CN111571621B - 一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳，包括一对钳指，以及设置在钳指尾部的压电执行器，压电执行器的两端顶设有固定部和支撑块，还包括对称设置的两个一级杠杆，以及对称设置的两个二级杠杆，支撑块设于压电执行器和钳指之间，钳指的尾端垂直设有横梁，支撑块传动连于一级杠杆，一级杠杆传动连于二级杠杆，二级杠杆沿着横梁的长度方向传动连于横梁。压电执行器通电伸长，推动支撑块，支撑块推动一级杠杆并使位移放大，一级杠杆推动二级杠杆，二级杠杆推动横梁沿着横梁长度方向移动，最终使钳指平动张开。与现有技术相比，本发明结构简单，运行平稳，能使压电执行器的位移量经放大后再带动钳指并具能使钳指保持平动。

Description

一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳
技术领域
本发明属于纳米定位技术领域，涉及纳米定位系统中的末端执行器，特别涉及一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳。
背景技术
微夹钳是一种能够产生纳米级运动精度与分辨率的末端执行器，它能应用于MEMS、生物工程等前沿技术领域中。在MEMS领域，微夹钳能对微轴、微齿轮等微零件以及微马达、微泵等微部件进行拾取、搬运，同微动平台相结合，还能实现微零件、微部件的装配；在生物工程领域，微夹钳能用于捕捉和释放细胞，同微冲击探针相结合，还能实现向细胞内注入或从细胞中提取某一成分的操作。
根据驱动原理的不同，微夹钳有真空吸附式、气压驱动式、电磁驱动式、磁致伸缩驱动式、静电驱动式、电热驱动式、形状记忆合金驱动式（SMA）、压电驱动式等种类。相对于其他形式的微夹钳，压电微夹钳具有结构简单、位移分辨率高、响应速度快、结构刚度大、可微小化、成本低等优点，在MEMS和生物工程中获得了广泛应用。
压电式微夹钳按其结构的不同，又可分为柔顺机构式和双晶片式。柔顺机构式压电微夹钳通过柔性铰链式连杆构成杠杆放大机构，采用叠堆式压电执行器来驱动杠杆放大机构，进而实现钳指对微对象的夹持。双晶片式压电微夹钳的钳指由粘于基板两侧的压电陶瓷晶片构成，在驱动电压的作用下，一片晶片伸长，另一晶片缩短，从而使钳指产生弯曲微位移，两个产生相向弯曲微位移的钳指便可实现对微对象的夹持。
柔顺机构式压电微夹钳钳指夹持力较大；驱动部分为叠堆式压电执行器，其他部分为金属材料，整个微夹钳不易破坏；除压电执行器和预紧螺钉外，其他部分（也是构成微夹钳的主体部分）基本上通过线切割便能制作出来，制作成本低。而双晶片式压电微夹钳钳指夹持力较小；作为钳指的压电陶瓷晶片很脆，微夹钳易于破坏；钳指与固定部分需要分别制作后再装配成一体，且钳指需要通过将压电陶瓷晶片粘贴于基板上而制作出，制作工艺复杂，制作成本高。可见，相对于双晶片式压电微夹钳，柔顺机构式压电微夹钳更具有优势。但目前的柔顺机构式压电微夹钳还存在以下不足：
1) 结构复杂，体积较大；
2) 钳体可动部分与固定部分大都为分体式的，装配、调节过程繁琐；
3) 钳指沿夹持方向不是平动运动，被夹持微对象易于脱落，不利于微装配与微操作的可靠进行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供结构布局合理、各机构配合精度高、运行平稳且能使钳指沿夹持方向平动的一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳，包括一对钳指，以及设置在钳指尾部的压电执行器，压电执行器的两端顶设有固定部和支撑块，还包括对称设置的两个一级杠杆，以及对称设置的两个二级杠杆，支撑块设于压电执行器和钳指之间，钳指的尾端垂直设有横梁，支撑块传动连于一级杠杆，一级杠杆传动连于二级杠杆，二级杠杆沿着横梁的长度方向传动连于横梁。
为优化上述技术方案，采取的措施还包括：
上述的一级杠杆包括一体成型并垂直衔接的横杆和纵杆，横杆垂直于压电执行器，支撑块与横杆之间垂直连有第一柔性薄板，横杆上还设有支撑件，纵杆并排平行设于压电执行器的一侧；
二级杠杆包括彼此平行且垂直设于固定部和横杆之间的第一杆体和第二杆体，并且纵杆的末端与第一杆体之间连有第三柔性薄板；第一杆体与横梁之间连有第四柔性薄板，第一杆体与固定部之间连有第五柔性薄板，第二杆体与固定部之间连有第六柔性薄板，第二杆体与横梁之间连有第七柔性薄板。
上述的第三柔性薄板位于固定部到横梁之间距离的二分之一内的位置。
在第一种方案中，支撑件设于横杆与横梁之间。
上述的支撑件包括垂直连于横杆与横梁的第二柔性薄板。
在第二种方案中，支撑件为固定在横梁上的球体，横杆设有与之匹配的球面坑。
在第三种方案中，支撑件连于横杆与固定部之间。
上述的支撑件包括设置在固定部上的刚性体，以及连接刚性体和横杆的第二柔性薄板。
所有方案中的固定部、支撑块、一级杠杆、二级杠杆、横梁、第一柔性薄板、第三柔性薄板、第四柔性薄板、第五柔性薄板、第六柔性薄板和第七柔性薄板为一体成型结构。
与现有技术相比，本发明的一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳，包括一对钳指，以及设置在钳指尾部的压电执行器，压电执行器的两端顶设有固定部和支撑块，还包括对称设置的两个一级杠杆，以及对称设置的两个二级杠杆，支撑块设于压电执行器和钳指之间，钳指的尾端垂直设有横梁，支撑块传动连于一级杠杆，一级杠杆传动连于二级杠杆，二级杠杆沿着横梁的长度方向传动连于横梁。压电执行器通电伸长，推动支撑块，支撑块推动一级杠杆并使位移放大，一级杠杆推动二级杠杆，二级杠杆推动横梁沿着横梁长度方向移动，最终使钳指平动张开。与现有技术相比，本发明结构简单，运行平稳，能使压电执行器的位移量经放大后再带动钳指并具能使钳指保持平动。
附图说明
图1是本发明实施例一的正视结构示意图；
图2是图1的分解示意图；
图3是本发明实施例二的正视结构示意图；
图4是图3的分解示意图；
图5是本发明实施例三的正视结构示意图；
图6是图5的分解示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
图1至图6为本发明的结构示意图。
图中的附图标记为：固定部1、压电执行器2、支撑块3、一级杠杆4、横杆41、纵杆42、支撑件5、刚性体51、球体53、球面坑54、二级杠杆6、第一杆体61、第二杆体62、横梁7、钳指8、第一柔性薄板91、第二柔性薄板52、第三柔性薄板93、第四柔性薄板94、第五柔性薄板95、第六柔性薄板96、第七柔性薄板97。
实施例一，如图1和图2所示，一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳，包括一对钳指8，以及设置在钳指8尾部的压电执行器2，压电执行器2的两端顶设有固定部1和支撑块3，还包括对称设置的两个一级杠杆4，以及对称设置的两个二级杠杆6，支撑块3设于压电执行器2和钳指8之间，钳指8的尾端垂直设有横梁7，支撑块3传动连于一级杠杆4，一级杠杆4传动连于二级杠杆6，二级杠杆6沿着横梁7的长度方向传动连于横梁7。压电执行器2通电伸长，推动支撑块3，支撑块3推动一级杠杆4并使位移放大，一级杠杆推动4二级杠杆6，二级杠杆6推动横梁7沿着横梁7长度方向移动，最终使钳指8平动张开。
实施例中，一级杠杆4包括一体成型并垂直衔接的横杆41和纵杆42，横杆41垂直于压电执行器2，支撑块3与横杆41之间垂直连有第一柔性薄板91，横杆41上还设有支撑件5，纵杆42并排平行设于压电执行器2的一侧；支撑块3通过第一柔性薄板91推动一级杠杆4的横杆41，并以支撑件5为支点撬动二级杠杆6。
二级杠杆6包括彼此平行且垂直设于固定部1和横杆41之间的第一杆体61和第二杆体62，并且纵杆42的末端与第一杆体61之间连有第三柔性薄板93；第一杆体61与横梁7之间连有第四柔性薄板94，第一杆体61与固定部1之间连有第五柔性薄板95，第二杆体62与固定部1之间连有第六柔性薄板96，第二杆体62与横梁7之间连有第七柔性薄板97。第一杆体61、第二杆体62、固定部1和横梁7四者之间构成了平行四连杆机构，当一级杠杆4推动二级杠杆6时横梁7能产生平动效果，最终使钳指8产生平动。
实施例中，第三柔性薄板93位于固定部1到横梁7之间距离的二分之一内的位置。第三柔性薄板93位于第一杆体61靠近第五柔性薄板95的位置，从而既能使一级杠杆4的位移量再次放大，又能使二级杠杆6所在的平行四连杆机构更容易产生弹性形变。
实施例中，支撑件5设于横杆41与横梁7之间。
实施例中，支撑件5包括垂直连于横杆41与横梁7的第二柔性薄板52。
实施例中，固定部1、支撑块3、一级杠杆4、二级杠杆6、横梁7、第一柔性薄板91、第三柔性薄板93、第四柔性薄板94、第五柔性薄板95、第六柔性薄板96和第七柔性薄板97为一体成型结构。
实施例二，如图3和图4所示，一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳，包括一对钳指8，以及设置在钳指8尾部的压电执行器2，压电执行器2的两端顶设有固定部1和支撑块3，还包括对称设置的两个一级杠杆4，以及对称设置的两个二级杠杆6，支撑块3设于压电执行器2和钳指8之间，钳指8的尾端垂直设有横梁7，支撑块3传动连于一级杠杆4，一级杠杆4传动连于二级杠杆6，二级杠杆6沿着横梁7的长度方向传动连于横梁7。压电执行器2通电伸长，推动支撑块3，支撑块3推动一级杠杆4并使位移放大，一级杠杆推动4二级杠杆6，二级杠杆6推动横梁7沿着横梁7长度方向移动，最终使钳指8平动张开。
实施例中，一级杠杆4包括一体成型并垂直衔接的横杆41和纵杆42，横杆41垂直于压电执行器2，支撑块3与横杆41之间垂直连有第一柔性薄板91，横杆41上还设有支撑件5，纵杆42并排平行设于压电执行器2的一侧；支撑块3通过第一柔性薄板91推动一级杠杆4的横杆41，并以支撑件5为支点撬动二级杠杆6。
二级杠杆6包括彼此平行且垂直设于固定部1和横杆41之间的第一杆体61和第二杆体62，并且纵杆42的末端与第一杆体61之间连有第三柔性薄板93；第一杆体61与横梁7之间连有第四柔性薄板94，第一杆体61与固定部1之间连有第五柔性薄板95，第二杆体62与固定部1之间连有第六柔性薄板96，第二杆体62与横梁7之间连有第七柔性薄板97。第一杆体61、第二杆体62、固定部1和横梁7四者之间构成了平行四连杆机构，当一级杠杆4推动二级杠杆6时横梁7能产生平动效果，最终使钳指8产生平动。
实施例中，第三柔性薄板93位于固定部1到横梁7之间距离的二分之一内的位置。第三柔性薄板93位于第一杆体61靠近第五柔性薄板95的位置，从而既能使一级杠杆4的位移量再次放大，又能使二级杠杆6所在的平行四连杆机构更容易产生弹性形变。
实施例中，支撑件5设于横杆41与横梁7之间。
实施例中，支撑件5为固定在横梁7上的球体53，横杆41设有与之匹配的球面坑54。当支撑块3推动一级杠杆4时，一级杠杆4以球体53为支点撬动二级杠杆6。与实施例一相比，实施例二中支撑件5的承压力大，一级杠杆4的转动稳定，能作为需要较大夹持力的压电微夹钳的优选结构。
实施例中，固定部1、支撑块3、一级杠杆4、二级杠杆6、横梁7、第一柔性薄板91、第三柔性薄板93、第四柔性薄板94、第五柔性薄板95、第六柔性薄板96和第七柔性薄板97为一体成型结构。
实施例三，如图5和图6所示，一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳，包括一对钳指8，以及设置在钳指8尾部的压电执行器2，压电执行器2的两端顶设有固定部1和支撑块3，还包括对称设置的两个一级杠杆4，以及对称设置的两个二级杠杆6，支撑块3设于压电执行器2和钳指8之间，钳指8的尾端垂直设有横梁7，支撑块3传动连于一级杠杆4，一级杠杆4传动连于二级杠杆6，二级杠杆6沿着横梁7的长度方向传动连于横梁7。压电执行器2通电伸长，推动支撑块3，支撑块3推动一级杠杆4并使位移放大，一级杠杆推动4二级杠杆6，二级杠杆6推动横梁7沿着横梁7长度方向移动，最终使钳指8平动张开。
实施例中，一级杠杆4包括一体成型并垂直衔接的横杆41和纵杆42，横杆41垂直于压电执行器2，支撑块3与横杆41之间垂直连有第一柔性薄板91，横杆41上还设有支撑件5，纵杆42并排平行设于压电执行器2的一侧；支撑块3通过第一柔性薄板91推动一级杠杆4的横杆41，并以支撑件5为支点撬动二级杠杆6。
二级杠杆6包括彼此平行且垂直设于固定部1和横杆41之间的第一杆体61和第二杆体62，并且纵杆42的末端与第一杆体61之间连有第三柔性薄板93；第一杆体61与横梁7之间连有第四柔性薄板94，第一杆体61与固定部1之间连有第五柔性薄板95，第二杆体62与固定部1之间连有第六柔性薄板96，第二杆体62与横梁7之间连有第七柔性薄板97。第一杆体61、第二杆体62、固定部1和横梁7四者之间构成了平行四连杆机构，当一级杠杆4推动二级杠杆6时横梁7能产生平动效果，最终使钳指8产生平动。
实施例中，第三柔性薄板93位于固定部1到横梁7之间距离的二分之一内的位置。第三柔性薄板93位于第一杆体61靠近第五柔性薄板95的位置，从而既能使一级杠杆4的位移量再次放大，又能使二级杠杆6所在的平行四连杆机构更容易产生弹性形变。
实施例中，支撑件5设于横杆41与横梁7之间。
实施例中，支撑件5连于横杆41与固定部1之间。
实施例中，支撑件5包括设置在固定部1上的刚性体51，以及连接刚性体51和横杆41的第二柔性薄板52。
实施例中，固定部1、支撑块3、一级杠杆4、二级杠杆6、横梁7、第一柔性薄板91、第三柔性薄板93、第四柔性薄板94、第五柔性薄板95、第六柔性薄板96和第七柔性薄板97为一体成型结构。
在实施例一、实施例二和实施例三中，支撑块3通过对称设置的两个第一柔性薄板91推动对称设置的一级杠杆4，能保证最终的两个钳指8同时夹紧和松开。
本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (8)

1.一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳，包括一对钳指(8)，以及设置在钳指(8)尾部的压电执行器(2)，所述的压电执行器(2)的两端顶设有固定部(1)和支撑块(3)，其特征是：还包括对称设置的两个一级杠杆(4)，以及对称设置的两个二级杠杆(6)，所述的支撑块(3)设于压电执行器(2)和钳指(8)之间，所述的钳指(8)的尾端垂直设有横梁(7)，所述的支撑块(3)传动连于所述的一级杠杆(4)，所述的一级杠杆(4)传动连于所述的二级杠杆(6)，所述的二级杠杆(6)沿着所述的横梁(7)的长度方向传动连于所述的横梁(7)；
所述的一级杠杆(4)包括一体成型并垂直衔接的横杆(41)和纵杆(42)，所述的横杆(41)垂直于所述的压电执行器(2)，所述的支撑块(3)与所述的横杆(41)之间垂直连有第一柔性薄板(91)，所述的横杆(41)上还设有支撑件(5)，所述的纵杆(42)并排平行设于压电执行器(2)的一侧；
所述的二级杠杆(6)包括彼此平行且垂直设于所述的固定部(1)和横杆(41)之间的第一杆体(61)和第二杆体(62)，并且所述的纵杆(42)的末端与所述的第一杆体(61)之间连有第三柔性薄板(93)；所述的第一杆体(61)与横梁(7)之间连有第四柔性薄板(94)，所述的第一杆体(61)与固定部(1)之间连有第五柔性薄板(95)，第二杆体(62)与固定部(1)之间连有第六柔性薄板(96)，第二杆体(62)与横梁(7)之间连有第七柔性薄板(97)。
2.根据权利要求1所述的一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳，其特征是：所述的第三柔性薄板(93)位于固定部(1)到横梁(7)之间距离的二分之一内的位置。
3.根据权利要求2所述的一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳，其特征是：所述的支撑件(5)设于所述的横杆(41)与所述的横梁(7)之间。
4.根据权利要求3所述的一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳，其特征是：所述的支撑件(5)包括垂直连于所述的横杆(41)与所述的横梁(7)的第二柔性薄板(52)。
5.根据权利要求2所述的一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳，其特征是：所述的支撑件(5)为固定在横梁(7)上的球体(53)，所述的横杆(41)设有与之匹配的球面坑(54)。
6.根据权利要求2所述的一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳，其特征是：所述的支撑件(5)连于所述的横杆(41)与所述的固定部(1)之间。
7.根据权利要求6所述的一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳，其特征是：所述的支撑件(5)包括设置在固定部(1)上的刚性体(51)，以及连接刚性体(51)和横杆(41)的第二柔性薄板(52)。
8.根据权利要求3至7任一权利要求所述的一种结构一体化钳指平动式柔顺机构压电微夹钳，其特征是：所述的固定部(1)、支撑块(3)、一级杠杆(4)、二级杠杆(6)、横梁(7)、第一柔性薄板(91)、第三柔性薄板(93)、第四柔性薄板(94)、第五柔性薄板(95)、第六柔性薄板(96)和第七柔性薄板(97)为一体成型结构。
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