CN114619423B - 一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构，包括柔顺夹持机构、第一压电叠堆驱动器、第二压电叠堆驱动器以及柔顺胞元钳口，第一夹持臂和第二夹持臂关于轴线对称布置，且一端均与位移放大机构相连；第一压电叠堆驱动器和第二压电叠堆驱动器分别嵌入设置在位移放大机构的两侧；柔顺胞元钳口可拆卸设置在第一夹持臂和第二夹持臂的自由端部。相对传统的装配机构而言，其能够对特征范围在微米到毫米级的微小零件实现自适应的夹取操作，兼具结构紧凑、体积小、重量轻等优点，可完成对微小零件的精密装配，也可用于多品种、多批次微小器件的柔性装配。

Description

一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构

技术领域

本发明属于微装配技术领域，特别涉及一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构。

背景技术

微装配是一种在微小误差范围内将微米到毫米大小的微小零件组装形成微型系统的技术，广泛应用在医学检测设备、光通信组件、微传感器、微卫星设备等产品加工和制造中，是微纳制造领域的核心和基础。装配机构是对微装配对象直接进行夹取、搬运、放置等操作的部件，在微装配系统中起着举足轻重的作用，直接制约着微型系统的装配质量和效率，并影响着微机电系统的设计研发和产业化应用。

柔顺机构是装配机构最为常用的形式，它是一类依靠自身弹性变形传递力、位移和能量的机械结构，具有免装配、无间隙、无摩擦、可一体成型的优点。但由于微装配系统环境狭小、微操作臂承载能力有限，装配机构的尺寸和重量往往受到严格限制，无法配备大行程的压电驱动器以及复杂的位移放大机构，因此很难实现较大的工作行程。

然而随着微机电系统朝着多材料、多功能器件集成的方向发展，微操作任务需要涉及形状和尺寸各异的微小零件，它们的特征尺寸分布在微米到毫米级之间，尺寸跨度远远超过了装配机构的最大工作行程，因此单一装配机构难以应对复杂微机电系统的装配需求。以往的解决方案一般是设置多套微操作臂或微夹持器，以实现对不同形状和尺寸零件的自适应微装配。例如美国Lawrence Livermore国家实验室采用多达六套操作机器人系统对涉及多种外形尺度零件的惯性约束核聚变微靶进行装配，大大增加了装配设备的自动化控制的难度及成本。因而急需研发适用于跨尺度微小零件的自适应装配机构。Lofroth和Avci设计了一种新型的模块化柔顺夹持机构，其特征是在夹持机构末端设有安装孔位，用于安装适用于不同操作对象的夹持尖端(Lofroth M,Avci E.Development of a novelmodular compliant gripper for manipulation of micro objects[J].Micromachines,2019,10(5):313.)。但其位移放大比小、构型复杂、结构尺寸较大，同时由于采用螺栓固定，极易在安装过程中损坏夹持尖端，且难以实现自动化的更换，从而降低微操作任务的效率。

发明内容

本发明目的在于克服现有装配机构通用性差、适用范围小的问题，提供一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构，本发明能够对特征尺寸在微米到毫米级间的微小零件实现自适应的夹取操作，兼具结构紧凑、体积小、重量轻等优点，可完成对微小零件的精密装配，也可用于多品种、多批次微小器件的自适应装配。

为了实现上述目的，本发明提供的一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构，包括柔顺夹持机构、第一压电叠堆驱动器、第二压电叠堆驱动器以及柔顺胞元钳口，

柔顺夹持机构为对称结构，包括第一夹持臂、第二夹持臂、位移放大机构，第一夹持臂和第二夹持臂关于轴线对称布置，且一端均与位移放大机构相连；

第一压电叠堆驱动器和第二压电叠堆驱动器分别嵌入设置在位移放大机构的两侧；

柔顺胞元钳口可拆卸设置在第一夹持臂和第二夹持臂的自由端部。柔顺胞元钳口可拆卸设置，方便进行装配和更换，柔顺胞元钳口为可更换模块，可实现多种形状和尺寸微小零件的自适应夹持；当将柔顺胞元钳口下来后，柔顺夹持机构也可单独夹取特定形状或大小的微小零件。

优选地，位移放大机构的两侧分别设置有第一槽口和第二槽口，第一压电叠堆驱动器和第二压电叠堆驱动器分别设置在第一槽口和第二槽口内。

优选地，柔顺夹持机构还包括安装基座，位移放大机构的根部与安装基座连接，安装基座上开设有安装孔。通过安装孔可将微夹持器安装在微操作臂、精密定位平台上。

优选地，柔顺胞元钳口与第一夹持臂和第二夹持臂之间为卡扣连接。

优选地，第一夹持臂和第二夹持臂的末端分别设有第一夹持面和第二夹持面，既用于定位安装柔顺胞元钳口，也可用于直接夹取微小零件，所述第一夹持面和第二夹持面分别设有第一公扣和第二公扣，柔顺胞元钳口上设置有分别与第一公扣和第二公扣相配合的第一母扣和第二母扣，以解锁或锁定柔顺胞元钳口，便于柔顺胞元钳口的快速拆装和更换。

优选地，所述柔顺胞元钳口为对称结构，包括第一对接机构、第二对接机构和柔性梁，第一对接机构和第二对接机构相对设置，且第一对接机构和第二对接机构之间通过柔性梁连接，柔顺胞元钳口上还设置有夹持面。

优选地，在第一对接机构的内侧、第二对接机构的内侧、柔性梁的外侧均能设置所述夹持面。

优选地，每个夹持面上均设置有凸点，当夹持零件时，各凸点与零件保持点接触。通过设置凸点与微小零件保持点接触，从而减小夹持面与微小零件间粘附力、毛细力等表面力，既保证夹持稳定性，也可实现微小零件的可靠释放。

优选地，当设置有两个或两个以上夹持面时，所有夹持面上的凸点的尖端位于同一个内接圆的圆周上，内接圆半径由微小零件的形状和尺寸确定。针对不同形状和尺寸的微小零件可设计适配的夹持面。

具体地，柔性梁设置有两个，夹持面设置有三个，定义为第三夹持面、第四夹持面和第五夹持面，第三夹持面、第四夹持面分别设置在第一对接机构和第二对接机构的内侧，第五夹持面设置在柔性梁的外侧，第三夹持面、第四夹持面和第五夹持面的两端均设置有凸点，所有凸点的尖端均位于同一个内接圆的圆周上，内接圆半径范围在微米到毫米级，并与微小零件的尺寸相适配。

优选地，所述第一对接机构和第二对接机构分别设有第一对接导向槽和第二对接导向槽，第一对接导向槽和第二对接导向槽的截面分别与第一夹持面和第二夹持面匹配，第一夹持臂和第二夹持臂分别可拆卸连接在第一对接导向槽和第二对接导向槽内。

所述一种用于微装配的模块化柔顺微夹持器的整体连接关系为：第一压电叠堆驱动器和第二压电叠堆驱动器分别安装在第一槽口和第二槽口中，配合关系为过盈配合，通过计算预紧力和过盈量的关系，可实现柔性梁预紧；柔顺胞元钳口安装在第一夹持臂和第二夹持臂上，由夹持面的公扣和对接导向槽的母扣配合锁定。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少如下：

(1)本发明可根据微小零件的形状和尺寸，更换不同的模块化柔顺胞元钳口，实现微米到毫米尺寸范围内物体的自适应夹持，可完成对微小零件的精密装配，也可用于多品种、多批次微小器件的柔性装配；

(2)压电叠堆驱动器嵌入到柔顺夹持机构内部，具有较大的位移放大比和较大的工作行程，结构简单紧凑、体积小、重量轻，方便安装与微操作平台安装；

(3)柔顺夹持机构与柔顺胞元钳口采用卡扣连接，结构简单、部件少、连接稳固，易于实现自动化安装和更换；

(4)柔顺夹持机构采用慢走丝线切割一体成型，刚度大、整体性好，具有较高的运动精度；

(5)柔顺胞元钳口采用多夹持面、点接触的方式夹持微小零件，能保证微小零件的夹持稳定性和可靠释放。

附图说明

图1是跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构整体结构图。

图2是柔顺夹持机构俯视图。

图3是柔顺夹持机构第一夹持臂和第二夹持臂示意图。

图4是柔顺胞元钳口结构示意图。

图5是柔顺胞元钳口侧视图的A-A剖视图。

图6是柔顺胞元钳口俯视图的B-B剖视图。

图7是柔顺胞元钳口与柔顺夹持机构卡扣连接示意图。

图中：1、柔顺夹持机构；1-1、第一夹持臂；1-1-1、第一夹持面；1-1-2、第一公扣；1-2、第二夹持臂；1-2-1、第二夹持面；1-2-2、第二公扣；1-3、位移放大机构；1-3-1、第一槽口；1-3-2、第二槽口；1-4、安装基座；2、第一压电叠堆驱动器；3、第二压电叠堆驱动器；4、柔顺胞元钳口；4-1、第三夹持面；4-2、第四夹持面；4-3、第五夹持面；4-4、第一柔性梁；4-5、第二柔性梁；4-6、第一对接机构；4-6-1、第一对接导向槽；4-6-2、第一母扣；4-7、第二对接机构；4-7-1、第二对接导向槽；4-7-2、第二母扣。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例做进一步的详细说明，应当指出的是，具体实施例仅仅是具体阐述，并不是对本发明的限定。

参见附图1，本发明提供的一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构，具有可更换的柔顺胞元钳口4，适用于特征尺度在微米到毫米级微小零件的自适应装配，可完成对微小零件的批量化装配，也可用于小批量、多品种、多批次微小器件的柔性装配；

参见附图1，本发明提供的一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构，包括柔顺夹持机构1、第一压电叠堆驱动器2、第二压电叠堆驱动器3以及柔顺胞元钳口4。

本发明中，参见附图2，柔顺夹持机构1为对称结构，采用慢走丝线切割进行加工，包括第一夹持臂1-1、第二夹持臂1-2、位移放大机构1-3以及安装基座1-4。第一夹持臂1-1和第二夹持臂1-2关于轴线对称布置，与位移放大机构1-3相连；位移放大机构1-3的根部与安装基座1-4连接；位移放大机构1-3的两侧分别有第一槽口1-3-1和第二槽口1-3-2，第一槽口1-3-1和第二槽口1-3-2的截面形状与压电叠堆驱动器的形状相适应，第一压电叠堆驱动器2、第二压电叠堆驱动器3分别设置在第一槽口1-3-1和第二槽口1-3-2内，位移放大机构1-3用于放大压电驱动器的输出位移；安装基座1-4上开有两个安装孔，用于将本发明提供的柔顺装配机构安装在其他平台上。

在本发明的其中一些实施例中，柔顺夹持机构1为平面对称结构。在其他实施例中夹持机构可以设置为三维轴对称结构，使之具有多个夹持臂。

在本发明的其中一些实施例中，安装孔为圆形通孔。

在本发明的其中一些实施例中，第一槽口1-3-1和第二槽口1-3-2位于位移放大机构1-3的中部两侧。压电堆叠驱动器、第一槽口1-3-1和第二槽口1-3-2的形状均为矩形，当然，在其他实施例中，若压电驱动器的形状为其他形状，第一槽口1-3-1和第二槽口1-3-2也根据压电驱动器的形状进行调整。

本发明中，参见附图3，第一夹持臂1-1和第二夹持臂1-2的末端分别设有第一夹持面1-1-1和第二夹持面1-2-1；第一夹持面1-1-1和第二夹持面1-2-1的根部上表面分别设有带凸点的第一公扣1-1-2和第二公扣1-2-2，通过凸点可以提高卡紧的作用。在其他实施例中卡扣也可以根据实际需要设置成其他形式或设置在其他部位。

在本发明的其中一些实施例中，第一夹持面1-1-1和第二夹持面1-2-1的截面形状为楔形。

在本发明的其中一些实施例中，参见附图4，所述柔顺胞元钳口4为对称结构，包括第三夹持面4-1、第四夹持面4-2、第五夹持面4-3、第一柔性梁4-4、第二柔性梁4-5、第一对接机构4-6以及第二对接机构4-7；第一对接机构4-6与第二对接机构4-7关于轴线对称布置，两者由第五夹持面4-3、第一柔性梁4-4以及第二柔性梁4-5连接；第三夹持面4-1、第四夹持面4-2分别与第一对接机构4-6和第二对接机构4-7连接；第三夹持面4-1、第四夹持面4-2以及第五夹持面4-3的两端均设有凸点，与微小零件保持点接触，保证夹持稳定性和微小零件的可靠释放；凸点的尖端均位于同一个内接圆的圆周上，内接圆半径由微小零件确定，针对不同形状和尺寸的微小零件可设计适配的夹持面。

其中，柔性梁的作用是将两个对接机构连接起来，同时增加整个结构的刚度。在其他实施例中，柔性梁可以设置一个或其他数量。

其中，柔顺胞元钳口4中的夹持面的数量也可以设置成其他数值。

在本发明的其中一些实施例中，参见附图5，第一对接机构4-6和第二对接机构4-7内分别设有第一对接导向槽4-6-1和第二对接导向槽4-7-1。

在本发明的其中一些实施例中，参见附图6，第一对接导向槽4-6-1和第二对接导向槽4-7-1的根部分别设有带凸点的第一母扣4-6-2和第二母扣4-7-2，用于与第一公扣1-1-2和第二公扣1-2-2配合，以完成柔顺胞元钳口4的锁定。其中对接导向槽可以引导柔顺胞元钳口到安装位置，从而降低对微操作机构绝对定位精度的要求，易于实现自动化安装和更换。设置凸点可以增强卡紧的作用。

本发明实施例提供的一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构的整体连接关系为：第一压电叠堆驱动器2和第二压电叠堆驱动器3分别安装在第一槽口1-3-1和第二槽口1-3-2中，配合关系为过盈配合，以实现柔性梁预紧；柔顺胞元钳口4安装在第一夹持臂1-1和第二夹持臂1-2上，由卡扣固定；参见附图7，具体固定形式为：第一夹持面1-1-1插入第一对接导向槽4-6-1，通过第一公扣1-1-2与第一母扣4-6-2锁紧，第二夹持面1-2-1插入第二对接导向槽4-7-1，通过第二公扣1-2-2与第二母扣4-7-2锁紧。其中，压电叠堆驱动器嵌入到柔顺夹持机构内部，同时优化了驱动器的位置和柔顺机构的构型，因此可以得到更大工作行程的柔顺机构，由杠杆原理，压电叠堆驱动器嵌入到柔顺夹持机构内部后，动力臂与阻力臂的比值可以做得更大，从而实现更大的位移放大比和工作行程。

柔顺胞元钳口4为可更换模块，第三夹持面4-1、第四夹持面4-2以及第五夹持面4-3的凸点尖端位于同一个内接圆的圆周上，内接圆半径与微小零件的形状和尺寸相适配，可实现多种形状和尺寸微小零件的自适应夹持；柔顺夹持机构1也可单独工作，由第一夹持臂1-1和第二夹持臂1-2夹取微小零件。

本发明实施例提供的柔顺装配机构的工作过程是：首先按图所示将柔顺装配机构进行装配，并将柔顺装配机构安装于微操作平台上；在夹取微小零件时，对第一压电叠堆驱动器2和第二压电叠堆驱动器3分别加载驱动电压，驱动器输出力迫使位移放大机构1-3发生变形，带动第一夹持臂1-1以及第二夹持臂1-2发生相向运动，此时可以夹持固定尺寸的微小零件，但设置有柔顺胞元钳口4时，也可进一步带动柔顺胞元钳口4进行工作；当柔顺夹持机构1安装有柔顺胞元钳口4时，第一夹持臂1-1以及第二夹持臂1-2带动第三夹持面4-1、第四夹持面4-2以及第五夹持面4-3发生运动，其中第三夹持面4-1、第四夹持面4-2相向运动，与轴线垂直，第五夹持面4-3的运动方向与轴线平行，从而实现对微小零件的三指夹持；当需要夹取不同尺寸形状的微小零件时，拆卸原先的柔顺胞元钳口4，并更换与之适配的柔顺胞元钳口4，即可实现对不同尺寸形状的微小零件的夹取；在释放微小零件时，断开第一压电叠堆驱动器2和第二压电叠堆驱动器3的电源，柔顺夹持机构1恢复原状态，第一夹持臂1-1以及第二夹持臂1-2张开，带动第三夹持面4-1、第四夹持面4-2以及第五夹持面4-3张开，从而释放微小零件。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构，其特征在于，包括柔顺夹持机构(1)、第一压电叠堆驱动器(2)、第二压电叠堆驱动器(3)以及柔顺胞元钳口(4)，

柔顺夹持机构(1)为对称结构，包括第一夹持臂(1-1)、第二夹持臂(1-2)、位移放大机构(1-3)，第一夹持臂(1-1)和第二夹持臂(1-2)关于轴线对称布置，且一端均与位移放大机构(1-3)相连；

第一压电叠堆驱动器(2)和第二压电叠堆驱动器(3)分别嵌入设置在位移放大机构(1-3)的两侧；

柔顺胞元钳口(4)可拆卸设置在第一夹持臂(1-1)和第二夹持臂(1-2)的自由端部，所述柔顺胞元钳口(4)为对称结构，包括第一对接机构(4-6)、第二对接机构(4-7)和柔性梁(4-5)，第一对接机构(4-6)和第二对接机构(4-7)相对设置，且第一对接机构(4-6)和第二对接机构(4-7)之间通过柔性梁(4-5)连接，柔顺胞元钳口(4)上还设置有夹持面。

2.根据权利要求1所述的一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构，其特征在于，位移放大机构(1-3)的两侧分别设置有第一槽口(1-3-1)和第二槽口(1-3-2)，第一压电叠堆驱动器(2)和第二压电叠堆驱动器(3)分别设置在第一槽口(1-3-1)和第二槽口(1-3-2)内。

3.根据权利要求1所述的一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构，其特征在于，柔顺夹持机构(1)也能设置为三维轴对称结构，包括多个夹持臂。

4.根据权利要求1所述的一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构，其特征在于，柔顺胞元钳口(4)与第一夹持臂(1-1)和第二夹持臂(1-2)之间为卡扣连接。

5.根据权利要求4所述的一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构，其特征在于，第一夹持臂(1-1)和第二夹持臂(1-2)的末端分别设有第一夹持面(1-1-1)和第二夹持面(1-2-1)，所述第一夹持面(1-1-1)和第二夹持面(1-2-1)分别设有第一公扣(1-1-2)和第二公扣(1-2-2)，柔顺胞元钳口(4)上设置有分别与第一公扣(1-1-2)和第二公扣(1-2-2)相配合的第一母扣(4-6-2)和第二母扣(4-7-2)，以解锁或锁定柔顺胞元钳口(4)。

6.根据权利要求1所述的一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构，其特征在于，在第一对接机构(4-6)的内侧、第二对接机构(4-7)的内侧、柔性梁(4-5)的外侧均能设置所述夹持面。

7.根据权利要求6所述的一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构，其特征在于，每个夹持面上均设置有凸点，当夹持零件时，各凸点与零件保持点接触。

8.根据权利要求6所述的一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构，其特征在于，当设置有两个或两个以上夹持面时，所有夹持面上的凸点的尖端位于同一个内接圆的圆周上，内接圆半径由微小零件的形状和尺寸确定。

9.根据权利要求1所述的一种跨尺度微小零件自适应柔顺装配机构，其特征在于，所述第一对接机构(4-6)和第二对接机构(4-7)分别设有第一对接导向槽(4-6-1)和第二对接导向槽(4-7-1)，第一夹持臂(1-1)和第二夹持臂(1-2)分别可拆卸连接在第一对接导向槽(4-6-1)和第二对接导向槽(4-7-1)内。