CN111843980B - 一种连续两行程两级常力输出微夹钳及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连续两行程两级常力输出微夹钳及控制方法，该夹钳属于柔顺一体化机构。其中，常力机构由四组双稳态负刚度梁与杠杆部分组成。两级常力机构的原理是通过四组双稳态负刚度梁的参数设计得到两级负刚度曲线，再并联杠杆部分，实现正刚度补偿，从而得到连续两级零刚度曲线。微夹钳可分别在两段有效行程内输出两级恒定的夹持力。本发明具有多尺寸适应性、体积小、无摩擦、免装配、运动灵敏度高等优点。

Description

一种连续两行程两级常力输出微夹钳及控制方法
技术领域
本发明涉及微操作的技术领域，尤其涉及一种连续两行程两级常力输出微夹钳及控制方法。
背景技术
微操作是指对特征尺寸在微米量级(1μm～1mm)的对象进行操作和处理。微操作系统的主要功能包括微夹持、微注射、微操纵、微加工、微装配等，被广泛应用在航空航天、生物医学工程、纳米制造、精密光学仪器等国防和民用领域。微夹钳是微操作技术的关键末端执行器，在操作过程中，需同时满足特定范围的行程和夹持力，保证一定的柔顺性，以免操作对象损坏或松脱。
实现夹持过程中力、位移的精密控制可以采用力、位移传感器-控制器系统并结合自动控制算法对接触力进行检测和控制，但这会增加夹持器的尺寸和结构复杂性，并且，由于操作对象所需的夹持力通常很小，信号处理的难度很大。
常力机构利用屈曲双稳机构的负刚度效应，可以在一定的变形范围内提供近似恒定的输出力，对操作对象的安全性和可靠性有着重要的影响。相比于前者，基于常力机构的微夹钳一方面通过一体化加工减小结构整体尺寸，避免为集成力传感器预留位置；另一方面无需复杂的控制算法，降低硬件成本。因此，常力输出微夹钳具有广泛的应用和较好的前景。
澳门大学的Qingsong Xu等人制作的一级常力输出微夹钳，其常力值为0.72N，有效行程为1.8mm，夹持动作由音圈电机驱动，进行旋转夹持。夹持器在有效行程内仅能实现一级常力输出，难以适应多尺寸微操作对象，并且旋转夹持与平行夹持相比稳定性较差。
现有的微夹钳的研制存在不足：其一，集成微力传感器的微夹钳方案成本较高、控制复杂且对小批量、多尺寸的装配对象适应性差；其二，基于常力输出柔顺机构的微夹钳研究尚不完善，难以满足小批量、多尺寸的微装配对象的操作需求。
因此，为满足多尺寸、多形状操作对象的需求，在连续两行程内输出两级常力的柔顺微夹钳具有重要的研究意义。
发明内容
本发明旨在提供一种面向微操作的两级常力微夹钳，它分别在两段行程内输出两级常力，可应用于微电子集成电路制造、光导纤维装配、MEMS系统零件装配等多尺寸、小批量零件的微操作。
本发明采用以下技术方案。
一种连续两行程两级常力输出微夹钳，其特征在于，包括双稳态负刚度梁A、双稳态负刚度梁B、双稳态负刚度梁C、双稳态负刚度梁D，梭杆a、梭杆b，杠杆，夹爪和基座：所述双稳态负刚度梁A、双稳态负刚度梁B一端同时与连接梭杆a连接，另一端同时与基座连接；所述双稳态负刚度梁C、稳态负刚度梁D一端同时与梭杆b连接，另一端同时与基座连接，所述梭杆a始端连接致动器，末端连接杠杆，所述梭杆b始端连接杠杆，末端为夹爪，致动器的输入位移传递到梭杆a，经由杠杆部分被放大再传递到梭杆b至夹爪。
在上述的连续两行程两级常力输出微夹钳，夹爪包括可移动的梭杆b末端和不可移动的基座末端；所述梭杆b与杠杆部分，即基于柔性铰链的伪四杆机构连接，连接杆的平行端与基座连接，因此夹爪表现出平行夹持的特点，可靠性良好。
在上述的连续两行程两级常力输出微夹钳，杠杆部分是基于柔性铰链的伪四杆机构，其中柔性铰链包括1个半圆形柔性铰链和4个直圆形柔性铰链，表现出线性正刚度。
连续两行程两级常力输出微夹钳的控制方法，其特征在于，包括：
步骤1：致动器的输入位移传递到梭杆a，其连接的双稳态负刚度梁A和B并联，表现出一级负刚度；
步骤2：杠杆部分连接梭杆a和b，使双稳态负刚度梁C和D并联运动，表现出另一级负刚度；
步骤3：通过双稳态梁的参数设计，四组双稳态负刚度梁表现处两级负刚度，即调整屈曲临界点的位置，再进行刚度的并联，得到合适的两段有效行程，并使两段行程内的负刚度数值相同；
步骤2：所述杠杆部分表现出线性正刚度；
步骤3：所述两级常力是通过两级负刚度与线性正刚度并联得到的两个位移范围内的零刚度，即表现出连续两行程的两级常力。
本发明具有多尺寸适应性、体积小、无摩擦、免装配、运动灵敏度高等优点。
附图说明
图1为连续两行程两级常力微夹钳的主视图。
图2为连续两行程两级常力微夹钳的三维图。
图3为双稳态负刚度梁A(B)的力-位移曲线和经杠杆放大后的力-位移曲线。
图4为两级负刚度曲线的组成原理。
图5为两级零刚度曲线的组成原理。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和重要研究意义更加明了，以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的阐述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示，连续两行程两级常力微夹钳是由夹爪(1)、梭杆a(7)、双稳态负刚度梁D(3)、双稳态负刚度梁C(4)、基座部分(5)、杠杆部分(6)、梭杆b(2)、双稳态负刚度梁B(8)和双稳态负刚度梁A(9)组成的一体化柔顺微夹钳。
两级常力的实现基于双稳态梁的负刚度效应(应力刚化效应)，即固定导向梁中存在轴向压应力时，其承受横向载荷的能力会减弱，当其变形达到一阶屈曲模态与二阶屈曲模态的临界点时，会发生屈曲现象，表现出负刚度。
所述双稳态负刚度梁中两个固定导向梁对称布置，其特点是梁的一端固定、另一端变形后角度保持恒定。双稳态负刚度梁A和B为形状尺寸相同的两组梁，其截面为矩形，棱线为连续变化的曲线，这一点区别于截面为矩形、棱线为斜直线的普通双稳态梁。梁C和D均属于普通双稳态梁。在长度、截面尺寸相同的情况下，双稳态负刚度梁A(B)的屈曲临界点与双稳态负刚度梁C和D相比较为靠后，这对常力区间的设计是十分重要的性质。
所述梭杆a、b分别连接两组双稳态梁，一方面可通过双稳态梁的并联组合得到两级负刚度曲线，并有缩小整体尺寸的作用；另一方面每个梭杆两侧均为对称布置的两组固定导向梁，这是为了保证夹爪的纯平移，减小附加位移，提高夹持稳定性。
所述杠杆部分既连接梭杆a与梭杆b，传递并放大输入位移，使双稳态负刚度梁A、B的屈曲临界点后移，得到合适的两级负刚度，又提供线性正刚度kp，得到两级零刚度。杠杆部分的线性正刚度与柔性铰链的半径r和最小厚度δ有关：r越小、δ越大则刚度越大；r越大、δ越小则刚度越小。
双稳态负刚度梁A、B均一端连接梭杆a，一端连接基座；双稳态负刚度梁C、D均一端连接梭杆b，一端连接基座；梭杆a始端连接致动器，末端连接杠杆；梭杆b始端连接杠杆，末端为夹爪。由此，双稳态负刚度梁A、B、C、D与杠杆并联连接。
致动器的输入位移传递到梭杆a，经由杠杆部分被放大，并巧妙地使双稳态负刚度梁A和B的屈曲临界点后移，如图3所示，曲线1和2分别为：双稳态负刚度梁A(B)的输入力-位移曲线和输出力-位移曲线，其输入位移间隔Δx1和Δx2内的刚度分别为k10和k20；经杠杆放大后，其输出位移间隔Δd1和Δd2内的刚度分别为k1和k2。
如图4所示，曲线1、2、3和4分别为：两级负刚度曲线、双稳态负刚度梁A和B、双稳态负刚度梁C、双稳态负刚度梁D的输出力-位移曲线。在输出位移间隔Δd1内，经杠杆放大后的双稳态负刚度梁A和B的刚度为k1，双稳态负刚度梁C的刚度为k3，双稳态负刚度梁D的刚度为k5，并联后得到刚度Kα：
Kα＝k1+k3+k5
在输出位移间隔Δd2内，经杠杆放大后的双稳态负刚度梁A和B的刚度为k2，双稳态负刚度梁C的刚度为k4，双稳态负刚度梁D的刚度为k6，并联后得到刚度Kβ：
Kβ＝k2+k4+k6
通过双稳态梁形状尺寸参数的设计，使Kα＝Kβ，得到输出位移间隔Δd1和Δd2两段有效行程内数值相同的负刚度，即两级负刚度曲线。
如图5所示，曲线1、2和3分别为：两级零刚度曲线、两级负刚度曲线和正刚度补偿曲线。在力-输出位移曲线中，令上述两级负刚度与杠杆部分的线性正刚度并联，则得到Δd1和Δd2两段有效行程内的零刚度Ko，即两级零刚度曲线，在夹爪部分表现为F1和F2两级常力：
Ko＝Kp+Kα＝Kp+Kβ
以上所述仅是本发明的具体实施方式，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 (4)

1.一种连续两行程两级常力输出微夹钳，其特征在于，包括双稳态负刚度梁A、双稳态负刚度梁B、双稳态负刚度梁C、双稳态负刚度梁D，梭杆a、梭杆b，杠杆，夹爪和基座；
双稳态负刚度梁A关于梭杆a对称布置；双稳态负刚度梁B关于梭杆a对称布置，
双稳态负刚度梁C关于梭杆b对称布置；双稳态负刚度梁D关于梭杆b对称布置；
所述双稳态负刚度梁A一端同时与梭杆a连接，另一端同时与基座连接；双稳态负刚度梁B一端同时与梭杆a连接，另一端同时与基座连接；
所述双稳态负刚度梁C一端同时与梭杆b连接，另一端同时与基座连接；双稳态负刚度梁D一端同时与梭杆b连接，另一端同时与基座连接；
所述梭杆a始端连接致动器，末端连接杠杆，所述梭杆b始端连接杠杆，末端为夹爪，致动器的输入位移传递到梭杆a，经由杠杆部分被放大再传递到梭杆b至夹爪；
杠杆部分是基于柔性铰链的伪四杆机构，基于柔性铰链的伪四杆机构的连接杆的平行端与基座连接。
2.根据权利要求1所述的连续两行程两级常力输出微夹钳，其特征在于，夹爪包括可移动的梭杆b末端和不可移动的基座末端。
3.根据权利要求1所述的连续两行程两级常力输出微夹钳，其特征在于，其中柔性铰链包括4个半圆形柔性铰链和1个直圆形柔性铰链，表现出线性正刚度。
4.一种权利要求1所述的连续两行程两级常力输出微夹钳的控制方法，其特征在于，包括：
步骤1：致动器的输入位移传递到梭杆a，其连接的双稳态负刚度梁A和B并联，表现出一级负刚度；
步骤2：杠杆部分连接梭杆a和b，使双稳态负刚度梁C和D并联运动，表现出另一级负刚度；
步骤3：通过双稳态梁的参数设计，四组双稳态负刚度梁表现出两级负刚度，即调整屈曲临界点的位置，再进行刚度的并联，得到合适的两段有效行程，并使两段行程内的负刚度数值相同。
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