CN112276980A - 一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手 - Google Patents

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Abstract

一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，本发明涉及微尺度构件的可控装配技术，以解决传统毛细力单指式微操作装置难以控制拾取后微构件位姿的难题，它包括探针升降运动控制单元、温度控制单元、末端执行单元，探针升降运动控制单元包括步进电机、滑轨、底板、凸轮、滑块和弹簧，温度控制单元包括固定异形水冷头、可升降异形水冷头、液泵、软管、散热水冷头、制冷片和散热水箱，制冷片的下端面通过导热硅脂与散热水箱贴合，上端面通过导热硅脂与散热水冷头贴合，固定异形水冷头和可升降异形水冷头通过软管与液泵、散热水冷头串联成液体回路，末端执行单元包括探针组和探针连接块，本发明用于微构件的可控操作。

Description

一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手
技术领域
本发明涉及一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，属于微尺度构件的可控柔顺操作及装配技术领域。
背景技术
微构件操作技术广泛应用于微型机电产品的生产和生物、化学、医疗等领域的科学研究中，通过相应的操作装置完成微构件的拾取、倾斜、移动和释放等操作，达到微构件的空间位置转移和姿态调整等目的。目前，常见的微构件操作方法主要包括机械夹持法、真空吸附法、超声波法、激光法、电场法、磁场法、微流体法等。机械夹持法是利用操作装置施加在微构件上的夹紧力所产生的静摩擦力来实现微构件与操作装置的同步运动，能够较为灵活地完成操作。然而，微构件具有易变形、易受损的特点，因此机械夹持法存在容易损伤微构件的弊端，使用时须精准控制夹紧力的大小以确保微构件的安全，这对操作人员的技术水平提出了较高的要求。真空吸附法是利用真空吸盘的内外压差产生的压力来拾取微构件，要求微构件能够贴合真空吸盘，这对微构件的几何外形提出了要求。超声波法、激光法、电场法、磁场法、微流体法等非接触式操作方法可实现操作的柔顺性，适应不同外形的微构件，且能够有效避免微构件受损，但是操作的灵活性较差，难以完全实现微构件的六自由度运动。基于毛细力的微构件操作方法是非接触式操作方法之一，在操作装置末端生成微液滴，使其与微构件接触形成液桥，利用毛细力作用完成拾取操作。然而，常用的单指式操作装置难以控制拾取后的微构件位姿，无法创造装配前的精确调控。因此，开发一种能够实现微构件可控柔顺拾取与位姿调控的微操作机械手具有重要的理论意义和应用价值。
发明内容
本发明针对基于毛细力的微装配过程中微构件姿态难以控制的难题，发明了一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，机械末端包含三根独立探针形成的探针组。通过控制可升降探针的升降运动来改变三根探针末端的相对位置，从而改变微液滴的形态，最终实现微构件姿态的控制。
本发明的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手及其操作过程所提供的技术方案如下：
1.所述装置包括探针升降运动控制单元、温度控制单元、末端执行单元；所述探针升降运动控制单元包括步进电机、滑轨、底板、凸轮、滑块和弹簧，所述凸轮与步进电机的输出轴过盈配合，滑块的下端与弹簧预紧接触，上端与凸轮接触，侧面与滑轨接触；所述温度控制单元包括固定异形水冷头、可升降异形水冷头、液泵、软管、散热水冷头、制冷片和散热水箱，所述制冷片的下端面通过导热硅脂与散热水箱贴合，上端面通过导热硅脂与散热水冷头贴合，所述可升降异形水冷头通过螺丝与对应的滑块相连，固定异形水冷头固定在底板上，该两种异形水冷头内部均具有通道，通过软管与液泵和散热水冷头串联成液体回路；所述末端执行单元包括探针组和探针连接块，所述探针连接块的一端通过螺丝连接固定异形水冷头和可升降异形水冷头，另一端连接独立探针；所述探针组包含三根独立探针，可通过凸轮调节独立探针下端面的相互位置，实现微构件位姿的调控；且配置不同的端面形状（如凹面、锥面）形成液桥力的控制；
2.所述滑轨、底板、凸轮、滑块和弹簧均为不锈钢材质，避免其过多的热量传导至固定异形水冷头和可升降异形水冷头，造成制冷能力不足；固定异形水冷头、可升降异形水冷头、探针连接块和散热水冷头为铝合金材质，探针组为纯铜材质，确保热量能够高效地传导；软管为橡胶材质，可对低温液体介质起到保温作用；管内液体介质选用无水乙醇，凝固点低，流动性强；所述固定异形水冷头和可升降异形水冷头未与探针连接块接触的表面均进行隔热处理，如涂覆隔热漆或粘贴隔热胶布，散热水冷头未与制冷片接触的表面也采用涂覆隔热漆或隔热胶布的隔热处理，有利于减少热量损失，提高冷却效率；
3.利用所述凸轮驱动式液体介质微操作机械手获取微液滴的方法如下：
(1) 在固定异形水冷头、可升降异形水冷头、液泵、软管、散热水冷头形成的串联回路中，充满无水乙醇；
(2) 用导热硅脂将制冷片的冷面粘贴在散热水冷头上，将制冷片的热面粘贴在散热水箱上；
(3) 启动液泵和制冷片，让无水乙醇在串联回路中循环，在流经散热水冷头时被制冷片吸收热量而降低温度；
(4) 低温无水乙醇流经固定异形水冷头和可升降异形水冷头时吸收热量，使探针连接块和独立探针上的温度降低，一方面可以使独立探针的端面温度低于环境露点时产生冷凝液滴，另一方面可以使独立探针端面的液滴保持稳定，避免蒸发，创造机械手所需的液体介质条件；
4.利用所述凸轮驱动式液体介质微操作机械手进行操作的方法如下：
(1) 分别控制两个凸轮的转动，让两个滑块带动相应的独立探针做升降运动，并使三根独立探针端面平齐；
(2) 依靠独立探针末端生成微液滴，并使其接触微构件形成液桥，借助产生的液桥力实现拾取操作；
(3) 控制制冷片电流的大小、通断时间，可改变独立探针的末端温度，调整液桥的体积，实现对液桥力大小的控制；
(4) 分别控制两个凸轮的转动，可改变三根独立探针末端的相对位置，形成倾斜液桥，进而改变微构件的姿态，形成装配前的微构件位姿调控。
本发明的有益效果是：1、本发明所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，通过凸轮机构将电机的旋转运动转化为探针的升降运动，可实现探针末端相对位置的精确控制；2、本发明所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手的异形水冷头，作为连接探针升降运动控制单元和末端执行单元的桥梁，同时又是温度控制单元的组成部分，有利于提高降温冷凝的效率，提高装置紧凑性；3、本发明所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，末端的三根探针可配置不同的端面形状，且容易拆卸、更换，便于配置不同的操作对象需求；4、本发明所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手的固定异形水冷头和可升降异形水冷头通过软管与液泵、散热水冷头串联成液体回路，并充满无水乙醇，便于提高冷凝效率。
附图说明
图1是本发明的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手外部结构示意图。
图2是本发明的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手内部结构示意图。
图3是本发明的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手温度控制单元示意图。
图4是本发明的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手的操作过程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2、图3和图4说明，本实施方式所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，它包括探针升降运动控制单元、温度控制单元、末端执行单元，所述探针升降运动控制单元包括步进电机1-1、滑轨1-2、底板1-3、凸轮2-1、滑块2-2和弹簧2-3，所述凸轮2-1与步进电机1-1的输出轴过盈配合，滑块2-2的下端与弹簧2-3预紧接触，上端与凸轮2-1接触，侧面与滑轨1-2接触，所述温度控制单元包括固定异形水冷头1-4、可升降异形水冷头1-5、液泵3-1、软管3-2、散热水冷头3-3、制冷片3-4和散热水箱3-5，所述制冷片3-4的下端面通过导热硅脂与散热水箱3-5贴合，上端面通过导热硅脂与散热水冷头3-3贴合，所述可升降异形水冷头1-5通过螺丝与对应的滑块2-2相连，固定异形水冷头1-4固定在底板1-3上，所述末端执行单元包括探针组1-7和探针连接块1-6，所述探针连接块1-6的一端通过螺丝连接固定异形水冷头1-4和可升降异形水冷头1-5，另一端连接独立探针4-1。
具体实施方式二：结合图1和图3说明，本实施方式所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，所述固定异形水冷头1-4和可升降异形水冷头1-5内部具有通道，通过软管3-2与液泵3-1和散热水冷头3-3串联成液体回路，其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1、图2和图4说明，本实施方式所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，所述探针组1-7包含三根独立探针4-1，可通过凸轮2-1调节独立探针4-1下端面的相互位置，实现微构件位姿的调控，其它组成和连接关系与具体实施方式一、二相同。
具体实施方式四：结合图1、图2和图3说明，本实施方式所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，所述滑轨1-2、底板1-3、凸轮2-1、滑块2-2和弹簧2-3均为不锈钢材质，避免其过多的热量传导至固定异形水冷头1-4和可升降异形水冷头1-5，造成制冷能力不足；固定异形水冷头1-4、可升降异形水冷头1-5、探针连接块1-6和散热水冷头3-3为铝合金材质，探针组1-7为高纯铜材质，确保热量能够高效地传导；软管3-2为橡胶材质，可对低温液体介质起到保温作用；管内液体介质选用无水乙醇，凝固点低，流动性强；其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1和图3说明，本实施方式所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，所述固定异形水冷头1-4和可升降异形水冷头1-5未与探针连接块1-6接触的表面均进行隔热处理，如涂覆隔热漆或粘贴隔热胶布，散热水冷头3-3未与制冷片3-4接触的表面也采用涂覆隔热漆或隔热胶布的隔热处理，有利于减少热量损失，提高冷却效率；其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图1、图3和图4说明，本实施方式利用具体实施方式一、二、三、四或五中的任意一个所述的液体介质微操作机械手获取微液滴的方法如下：
(1) 在固定异形水冷头1-4、可升降异形水冷头1-5、液泵3-1、软管3-2、散热水冷头3-3形成的串联回路中，充满无水乙醇；
(2) 用导热硅脂将制冷片3-4的冷面粘贴在散热水冷头3-3上，将制冷片3-4的热面粘贴在散热水箱3-5上；
(3) 启动液泵3-1和制冷片3-4，让无水乙醇在串联回路中循环，在流经散热水冷头3-3时被制冷片3-4吸收热量而降低温度；
(4) 低温无水乙醇流经固定异形水冷头1-4和可升降异形水冷头1-5时吸收热量，使探针连接块1-6和独立探针4-1上的温度降低，一方面可以使独立探针4-1的端面温度低于环境露点时产生冷凝液滴，另一方面可以使独立探针4-1端面的液滴保持稳定，避免蒸发，创造机械手所需的液体介质条件。
具体实施方式七：结合图2、图3和图4说明，本实施方式利用具体实施方式一、二、三、四、五或六中的任意一个所述的利用凸轮驱动式液体介质微操作机械手进行操作的方法如下：
(1) 分别控制两个凸轮2-1的转动，让两个滑块2-2带动相应的独立探针4-1做升降运动，并使三根独立探针4-1端面平齐；
(2) 依靠独立探针4-1末端生成微液滴，并使其接触微构件4-3形成液桥4-2，借助产生的液桥力实现拾取操作；
(3) 控制制冷片3-4电流的大小、通断时间，可改变独立探针4-1的末端温度，调整液桥4-2的体积，实现对液桥力大小的控制；
(4) 分别控制两个凸轮2-1的转动，可改变三根独立探针4-1末端的相对位置，形成倾斜液桥4-4，进而改变微构件4-3的姿态，形成装配前的微构件位姿调控。
基于具体实施方式一到七所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，可实现微构件的拾取与倾斜位姿调整操作，能够有效控制拾取的毛细力大小及微构件的角度，满足不同外形微构件的装配需求，避免微构件受损。

Claims (7)

1.一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，其特征在于：所述机械手包括探针升降运动控制单元、温度控制单元、末端执行单元，所述探针升降运动控制单元包括步进电机（1-1）、滑轨（1-2）、底板（1-3）、凸轮（2-1）、滑块（2-2）和弹簧（2-3），所述凸轮（2-1）与步进电机（1-1）的输出轴过盈配合，滑块（2-2）的下端与弹簧（2-3）预紧接触，上端与凸轮（2-1）接触，侧面与滑轨（1-2）接触，所述温度控制单元包括固定异形水冷头（1-4）、可升降异形水冷头（1-5）、液泵（3-1）、软管（3-2）、散热水冷头（3-3）、制冷片（3-4）和散热水箱（3-5），所述制冷片（3-4）的下端面通过导热硅脂与散热水箱（3-5）贴合，上端面通过导热硅脂与散热水冷头（3-3）贴合，所述可升降异形水冷头（1-5）通过螺丝与对应的滑块（2-2）相连，固定异形水冷头（1-4）固定在底板（1-3）上，所述末端执行单元包括探针组（1-7）和探针连接块（1-6），所述探针连接块（1-6）的一端通过螺丝连接固定异形水冷头（1-4）和可升降异形水冷头（1-5），另一端连接独立探针（4-1）。
2.根据权利要求1所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，其特征在于：所述固定异形水冷头（1-4）和可升降异形水冷头（1-5）内部具有通道，通过软管（3-2）与液泵（3-1）和散热水冷头（3-3）串联成液体回路。
3.根据权利要求1或2所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，其特征在于：所述探针组（1-7）包含三根独立探针（4-1），可通过凸轮（2-1）调节独立探针（4-1）下端面的相互位置，利于实现位姿的调控。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，其特征在于：所述滑轨（1-2）、底板（1-3）、凸轮（2-1）、滑块（2-2）和弹簧（2-3）均为不锈钢材质，固定异形水冷头（1-4）、可升降异形水冷头（1-5）、探针连接块（1-6）和散热水冷头（3-3）为铝合金材质，探针组（1-7）为纯铜材质，软管（3-2）为橡胶材质，管内液体介质选用无水乙醇。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，其特征在于：所述固定异形水冷头（1-4）和可升降异形水冷头（1-5）未与探针连接块（1-6）接触的表面均进行隔热处理，如涂覆隔热漆或粘贴隔热胶布，散热水冷头（3-3）未与制冷片（3-4）接触的表面也采用涂覆隔热漆或隔热胶布的隔热处理，有利于减少热量损失，提高冷却效率。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手，其特征在于：所述液体介质微操作机械手获取微液滴的方法如下：
(1) 在可升降异形水冷头（1-5）、固定异形水冷头（1-4）、液泵（3-1）、软管（3-2）、散热水冷头（3-3）形成的串联回路中，充满无水乙醇；
(2) 用导热硅脂将制冷片（3-4）的冷面粘贴在散热水冷头（3-3）上，将制冷片（3-4）的热面粘贴在散热水箱（3-5）上；
(3) 启动液泵（3-1）和制冷片（3-4），让无水乙醇在串联回路中循环，在流经散热水冷头（3-3）时被制冷片（3-4）吸收热量而降低温度；
(4) 低温无水乙醇流经可升降异形水冷头（1-5）和固定异形水冷头（1-4）时吸收热量，使探针连接块（1-6）和独立探针（4-1）上的温度降低，一方面可以使独立探针（4-1）的端面温度低于环境露点时产生冷凝液滴，另一方面可以使独立探针（4-1）端面的液滴保持稳定，避免蒸发，创造机械手所需的液体介质条件。
7.利用权利要求1、2、3、4、5或6中任意一个权利要求所述的一种凸轮驱动式液体介质微操作机械手进行操作的方法，其特征在于，所述方法主要包括如下步骤：
(1) 分别控制两个凸轮（2-1）的转动，让两个滑块（2-2）带动相应的独立探针（4-1）做升降运动，并使三根独立探针（4-1）端面平齐；
(2) 依靠独立探针（4-1）末端生成微液滴，并使其接触微构件（4-3）形成液桥（4-2），借助产生的液桥力实现拾取操作；
(3) 控制制冷片（3-4）电流的大小、通断时间，可改变独立探针（4-1）的末端温度，调整液桥（4-2）的体积，实现对液桥力大小的控制；
(4) 分别控制两个凸轮（2-1）的转动，可改变三根独立探针（4-1）末端的相对位置，形成倾斜液桥（4-4），进而改变微构件（4-3）的姿态，形成装配前的微构件位姿调控。
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