CN111203852A - 一种正应力电磁驱动微夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正应力电磁驱动微夹持器，包括正应力电磁驱动器和柔性放大机构，正应力电磁驱动器的输出端与柔性放大机构的输入端连接，柔性放大机构包括位移放大机构、两个平行四边形导向机构、一个Scott‑Russel机构和一个夹持钳，位移放大机构的输入端与正应力电磁驱动器的输出端连接，位移放大机构的输出端与夹持钳力传递底座的一侧连接，两个平行四边形导向机构与夹持钳力传递底座的底部连接，夹持钳位于夹持钳力传递底座的顶部，Scott‑Russel机构的一侧上部与其中一个平行四边形导向机构的内侧上部连接、另一侧下部与另一个平行四边形导向机构的内侧下部连接。本发明正应力电磁驱动器行程大，约为同尺寸压电驱动器的10倍，具有较高的加速度和带宽。

Description

一种正应力电磁驱动微夹持器

技术领域

本发明属于精密工程和微物体夹持技术领域，涉及一种正应力电磁驱动微夹持器。

背景技术

目前精密工程领域对微型化物体的需求日益增长，研究人员开始探索不同的方法来安全地抓住、握住和转移微型化物体。抓握和操纵小型物体具有广泛的应用空间，诸如微机电系统(MEMS)、微操作、微制造、显微外科、微生物学、微装配等应用中是必不可少的。与光学、静电、伯努利、超声等其他非接触式微操作和装配技术相比，机械微夹持器更受青睐，因为它可以高精度、低成本地抓取不同形状的物体。在微操作和微装配系统中，微夹持器是直接接触被操纵物体的末端执行器，其易碎且尺寸通常小于100μm，这给微夹持器的设计带来了挑战。典型的机械微夹持器由微驱动器、微位移传动机构和一对用于处理微尺度物体的夹持爪组成。

微观操作的物理性质与宏观操作有很大的不同。最重要的区别是随着物体尺寸的减小，表面的附着力(如范德华力、静电力和表面张力)变得比惯性质量力更强，这意味着与粘附力相比，微型物体的重量可以忽略不计。因此，几何相似但较小的零件表现出较大的表面效应和较小的惯性效应，从而加剧了非光滑非线性带来的控制问题。因此，在精细的环境中进行微观操作需要对机械手的运动和力进行稳定精确的控制。

有效的机械微夹持器应具有稳定抓取不同形状物体的能力，并具有较高的定位精度。机械手应能准确控制抓取力，以避免对直径小于1毫米的细小易碎物体造成损伤。此外，在由于微小物体的几何形状弯曲而可能发生滑动的情况下，平行夹持方式是优选的。

压电驱动器以其不可否认的优点，被广泛应用于机械微夹持器的驱动部分。然而，压电驱动器的行程被限制在其长度的0.1％，这是非常小的，需要如柔性放大机构来扩大末端执行器运动行程。因此，对机械微夹持器的研究主要集中在柔性机构的设计上。另一方面，随着机构运动放大比的增大，输出力随之减小，限制了微夹持器的应用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种放大比较大、夹持精度高的正应力电磁驱动微夹持器。

本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

一种正应力电磁驱动微夹持器，包括正应力电磁驱动器和柔性放大机构，所述正应力电磁驱动器的输出端与柔性放大机构的输入端连接，所述柔性放大机构包括位移放大机构、两个平行四边形导向机构、一个Scott-Russel机构和一个夹持钳，所述位移放大机构的输入端与所述正应力电磁驱动器的输出端连接，所述位移放大机构的输出端与夹持钳力传递底座的一侧连接，两个平行四边形导向机构与夹持钳力传递底座的底部连接，所述夹持钳位于夹持钳力传递底座的顶部，所述Scott-Russel机构的一侧上部与其中一个平行四边形导向机构的内侧上部连接、另一侧下部与另一个平行四边形导向机构的内侧下部连接。

优选地，所述夹持钳包括左钳和右钳，所述夹持钳力传递底座包括左夹持钳力传递底座和右夹持钳力传递底座，所述左钳和右钳分别与左夹持钳力传递底座和右夹持钳力传递底座连接。

优选地，其中一个平行四边形导向机构的顶部与左夹持钳力传递底座连接，另一个平行四边形导向机构的顶部与右夹持钳力传递底座连接。

优选地，所述柔性放大机构包括多个固定安装孔。

优选地，所述固定安装孔设置于所述位移放大机构的输入端的两侧、两个平行四边形导向机构的底部以及所述Scott-Russel机构的侧部。

优选地，所述正应力电磁驱动器包括软铁壳体、一个驱动轴、位于软铁壳体内的两个励磁线圈绕组、永磁铁、一个电枢，所述驱动轴穿过电枢的中心设置，所述永磁铁位于电枢外侧并包围电枢，所述两个励磁线圈绕组分别位于所述永磁铁的两侧，所述励磁线圈绕组与所述永磁铁之间以及软铁壳体与电枢之间均设置有气隙，所述驱动轴的至少一端伸出软铁壳体外。

优选地，所述驱动轴伸出软铁壳体外的一端与位移放大机构的输入端连接。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：1)柔性放大机构结构简单合理，具有较大的放大比；2)正应力电磁驱动器行程大，约为同尺寸压电驱动器的10倍，具有较高的加速度和带宽；3)该结构的钳口能够平行移动；4)能够抓取数微米到1毫米尺寸范围内的物体且夹持精度高；5)该结构控制策略简单，机械结构简单，成本低。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是正应力电磁驱动微夹持器整体结构图。

图2是机械微夹持器柔性放大机构图。

图3是正应力电磁驱动器示意图。

图4是机械微夹持器夹持状态示意图。

图5是微夹持器驱动电压信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的主要目的是以极高的定位精度夹持和转移微小物体(从数微米到一毫米的尺寸范围内)。采用结构紧凑的柔性放大机构和高性能的正应力电磁驱动器来实现上述目标。

一种正应力电磁驱动的机械式微夹持器，如图1所示，能够夹持几微米到一毫米的物体。它主要由两部分组成：正应力电磁驱动器1和柔性放大机构2。正应力电磁驱动器1产生所需的运动，柔性放大机构2将所产生的运动高精度和高准确度地放大并传送到钳口6。如图2所示，微夹持器的柔性放大机构具体由一个位移放大机构3(含输入端7)、两个平行四边形导向机构4以防止钳口的寄生运动、一个Scott-Russel机构5使钳口6作平行且相等的运动，以及六个固定安装孔8将夹持器固定在光学平台上。

如图3所示，所述正应力电磁驱动器1包括软铁壳体9、一个驱动轴13、位于软铁壳体9内的两个励磁线圈绕组10、永磁铁14、一个电枢12，所述驱动轴13穿过电枢12的中心设置，所述永磁铁14位于电枢12外侧并包围电枢12，所述两个励磁线圈绕组10分别位于所述永磁铁14的两侧，所述励磁线圈绕组10与所述永磁铁14之间以及软铁壳体9与电枢12之间均设置有气隙11，所述驱动轴13的至少一端伸出软铁壳体9外。所述驱动轴13将驱动器产生的运动转移到夹持器的机械部分输入端7，当两个励磁线圈绕组10通电后，产生磁场，在磁场的作用下电枢12运动带动驱动轴13运动，驱动轴13前后运动范围即为气隙11的宽度，通电电流的方向决定驱动轴13的运动方向。图4所示为驱动端施加运动后的微夹持器夹持状态示意图。

图5所示为本微型夹持器用于夹持微型物体的驱动电压信号。在开始时，正应力电磁驱动器未通电。因此，微夹持器保持稳定，钳口没有运动。在输入电压从“a”点上升到“b”点时，正应力电磁驱动器快速通电并向前推动输入端7。然后，柔性放大机构将驱动器产生的运动传递到微夹持器的钳口以抓住微物体。所施加的电压是方波，在输入电压从“b”点保持到“c”点的情况下，钳口紧紧地夹持了微对象。然而，当外加电压从“c”点下降到“d”点时，正应力电磁驱动器会迅速失电，从而使微夹持器的钳口回到初始位置，并释放微物体。

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

Claims (7)

1.一种正应力电磁驱动微夹持器，包括正应力电磁驱动器(1)和柔性放大机构(2)，所述正应力电磁驱动器(1)的输出端与柔性放大机构(2)的输入端连接，其特征在于，所述柔性放大机构(2)包括位移放大机构(3)、两个平行四边形导向机构(4)、一个Scott-Russel机构(5)和一个夹持钳(6)，所述位移放大机构(3)的输入端(7)与所述正应力电磁驱动器(1)的输出端连接，所述位移放大机构(3)的输出端与夹持钳力传递底座的一侧连接，两个平行四边形导向机构(4)与夹持钳力传递底座的底部连接，所述夹持钳(6)位于夹持钳力传递底座的顶部，所述Scott-Russel机构(5)的一侧上部与其中一个平行四边形导向机构(4)的内侧上部连接、另一侧下部与另一个平行四边形导向机构(4)的内侧下部连接。

2.根据权利要求1所述的正应力电磁驱动微夹持器，其特征在于，所述夹持钳(6)包括左钳和右钳，所述夹持钳力传递底座包括左夹持钳力传递底座和右夹持钳力传递底座，所述左钳和右钳分别与左夹持钳力传递底座和右夹持钳力传递底座连接。

3.根据权利要求2所述的正应力电磁驱动微夹持器，其特征在于，其中一个平行四边形导向机构(4)的顶部与左夹持钳力传递底座连接，另一个平行四边形导向机构(4)的顶部与右夹持钳力传递底座连接。

4.根据权利要求1所述的正应力电磁驱动微夹持器，其特征在于，所述柔性放大机构(2)包括多个固定安装孔(8)。

5.根据权利要求4所述的正应力电磁驱动微夹持器，其特征在于，所述固定安装孔(8)设置于所述位移放大机构(3)的输入端(7)的两侧、两个平行四边形导向机构(4)的底部以及所述Scott-Russel机构(5)的侧部。

6.根据权利要求1-5任一项所述的正应力电磁驱动微夹持器，其特征在于，所述正应力电磁驱动器(1)包括软铁壳体(9)、一个驱动轴(13)、位于软铁壳体(9)内的两个励磁线圈绕组(10)、永磁铁(14)、一个电枢(12)，所述驱动轴(13)穿过电枢(12)的中心设置，所述永磁铁(14)位于电枢(12)外侧并包围电枢(12)，所述两个励磁线圈绕组(10)分别位于所述永磁铁(14)的两侧，所述励磁线圈绕组(10)与所述永磁铁(14)之间以及软铁壳体(9)与电枢(12)之间均设置有气隙(11)，所述驱动轴(13)的至少一端伸出软铁壳体(9)外。

7.根据权利要求6所述的正应力电磁驱动微夹持器，其特征在于，所述驱动轴(13)伸出软铁壳体(9)外的一端与位移放大机构(3)的输入端连接。

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