CN1733592A

CN1733592A - 一种柔性电热驱动微夹钳

Info

Publication number: CN1733592A
Application number: CN 200410050254
Authority: CN
Inventors: 褚金奎; 郝秀春; 王立鼎; 关乐
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2024-08-12
Also published as: CN100398430C

Abstract

本发明为一种柔性电热驱动微夹钳，属于微机电系统领域中的微执行器类。柔性电热驱动微夹钳由驱动部分和钳体部分组成，驱动部分为V形梁阵列，微夹钳是利用高阻值的多晶硅材料进行体硅加工形成的一整体柔性结构，无需任何装配，整个钳体结构由四对摇杆，六对柔性铰链，驱动位移杆，驱动固定杆组成。四对摇杆的外轮廓形状曲线可为圆弧曲线，也可为矩形曲线、菱形曲线等多种形状，或为不同曲线形状的任意组合；六对柔性铰链都是杆状结构。这种微夹钳控制简单、易行，制作简单，且其位移放大倍数较大，输出效率高，精度高。可应用于微机电系统进行微操作、微装配等。

Description

一种柔性电热驱动微夾钳

技术领域本发明为一种柔性电热驱动微夾钳，属于微机电系统领域中的微执行器类。

背景技术微纳米技术是一个新兴的多学科交叉的高技术领域，涉及电子、机械、材料、物理、化学等学科，它研究和控制物质结构的功能尺寸和分辨能力达到微米至纳米量级。其目标就是要实现原子分子层次上的制造技术，形成新的物质结构和机器，实现此目的的途径有两种：一种是bottom-up技术，即通过直接操作单个原子或分子构造需要的器件，这样，一种操作尺度十分细微的微动系统就成为微机械研究的一个重要方向和内容。另一途径则是top-down技术，即用传统的方法由大机器制造出小机器。为此，要求相应的工艺装备的定位精度进入亚微米甚至纳米精度。实际上，无论哪种途径加工出的微机械零件都需要一种操作尺寸十分细微的微动系统装配成微机器。由以上分析可以看出，微夹持或微操作系统的重要性，而微夹钳技术是其关键。微夹钳作为一种典型的微执行机构，不仅可以成为微机器人的手爪，而且在微机械零件的加工、装配、生物工程和光学等领域均有很好的应用前景。因此，微夹钳及其相关的研究已成为国内外微机械研究领域的一个前沿课题。

微夾钳的钳体采用刚性结构时，一般体积较大，制作麻烦，装配比较困难；柔性结构正好可以克服刚性结构的不足，它是指能通过其部分或全部具有柔性的构件变形而产生位移的机械机构，一个柔性结构能够传递或传输运动、力或能量。柔性结构一般采用压电、形状记忆合金、磁致伸缩等功能材料。与刚体连接机构不同的是，柔性机构不仅可以从铰链的运动来获得可运动性，还可以从柔性部件的变形获得它们的可运动性，具有以下一些优点：可以大量减少所需的部件数量；容易小型化，并且可以利用微加工技术进行批量与集成制造；无摩擦、磨损、传动间隙、不需润滑，可以减少或消去间隙，提高结构的精度；因为柔性机构依赖于柔性部件的变形，因而能量被柔性部件以应变能的形式储存，这种能量存储性质可能对特殊的力变形特性有用，或引起一个机构趋向于特定位置；可以比相应的刚性机构在质量方面有显著降低。微夹钳的驱动形式包括：静电驱动、压电驱动、电磁驱动、气压驱动、电热驱动等。电热驱动方式与其它方式比起来具有驱动电压低、结构简单、驱动力和输出变形大以及易于同集成电路制造工艺相兼容等优点。

有关电热驱动微夾钳方面的研究，在中国专利中未发现相关文献。B.E.Volland等人在在国外期刊(Microelectronic Engineering)的论文中发表了静电驱动的微夹钳，虽然也是采用体硅工艺制作，并且也是电压驱动，但其驱动力主要为静电力因此其驱动电压太大。Young Seek Oh等人在国际学术会议(2003 ASME International Mechanical Engineering Congress)的论文中发表了拓扑优化设计并进行修改的微夾钳结构，并加上电热驱动，驱动器同本发明相同均为V型梁阵列，但结构型式完全不同，该文献中提到的微夾钳夹持物体时容易产生变形、钳口位移小，夹持力也比较小。

发明内容本发明的目的是提供了一种结构简洁，所需的零、部件数量少，控制简单，输出效率高，夹持力大，位移放大倍数较大的柔性电热驱动微夹钳。

本发明采用的技术方案是一种柔性电热驱动微夾钳，由驱动部分和钳体部分组成，驱动部分为V形梁阵列16，其特征是：微夹钳是利用高阻值的多晶硅材料进行体硅加工形成的一整体柔性结构，无需任何装配，整个钳体结构由四对摇杆5a和5b、7a和7b、11a和11b、钳臂14a和14b，六对柔性铰链4a和4b、6a和6b、8a和8b、10a和10b、12a和12b、13a和13b，驱动位移杆9，驱动固定杆1a、1b组成；四对摇杆的外轮廓形状曲线可以全部为圆弧曲线，也可以全部为矩形曲线、菱形曲线等多种形状，或为不同曲线形状的任意组合。六对柔性铰链都是杆状结构；

钳臂摇杆14a和14b的上端是夹持端15a和15b，下端通过柔性铰链12a和12b及13a和13b分别与摇杆5a和5b的上端以及摇杆11a和11b的下端相铰接，摇杆5a和5b中间通过柔性铰链4a和4b与钳体固定杆3a和3b相铰接，下端又通过柔性铰链6a和6b与摇杆7a和7b的下端相铰接，摇杆7a和7b的上端通过柔性铰链8a和8b与钳体中间的驱动位移杆9下端相铰接，驱动位移杆9的上端通过柔性铰链10a和10b与摇杆11a和11b的上端相铰接，驱动位移杆9的输入端与产生直线驱动位移的驱动部分V形梁阵列16相连，V形电热驱动部分16的固定杆1a和1b与钳体的固定杆3a、3b相连，电极2a和2b位于固定杆1a和1b的表面上。

柔性电热驱动微夹钳的V形梁阵列的“V”字开口方向可以改变，并且阵列中梁的数目可以从一到多改变；当V形梁阵列的方向为倒“V”字形16时，夹持端实现的是闭合的动作，夹持端的距离L不能为零，具体应视夹持物体大小而定；当V形梁阵列的方向为正“V”字形17时，夹持端实现的是张开的动作，夹持端的距离L可以为零。

柔性电热驱动微夾钳的柔性铰链13a、13b在钳臂14a、14b上的位置可以任意改变，同时柔性铰链10a、10b在驱动位移杆9上的位置也可以改变；钳体的固定端3a、3b与电热驱动部分的固定端1a、1b可以相连也可以分离。

本发明的效果是一种柔性电热驱动微夾钳，其控制简单、易行，并且微夹钳的钳体部分与驱动部分为一柔性整体，无需装配，制作简单，能够应用于微机电系统领域、微机器人技术领域等进行微操作、微装配等，且其位移放大倍数较大，输出效率高，精度高。

附图说明图1是微夾钳钳体结构的机构原理简图。其中：AB、AG、BD、GI、EF、JF、DE、IJ为摇杆；AF为中间驱动杆；C、H为固定铰支座；A、B、D、E、F、G、I、J为转动副；K为移动副。

图2是柔性电热驱动微夾钳的结构图。其中：1a、1b-驱动固定杆；2a、2b-电极；3a、3b-钳体固定杆；4a、4b-柔性铰链；5a、5b-摇杆；6a、6b-柔性铰链；7a、7b-摇杆；8a、8b-柔性铰链；9-驱动位移杆；10a、10b-柔性铰链；11a、11b-摇杆；12a、12b-柔性铰链；13a、13b-柔性铰链；14a、14b-钳臂摇杆；15a、15b-夹持端；16-V形电热驱动部分。

图3是柔性电热驱动微夾钳的柔性铰链13a、13b、12a、12b、5a、5b铰接的结构图。图4是采用倒V形电热驱动部分微夾钳的结构图，其中：17-V形电热驱动部分。图5是驱动固定端[1a]、[1b]和钳体固定端[3a]、[3b]分离时的微夹钳结构图。图6是几种摇杆形状图，其中：(a)摇杆外轮廓为圆弧曲线形状；(b)摇杆外轮廓为长方形形状；(c)摇杆外轮廓为菱形形状。

具体实施方式下面结合附图具体说明实施方式。在电极2a和2b之间加上合适电压后，V形电热驱动部分16有电流通过，因高阻而生热，使倾斜的梁膨胀伸长，在V形驱动部分的输出端产生一定的输出位移和驱动力，这可以作为钳体部分的输入位移和输入力，输入到钳体中间部分的驱动杆9，使其产生竖直向上的直线位移，通过柔性铰链8a、10a及8b、10b作用分别使摇杆7a、11a产生逆时针转动、摇杆7b、11b产生顺时针转动，其中7a、7b通过柔性铰链6a、6b使摇杆5a、5b转动，柔性铰链12a、12b和13a、13b可利用摇杆5a、5b和11a、11b的转动最终驱使钳臂14a、14b分别产生顺时针和逆时针的转动，这样就可以在夹持端15a、15b处产生较大的位移，从而实现微夹钳夹取微小物体的闭合动作。通过控制施加在电极2a、2b上电压的大小，就可以控制微夹钳夹持端15a、15b处的闭合位移大小，见附图2。

当柔性电热驱动微夾钳采用V形梁阵列时，其可实现夹持端的张开动作，见附图3，此时夹持端初始位移L可以适当减小。当柔性电热驱动微夾钳采用倒V形梁阵列时，可实现夹持端的闭合动作，见附图4。

当驱动部分和钳体部分的固定端分离时，此种结构的钳体中不会有电流通过，可以避免静电现象产生，见附图5。

Claims

1、一种柔性电热驱动微夾钳，由驱动部分和钳体部分组成，驱动部分为V形梁阵列[16]，其特征是：微夹钳是利用高阻值的多晶硅材料进行体硅加工形成的一整体柔性结构，无需任何装配，整个钳体结构由四对摇杆[5a]和[5b]、[7a]和[7b]、[11a]和[11b]、钳臂[14a]和[14b]，六对柔性铰链[4a]和[4b]、[6a]和[6b]、[8a]和[8b]、[10a]和[10b]、[12a]和[12b]、[13a]和[13b]，驱动位移杆[9]，驱动固定杆[1a]、[1b]组成；四对摇杆的外轮廓形状曲线可以全部为圆弧曲线，也可以全部为矩形曲线、菱形曲线等多种形状，或为不同曲线形状的任意组合。六对柔性铰链都是杆状结构；

钳臂摇杆[14a]和[14b]的上端是夹持端[15a]和[15b]，下端通过柔性铰链[12a]和[12b]及[13a]和[13b]分别与摇杆[5a]和[5b]的上端以及摇杆[11a]和[11b]的下端相铰接，摇杆[5a]和[5b]中间通过柔性铰链[4a]和[4b]与钳体固定杆[3a]和[3b]相铰接，下端又通过柔性铰链[6a]和[6b]与摇杆[7a]和[7b]的下端相铰接，摇杆[7a]和[7b]的上端通过柔性铰链[8a]和[8b]与钳体中间的驱动位移杆[9]的下端相铰接，驱动位移杆[9]的上端通过柔性铰链[10a]和[10b]与摇杆[11a]和[11b]的上端相铰接，驱动位移杆[9]的输入端与产生直线驱动位移的驱动部分V形梁阵列[16]相连，V形电热驱动部分[16]的固定杆[1a]和[1b]与钳体的固定杆[3a]、[3b]相连，电极[2a]和[2b]位于固定杆[1a]和[1b]的表面上。

2、如权利要求1中所述的柔性电热驱动微夹钳，V形梁阵列的“V”字开口方向可以改变，并且阵列中梁的数目可以从一到多改变；当V形梁阵列的方向为倒“V”字形[16]时，夹持端实现的是闭合的动作，夹持端的距离L不能为零，具体应视夹持物体大小而定；当V形梁阵列的方向为正“V”字形[17]时，夹持端实现的是张开的动作，夹持端的距离L可以为零。

3、如权利要求1、2中所述的柔性电热驱动微夹钳，柔性铰链[13a]、[13b]在钳臂[14a]、[14b]上的位置可以任意改变，同时柔性铰链[10a]、[10b]在驱动位移杆[9]上的位置也可以改变；钳体的固定端[3a]、[3b]与电热驱动部分的固定端[1a]、[1b]可以相连也可以分离。