带动Z型梁位移放大机构7运动，实现夹爪4闭合以夹紧物体。当撤掉压电陶瓷驱动器6两端的驱动电压后，压电陶瓷驱动器6将恢复至原长，微机械手在柔性铰链弹性力的作用下回到原位置，夹爪4张开从而释放被夹持物体。通过调节预紧螺栓5可以改变压电陶瓷驱动器6的预紧力，能够调节夹爪4之间的间距，以满足夹持不同尺寸物体的需要。通过柔性导向机构，减小了寄生位移,提高了运动精度。
本发明采用立体对称式结构，便于与微操作机器人机械臂连接，借鉴了人手和手臂的连接方式，简化了操作过程中机械臂的运动路径，并可以根据实际操作需要选择夹爪数量和抓取方式。适用于微操作机器人末端，能实现多种加持方式，自身可实现主动释放，夹紧力稳定可靠，制造成本低，能够实现夹持力测量与反馈。完成相关操作任务后，可利用多余夹爪实现主动释放被操作物体。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种具有三级运动放大机构的对称式空间立体微机械手，其特征在于，由基座和多个放大夹持模块组成，每个所述放大夹持模块包括压电陶瓷驱动器、桥型位移放大机构、两个杠杆位移放大机构、Z型梁位移放大机构、两个柔性导向机构和夹爪；所述两个杠杆位移放大机构对称的设置于所述桥型位移放大机构的两侧；两个所述杠杆位移放大机构的输出端之间设置有所述Z型梁位移放大机构，所述压电陶瓷驱动器设置于所述基座与所述桥型位移放大机构的活动端之间；所述压电陶瓷驱动器驱动所述桥型位移放大机构的活动端，所述桥型位移放大机构的输出端驱动所述杠杆位移放大机构的输入端，每个所述杠杆位移放大机构的输出端分别驱动所述Z型梁位移放大机构的输入端，所述Z型梁位移放大机构的输出端与所述夹爪固定连接，两个所述柔性导向机构对称的设置于所述Z型梁位移放大机构的输出端两侧与所述基座之间；所述基座上设置有安装孔；多个所述放大夹持模块关于所述空间立体微机械手的几何中心对称, 所述空间立体微机械手的轴线与机械臂的轴线共线；
所述桥型位移放大机构包括可动横梁及关于所述可动横梁对称设置的两个连杆单元，所述压电陶瓷驱动器位于所述两个连杆单元之间，上端与所述可动横梁相接；每个所述连杆单元由第一连杆、第二连杆及第三连杆通过柔性铰链连接而成，所述第三连杆通过第一柔性铰链与所述可动横梁连接，所述第二连杆通过第二柔性铰链与所述桥型位移放大机构的输出端连接，所述第一连杆通过第三柔性铰链与所述基座连接；
每个所述杠杆位移放大机构包括连接体、放大输出端和放大输入端，所述放大输入端与所述桥型位移放大机构的输出端为一体式结构，所述放大输出端与所述Z型梁位移放大机构的输入端为一体式结构；所述连接体的上端通过第四柔性铰链与所述放大输出端连接，所述连接体的中部通过第五柔性铰链与所述放大输入端连接，所述连接体的下端通过第六柔性铰链与所述基座连接；
所述Z型梁位移放大机构包括一体的第一横梁、第二横梁、第三横梁和输出梁，所述第一横梁和第三横梁作为所述Z型梁位移放大机构的输入端，分别与每个所述杠杆位移放大机构的输出端为一体式结构，所述输出梁作为Z型梁位移放大机构的输出端与所述夹爪连接；
每个所述柔性导向机构包括五个叶型柔性铰链，所述五个叶型柔性铰链串联，连接于所述基座与所述Z型梁位移放大机构的输出端之间。
2.根据权利要求1所述的具有三级运动放大机构的对称式空间立体微机械手，其特征在于，所述基座与所述压电陶瓷驱动器通过预紧螺栓连接。
3.根据权利要求2所述的具有三级运动放大机构的对称式空间立体微机械手，其特征在于，所述夹爪的柔性梁上设置有金属应变片作为夹持力的反馈元件。
4.根据权利要求1所述的具有三级运动放大机构的对称式空间立体微机械手，其特征在于，每个所述放大夹持模块为沿所述压电陶瓷驱动器的纵向轴线左右对称的结构。
5.根据权利要求1所述的具有三级运动放大机构的对称式空间立体微机械手，其特征在于，所述桥型位移放大机构、两个杠杆位移放大机构、Z型梁位移放大机构为一体成型结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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