CN116252318B - 一种低温纳米机械手及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械手技术领域，公开了一种低温纳米机械手，包括纳米机械手本体、所述纳米机械手本体包括机械手控制模块和探针模块，所述机械手控制模块与探针模块连接，实现探针模块的运动控制，所述低温纳米机械手还包括冷却系统，所述纳米机械手本体包括降温模块，所述冷却装置与降温模块连接，所述冷却装置将冷量传递给降温模块进而再传递给探针模块，从而降低探针模块的温度。本发明的机械手具有冷却模块，实现了低温下夹取和转移低温样品。同时，本发明中巧妙地利用压电陶瓷管多自由度以及高精度的优势，通过两根压电陶瓷管的组合和控制实现对样品的纳米级夹取和转移。具有结构紧凑、可靠性高、精度高、控制灵活的优点。

Description

一种低温纳米机械手及控制方法

技术领域

本发明属于机械手技术领域，尤其涉及一种低温纳米机械手及控制方法。

背景技术

机械手作为一种常用的夹取装置被广泛应用于现代工业自动化场景中。目前，常规的机械手依然集中在宏观尺度，而在一些涉及真空环境下微纳米操纵的场景中（比如移动和堆积纳米物质以组装纳米器件和微纳米加工等），常常需要机械手能够达到纳米级的位移精度，以便对微纳米级的样品进行操纵，这是常规机械手无法满足的。另一方面，随着低温纳米技术的快速发展，对处于低温下的微纳米样品进行操纵需求日益迫切，比如对处于低温下的样品进行纳米级的加工以及纳米级的器件组装等。然而，目前还缺乏相应的纳米机械手以对低温样品进行纳米级的夹取和转移。

发明内容

本发明目的在于提供一种低温纳米机械手及控制方法,以解决现有技术中缺乏纳米机械手以对低温样品进行纳米级的夹取和转移的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明充分利用压电驱动器的高精密运动特性，结合高效、可控的冷却手段，提出了一种结构紧凑、多自由度操纵的低温纳米机械手的解决方案，可完全应用于低温下样品的纳米级夹取和转移。本发明的一种低温纳米机械手及控制方法的具体技术方案如下：

一种低温纳米机械手，包括纳米机械手本体、所述纳米机械手本体包括机械手控制模块和探针模块，所述机械手控制模块与探针模块连接，实现探针模块的运动控制，所述低温纳米机械手还包括冷却系统，所述纳米机械手本体包括降温模块，所述冷却装置与降温模块连接，所述冷却装置将冷量传递给降温模块进而再传递给探针模块，从而降低探针模块的温度。

进一步的，所述降温模块包括冷却管道、冷却底座和柔性导热带，所述冷却管道穿过冷却底座，所述冷却管道包括冷却管道进气口和冷却管道出气口，冷却管道进气口连接冷却装置，并与冷却底座保持接触，经过与冷却底座换热的气体由冷却管道出气口排出，所述柔性导热带一端与冷却底座紧密连接，另一端与探针模块紧密连接，所述降温模块通过柔性导热带的热量传递实现探针模块的冷却。

进一步的，包括控制系统，所述控制系统连接冷却装置和纳米机械手本体，用于控制纳米机械手本体的冷却温度和运动。

进一步的，所述机械手控制模块包括左右对称设置的压电驱动器、压电转接管和压电控制线路，所述压电驱动器通过压电转接管与降温模块的冷却底座紧密固定连接，所述压电驱动器电极通过压电控制线路连接到控制系统，所述压电驱动器用于驱动探针模块实现纳米量级的操纵功能。

进一步的，所述压电转接管采用铝合金材料，所述压电转接管与冷却底座接触的表面具有氧化层，所述压电转接管与压电驱动器内壁接触的部分无氧化层。

进一步的，所述冷却装置为气体冷却装置，包括气瓶、质量流量计及换热罐，所述气瓶输出连接质量流量计，所述质量流量计连接换热罐和控制系统，所述换热罐内具有换热器和冷却剂，所述气瓶用于盛放待冷却的干燥气体，所述控制系统通过质量流量计控制气体的流量，所述换热罐内的换热器用于实现待冷却干燥气体与冷却剂的热交换。

进一步的，所述探针模块包括左右对称设置的探针底座和探针，两个探针底座一端分别与两个压电驱动器固定连接，所述探针底座上表面与降温模块的柔性导热带紧密连接，两个探针底座的另一端分别与两个探针紧密固定连接，所述控制系统通过控制左右两边的压电驱动器的电压从而控制探针的夹紧、松开、移动操作，所述探针底座通过柔性导热带的热传递实现冷却，所述探针底座进一步把冷量传递到探针尖端，实现探针的低温状态。

进一步的，所述纳米机械手本体包括测温模块，所述测温模块包括温度传感器和温度反馈线路，所述探针底座远离探针的一端与温度传感器紧密连接，所述温度传感器与控制系统通过温度反馈线路连接，所述控制系统根据温度传感器的反馈和目标温度的差异，发送指令给冷却装置，通过控制冷却装置的流量以实现对探针温度的控制。

进一步的，所述压电驱动器采用压电陶瓷管，所述压电陶瓷为圆柱形，每根所述压电陶瓷管具有五个电极，分别为：X向一个XO电极，所述XO电极在圆柱内壁；Y向两个电极：YA电极 和YB电极；Z向两个电极：ZA电极和ZB电极；所述YA 电极和YB电极左右对称设置，所述ZA电极和ZB电极上下对称设置，5个所述电极彼此绝缘。

本发明还公开了一种低温纳米机械手的控制方法，包括如下步骤：

伸缩控制步骤：

同时对两根压电陶瓷管内壁的XO电极施加正向电压，两根压电陶瓷管伸长，实现探针的前进；

同时对两根压电陶瓷管XO电极施加反向电压，两根压电陶瓷管收缩，实现探针的后退；

对中精调步骤：

对两根压电陶瓷管的XO电极施加不同方向的电压，两根压电陶瓷管一根沿X方向伸长，一根沿X方向缩短，实现探针在夹取样品时X方向的精调；

对两根压电陶瓷管中的一根ZA电极施加负向电压，ZB电极施加正向电压，另一根压电陶瓷管ZA电极施加正向电压，ZB电极施加负向电压，实现探针在夹取样品时Z方向的精调；

夹紧松开步骤：对单根压电陶瓷管Y方向的电极YA和电极YB施加反向电压，使压电陶瓷管沿Y方向产生弯曲，从而实现压电陶瓷管前端Y向的位移；

夹紧：对左侧的压电陶瓷管YA电极施加负向电压，YB电极施加正向电压，使其沿Y轴正向偏移，同时，对右侧的压电陶瓷管YA电极施加正向电压，YB电极施加反向电压，使其沿Y轴负向偏移，实现探针15对样品的加紧；

松开：对左侧的压电陶瓷管YA电极施加正向电压，YB电极施加负向电压，使其沿Y轴负向偏移，同时，对右侧的压电陶瓷管YA电极施加负向电压，YB电极施加正向电压，使其沿Y轴正向偏移，实现探针对样品的松开；

上下移动步骤：通过对单根压电陶瓷管Z方向的一对电极施加反向电压，使压电陶瓷管沿Z方向产生弯曲，从而实现压电陶瓷管前端Z向的位移；

向上移动：对两根压电陶瓷管的ZA电极同时施加负向电压，ZB电极同时施加正向电压，使其沿Z轴正向偏移，实现探针在Z轴正向的移动；

向下移动：对两根压电陶瓷管的ZA电极同时施加正向电压，ZB电极同时施加负向电压，使其沿Z轴负向偏移，实现探针在Z轴负向的移动。

本发明的一种低温纳米机械手及控制方法具有以下优点：本发明的机械手具有冷却模块，通过冷却装置连接到冷却模块实现冷却模块的降温，通过冷却模块将冷量传递到探针，实现低温下夹取和转移低温样品。冷却装置采用气体冷却方式，减小了纳米机械手高精度运动时的振动。同时，本发明中巧妙地利用压电陶瓷管多自由度以及高精度的优势，通过两根压电陶瓷管的组合和控制实现对样品的纳米级夹取和转移。本发明结构紧凑、可靠性高、精度高、控制灵活、实现了低温下的纳米级机械手控制。

附图说明

图1为本发明的低温纳米机械手的结构示意图；

图2为本发明的纳米机械手本体俯视图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为本发明的压电驱动器的俯视图；

图5为图4的B-B剖视图；

图6为本发明的低温纳米机械手的工作模式示意图。

图中标记说明：10.纳米机械手本体；11.冷却管道；111.冷却管道进气口；112.冷却管道出气口；12.冷却底座；13.压电驱动器；14.探针底座；15.探针；16. 柔性导热带；17.压电转接管；18.温度传感器；20.冷却装置；21.气瓶；22.质量流量计；23.换热器；24.冷却剂；25.换热罐；30.控制系统；31.温度反馈线路；32.压电控制线路。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种低温纳米机械手及控制方法做进一步详细的描述。

如图1-3所示，本发明的一种低温纳米机械手，包括纳米机械手本体10、冷却装置20以及控制系统30。冷却系统20连接纳米机械手本体10，用于提供冷源给纳米机械手本体10降温，纳米机械手本体10用于对低温样品进行夹取和转移，控制系统30连接冷却装置20和纳米机械手本体10，用于控制纳米机械手本体10的冷却温度和运动。

冷却装置20包括气瓶21、质量流量计22及换热罐25。气瓶21输出连接质量流量计22，质量流量计22连接换热瓶和控制系统30，换热罐25内具有换热器23和冷却剂24。气瓶21用于盛放待冷却的干燥气体，质量流量计22用于控制气体的流量，换热罐25内的换热器23用于实现待冷却干燥气体与冷却剂24的热交换。优选地，本实施例中的冷却气体可选择干燥氮气或干燥氦气，相应的冷却剂对应为液氮或液氦，由此可实现对超低温环境下样品的纳米级操纵。另外，本发明采用气体冷却的方式，目的在于减小纳米机械手高精度运动时的振动。

纳米机械手本体10包括降温模块、测温模块、机械手控制模块和探针模块。冷却装置20与降温模块连接，降温模块与探针模块连接，冷却装置20将冷量传递给降温模块进而再传递给探针模块，从而降低探针模块的温度，控制系统30与测温模块连接，测温模块与探针模块连接，实现探针模块的温度控制，控制系统30与机械手控制模块连接，机械手控制模块与探针模块连接，实现探针模块的运动控制。

降温模块包括冷却管道11、冷却底座12和柔性导热带16。冷却管道11穿过冷却底座12，冷却管道11包括冷却管道进气口111和冷却管道出气口112，冷却管道进气口111连接冷却装置20，并通过紧密贴合与冷却底座12保持接触，经过与冷却底座12换热的气体最后由冷却管道出气口112排出，从而带走冷却底座12的热量，实现冷却底座12的低温状态。柔性导热带16一端与冷却底座12通过紧固螺丝紧密连接，另一端通过紧固螺丝与探针模块实现紧密连接。如此，降温模块通过柔性导热带16的冷量传递，可实现探针模块的冷却。

机械手控制模块包括左右对称设置的压电驱动器13、压电转接管17和压电控制线路32，压电驱动器13通过压电转接管17与降温模块的冷却底座12紧密固定连接，压电驱动器13用于驱动探针模块实现纳米量级的操纵功能。优选地，压电转接管17可采用铝合金材料。如此，如图3所示，压电转接管17与冷却底座12接触的表面具有氧化层，从而实现其与冷却底座12的隔热效果，保护压电驱动器13处于正常的工作温度范围内。另一方面，压电转接管17与压电驱动器13内壁接触的部分无氧化层，如此可以实现压电驱动器13内部电极的转接，压电驱动器13电极通过压电控制线路32连接到控制系统30。

探针模块包括左右对称设置的探针底座14和探针15，两个探针底座14一端分别与两个压电驱动器13固定连接，探针底座14上表面与降温模块的柔性导热带16通过紧固螺丝紧密连接，两个探针底座14另一端分别与两个探针15紧密固定连接。控制系统30通过控制左右两边的压电驱动器13的电压从而控制探针15的夹紧、松开、移动操作。通过柔性导热带16的热传递，可实现探针底座14的冷却，探针底座14把冷量进一步传递到探针15尖端，最终实现探针15的低温状态。

测温模块包括温度传感器18和温度反馈线路31，探针底座14远离探针15的一端与温度传感器18紧密连接，温度传感器18与控制系统30通过温度反馈线路31连接。根据温度传感器18的反馈和目标温度的差异，控制系统30发送指令给质量流量计22，通过控制冷却气体的流量以实现对探针15温度的控制。测温模块一方面能够实时调节温度，防止探针15与目标夹持物存在较大温差，影响夹取的可靠性；另一方面，也可以根据不同低温样品的温度要求设置不同的温度，提高了纳米机械手对不同低温样品的普适性。

控制系统30为计算机、控制芯片或控制器等。

优选地，在本实施例中，所述压电驱动器13可采用压电陶瓷管。压电陶瓷管为圆柱形，根据现有技术已知对压电陶瓷管的电极施加不同大小和方向的电压可以实现压电陶瓷管微纳米级的形变。如图4、5所示，所述单根压电陶瓷管具有五个电极，分别为：X向一个XO电极，XO电极在圆柱内壁，Y向两个电极：YA电极和YB电极，Z向两个电极：ZA电极和ZB电极，YA 电极和YB电极左右对称设置，ZA电极和ZB电极上下对称设置。其中5个电极彼此绝缘。

在本发明中，巧妙地利用压电陶瓷管多自由度以及高精度的优势，通过两根压电陶瓷管的组合实现对样品的纳米量级夹取和转移。可选地，本发明中的低温纳米机械手亦可搭载于宏观的运动平台上，从而可以实现宏观运动与微观运动紧密结合。

伸缩控制步骤：如图6所示，通过同时对两根压电陶瓷管内壁的XO电极施加正向电压（在本实施例中，规定使压电陶瓷管沿X轴正向运动的电压为正向电压），两根压电陶瓷管伸长，此时可以实现探针15的前进，即图6中的（a1）表示探针15由实线位置运动到虚线位置，同理，如果同时对两根压电陶瓷管XO电极对施加反向电压，两根压电陶瓷管收缩，则可以实现探针15的后退，即如图6中（a2）所示机械手由实线位置运动到虚线位置。由此可实现探针15在X方向的移动。

方向精调步骤：若对两根压电陶瓷管XO电极施加不同方向的电压，此时两根压电陶瓷管一根沿X方向伸长，一根沿X方向缩短，从而可以实现探针15在夹取样品时X方向的精调，使两探针15对中更好，由此提高机械手夹取样品时的可靠性和稳定性。

夹紧松开步骤：如图6中（b1）所示，通过对单根压电陶瓷管Y方向的一对电极（电极YA和电极YB）施加反向电压，可以使压电陶瓷管沿Y方向产生弯曲，从而压电陶瓷管前端实现Y向的位移。在本实施例中，规定可以使压电陶瓷管产生沿Y轴正向的YA对应的电压为负。如图6中（b1）所示，对左侧的压电陶瓷管YA电极施加负向电压，YB电极施加正向电压，可使其沿Y轴正向偏移（实线到虚线位置），与此同时，对右侧的压电陶瓷管YA电极施加正向电压，YB电极施加反向电压，可使其沿Y轴负向偏移（实线到虚线位置），由此便可以实现探针15对样品的夹紧。同理，如图6中（b2）所示，对左侧的压电陶瓷管YA电极施加正向电压，YB电极施加负向电压，可使其沿Y轴负向偏移（实线到虚线位置），与此同时，对右侧的压电陶瓷管YA电极施加负向电压，YB电极施加正向电压，可使其沿Y轴正向偏移（实线到虚线位置），由此便可以实现探针15对样品的松开。

上下移动步骤：如图6中（c1）所示，通过对单根压电陶瓷管Z方向的一对电极（电极ZA和电极ZB）施加反向电压，可以使压电陶瓷管沿Z方向产生弯曲，从而压电陶瓷管前端实现Z向的位移。在本实施例中，规定可以使压电陶瓷管产生沿Z轴正向的ZA对应的电压为负。如图6中（c1）所示，对两根压电陶瓷管（从（c1）和（c2）视图观察，两根压电陶瓷管重合，因此图中只画出一根）的ZA电极同时施加负向电压，ZB电极同时施加正向电压，可使其沿Z轴正向偏移（实线到虚线位置），由此可以实现探针15在Z轴正向的移动。同理，如图6中（c2）所示，对两根压电陶瓷管的ZA电极同时施加正向电压，ZB电极同时施加负向电压，可使其沿Z轴负向偏移（实线到虚线位置），由此可以实现探针15在Z轴负向的移动。

方向精调步骤：若对两根压电陶瓷管中的一根ZA电极施加负向电压，ZB电极施加正向电压，另一根压电陶瓷管ZA电极施加正向电压，ZB电极施加负向电压，此时可以实现探针15在夹取样品时Z方向的精调，使两探针15对中更好，进一步提高机械手夹取样品时的可靠性和稳定性。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种低温纳米机械手，包括纳米机械手本体（10）、所述纳米机械手本体（10）包括机械手控制模块和探针模块，所述机械手控制模块与探针模块连接，实现探针模块的运动控制，其特征在于，所述低温纳米机械手还包括冷却装置（20），所述纳米机械手本体（10）包括降温模块，所述冷却装置（20）与降温模块连接，所述冷却装置（20）将冷量传递给降温模块进而再传递给探针模块，从而降低探针模块的温度；所述降温模块包括冷却管道（11）、冷却底座（12）和柔性导热带（16），所述冷却管道（11）穿过冷却底座（12），所述冷却管道（11）包括冷却管道进气口（111）和冷却管道出气口（112），冷却管道进气口（111）连接冷却装置（20），并与冷却底座（12）保持接触，经过与冷却底座（12）换热的气体由冷却管道出气口（112）排出，所述柔性导热带（16）一端与冷却底座（12）紧密连接，另一端与探针模块紧密连接，所述降温模块通过柔性导热带（16）的热量传递实现探针模块的冷却；所述机械手控制模块包括左右对称设置的压电驱动器（13）、压电转接管（17）和压电控制线路（32），所述压电驱动器（13）通过压电转接管（17）与降温模块的冷却底座（12）紧密固定连接，所述压电驱动器（13）的电极通过压电控制线路（32）连接到控制系统（30），所述压电驱动器（13）用于驱动探针模块实现纳米量级的操纵功能；所述冷却装置（20）为气体冷却装置，包括气瓶（21）、质量流量计（22）及换热罐（25），所述气瓶（21）输出连接质量流量计（22），所述质量流量计（22）连接换热罐（25）和控制系统（30），所述换热罐（25）内具有换热器（23）和冷却剂（24），所述气瓶（21）用于盛放待冷却的干燥气体，所述控制系统（30）通过质量流量计（22）控制气体的流量，所述换热罐（25）内的换热器（23）用于实现待冷却干燥气体与冷却剂（24）的热交换；所述探针模块包括左右对称设置的探针底座（14）和探针（15），两个探针底座（14）一端分别与两个压电驱动器（13）固定连接，所述探针底座（14）上表面与降温模块的柔性导热带（16）紧密连接，两个探针底座（14）的另一端分别与两个探针（15）紧密固定连接，所述控制系统（30）通过控制左右两边的压电驱动器（13）的电压从而控制探针（15）的夹紧、松开、移动操作，所述探针底座（14）通过柔性导热带（16）的热传递实现冷却，所述探针底座（14）把冷量传递到探针（15）尖端，实现探针（15）的低温状态；所述压电驱动器（13）采用压电陶瓷管，所述压电陶瓷为圆柱形，每根所述压电陶瓷管具有五个电极，分别为：X向一个XO电极，所述XO电极在圆柱内壁；Y向两个电极：YA电极 和YB电极；Z向两个电极：ZA电极和ZB电极；所述YA 电极和YB电极左右对称设置，所述ZA电极和ZB电极上下对称设置，5个所述电极彼此绝缘。

2.根据权利要求1所述的低温纳米机械手，其特征在于，所述控制系统（30）连接冷却装置（20）和纳米机械手本体（10），用于控制纳米机械手本体（10）的冷却温度和运动。

3.根据权利要求1所述的低温纳米机械手，其特征在于，所述压电转接管（17）采用铝合金材料，所述压电转接管（17）与冷却底座（12）接触的表面具有氧化层，所述压电转接管（17）与压电驱动器（13）内壁接触的部分无氧化层。

4.根据权利要求1所述的低温纳米机械手，其特征在于，所述纳米机械手本体（10）包括测温模块，所述测温模块包括温度传感器（18）和温度反馈线路（31），所述探针底座（14）远离探针（15）的一端与温度传感器（18）紧密连接，所述温度传感器（18）与控制系统（30）通过温度反馈线路（31）连接，所述控制系统（30）根据温度传感器（18）的反馈和目标温度的差异，发送指令给冷却装置（20），通过控制冷却装置的流量以实现对探针（15）温度的控制。

5.一种如权利要求4所述的低温纳米机械手的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

伸缩控制步骤：

同时对两根压电陶瓷管内壁的XO电极施加正向电压，两根压电陶瓷管伸长，实现探针（15）的前进；

同时对两根压电陶瓷管XO电极施加反向电压，两根压电陶瓷管收缩，实现探针（15）的后退；

对中精调步骤：

对两根压电陶瓷管的XO电极施加不同方向的电压，两根压电陶瓷管一根沿X方向伸长，一根沿X方向缩短，实现探针（15）在夹取样品时X方向的精调；

对两根压电陶瓷管中的一根ZA电极施加负向电压，ZB电极施加正向电压，另一根压电陶瓷管ZA电极施加正向电压，ZB电极施加负向电压，实现探针（15）在夹取样品时Z方向的精调；

夹紧松开步骤：对单根压电陶瓷管Y方向的电极YA和电极YB施加反向电压，使压电陶瓷管沿Y方向产生弯曲，从而实现压电陶瓷管前端Y向的位移；

夹紧：对左侧的压电陶瓷管YA电极施加负向电压，YB电极施加正向电压，使其沿Y轴正向偏移，同时，对右侧的压电陶瓷管YA电极施加正向电压，YB电极施加反向电压，使其沿Y轴负向偏移，实现探针（15）对样品的夹紧；

松开：对左侧的压电陶瓷管YA电极施加正向电压，YB电极施加负向电压，使其沿Y轴负向偏移，同时，对右侧的压电陶瓷管YA电极施加负向电压，YB电极施加正向电压，使其沿Y轴正向偏移，实现探针（15）对样品的松开；

上下移动步骤：通过对单根压电陶瓷管Z方向的一对电极施加反向电压，使压电陶瓷管沿Z方向产生弯曲，从而实现压电陶瓷管前端Z向的位移；

向上移动：对两根压电陶瓷管的ZA电极同时施加负向电压，ZB电极同时施加正向电压，使其沿Z轴正向偏移，实现探针（15）在Z轴正向的移动；

向下移动：对两根压电陶瓷管的ZA电极同时施加正向电压，ZB电极同时施加负向电压，使其沿Z轴负向偏移，实现探针（15）在Z轴负向的移动。