CN214771453U - 一种基于二级混合放大的空间微夹持器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于二级混合放大的空间微夹持器，包括底座；在底座上垂直安装有四个微夹持臂，每个微夹持臂包括：支撑框、压电陶瓷驱动器、桥式放大机构、杠杆放大机构和夹持末端；所述支撑框底部固装在底座上，在该支撑框内侧安装有压电陶瓷驱动器和桥式放大机构，在该支撑框外侧安装有杠杆放大机构；该压电陶瓷驱动器输出端与桥式机构输入端连接在一起，该桥式放大机构输出端与杠杆放大机构输入端连接在一起，该杠杆放大机构输出端与夹持末端连接在一起；压电陶瓷驱动器所产生的输入位移，经桥式放大机构和杠杆放大机构进行二级放大，最终将力和位移输出至夹持末端。本实用新型结构简单、工作性能可靠。
Description
技术领域
本实用新型属于精密工程和微小物体夹持技术领域，涉及空间微夹持器，尤其是一种基于二级混合放大的空间微夹持器。
背景技术
目前，随着微机电系统、微/纳操作技术、生物工程技术及光学等领域研究的飞速发展，作为微机电系统装配过程中及生物工程细胞微操作过程中重要的执行器，微夹持器在电子、信息技术、光学、医学和生物学等领域均有广泛的应用前景，例如电子封装、细胞输送和微创手术等。
微夹持不同于常规夹持，其主要的夹持对象为微小、易变形的物体。例如在微机电系统的装配中，微夹持器需要将微型零件组装成微型构件。这就要求控制微夹持器进行快速高精度的抓取和稳定的夹持。为实现这些操作需要特殊的致动器，常用的有电热致动器，静电致动器，压电致动器，电磁致动器和形状记忆合金致动器。
随着微机电系统的迅猛发展，对微操作技术及设备提出了更新、更高的要求，需要提出新的设计思路来满足其需求。目前国内外学者主要专注于平面微夹持器的结构设计和理论建模研究，仅能实现平面微夹持功能，夹持范围小，在夹持过程中多为两点接触，难以适应不规则物体与不同尺寸的微小物体的夹持操作，且设计的微夹持器常为单个的机构，不能与现代化设备连用，可扩展性不强。因此，深入研究高性能的微夹钳，对于微机电系统的飞速发展具有重要的意义。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、夹持范围大且不易对被夹持物体造成损伤的基于二级混合放大的空间微夹持器。
本实用新型解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于二级混合放大的空间微夹持器，包括底座；在底座上垂直安装有两个微夹持臂组，每个微夹持臂组包括两个对向安装在底座上的微夹持臂；每个微夹持臂包括：支撑框、压电陶瓷驱动器、桥式放大机构、杠杆放大机构和夹持末端；所述支撑框底部固装在底座上，在该支撑框内侧安装有压电陶瓷驱动器和桥式放大机构，在该支撑框外侧安装有杠杆放大机构；该压电陶瓷驱动器输出端与桥式机构输入端连接在一起，该桥式放大机构输出端与杠杆放大机构输入端连接在一起，该杠杆放大机构输出端与夹持末端连接在一起；所述压电陶瓷驱动器所产生的输入位移，依次经桥式放大机构和杠杆放大机构进行二级放大，最终将力和位移输出至夹持末端，从而使空间微夹持器实现夹持操作。
而且，所述压电陶瓷驱动器固定端与桥式放大机构第一输入端通过预紧螺钉相连接，该压电陶瓷驱动器输出端与桥式放大机构第二输入端接触连接；所述桥式放大机构输出端与杠杆放大机构输入端相连接；所述桥式放大机构固定端与支撑框的内侧端面相连接；所述杠杆机构固定端与支撑框的外侧端面相连接；所述杠杆放大机构输出端与夹持末端相连接。
而且，所述微夹持臂组包括：对向安装在底座上的第一微夹持臂和第三微夹持臂，其夹持臂的夹持末端为一体制出有尖端夹爪；对向安装在底座上的第二微夹持臂和第四微夹持臂，其夹持臂的夹持末端为一体制出有钳口夹爪。
而且，在底座的上表面径向制有用于固装支撑框的多个凹槽，在每个凹槽内均制有腰形孔，在每两个凹槽之间的底座上表面制有圆形通孔，在底座下表面中心处固装有螺纹接口。
而且，在所述支撑框底部中心处制有螺纹孔，该支撑框通过内六角圆柱头螺钉依次穿过所述螺纹孔和腰形孔与底座固装在一起。
本实用新型的优点和有益效果：
1、本实用新型采用对称结构的设计可以使空间微夹持器结构紧凑；采用压电陶瓷驱动器作为空间微夹持器的驱动装置，不仅具有产生力大、位移稳定、响应速度快且易于使用和优点，而且还可以明显的减小微夹持器整体质量和运动惯性；采用杠杆放大机构具有结构简单、加工方便、易于装配、工作性能可靠等优点；采用桥式放大机构具有结构紧凑、易于加工、位移放大比高等优点。采用桥式放大机构和杠杠放大机构构成的二级放大可以有效的提高放大倍数，同时保留了可靠的输出精度；采用两个夹持臂组并联工作，夹持过程中为多点接触，不仅能完成对不同尺寸大小微物体的微夹持操作，还能避免在微夹持操作过程中对微小物体造成损伤或脱落。
2、本实用新型采用空间柔顺机构，其微夹持操作为空间的柔性夹持，不仅能完成对不同尺寸大小微物体的微夹持操作，还能避免在微夹持操作过程中对微小物体造成损伤或脱落。
3、本实用新型的第一夹持臂和第三夹持臂的前端为尖端夹爪，第二夹持臂和第四夹持臂的前端为钳口抓爪，进而使本实用新型在夹持微小物体时为多点接触，能适应不规则微小物体的夹持操作。
4、本实用新型的微夹持器的输出采用二级放大，在夹持过程中有着大行程、无摩擦、振动小和噪声小等特点。
5、本实用新型的微夹持器可以通过连接法兰与机械臂及定位平台相连，实现智能控制，对于有特殊环境条件要求的微夹持操作有着重要的意义。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构示意图；
图2为本实用新型的微夹持臂结构示意图；
图3是为本实用新型的底座结构示意图；
图4是为本实用新型的桥式放大机构运动仿真图。
附图标记说明：
图中：1、第一微夹持臂；2、压电陶瓷驱动器；3、第二微夹持臂；4、预紧螺钉；5、钳口抓爪；6、尖端抓爪；7、底座；8、螺纹接口；9、内六角圆柱头螺钉；10、第四微夹持臂；11、第三微夹持臂；12、杠杆放大机构；13、杠杆放大机构固定端；14、桥式放大机构；15-支撑框；15-1、支撑框的外侧端面；15-2、支撑框的内侧端面；16、杠杆放大机构输入端；17、杠杆放大机构输出端；18-1、桥式放大机构第一输入端；18-2、桥式放大机构第二输入端；19、桥式放大机构输出端；20、桥式放大机构固定端；21、圆形通孔；22、凹槽；23、腰形孔；24、压电陶瓷驱动器输出端；25、压电陶瓷驱动器固定端；26、螺纹孔。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型实施例作进一步详述：
一种基于二级混合放大的空间微夹持器，如图1至图4所示，包括底座7；在底座上垂直安装有两个微夹持臂组，每个微夹持臂组包括两个对向安装在底座上的微夹持臂；每个微夹持臂包括：支撑框15、压电陶瓷驱动器2、桥式放大机构14、杠杆放大机构12和夹持末端；所述支撑框底部固装在底座上，在该支撑框内侧安装有压电陶瓷驱动器和桥式放大机构，在该支撑框外侧安装有杠杆放大机构；该压电陶瓷驱动器输出端24与桥式机构输入端连接在一起，该桥式放大机构输出端19与杠杆放大机构输入端16连接在一起，该杠杆放大机构输出端17与夹持末端连接在一起；所述压电陶瓷驱动器所产生的输入位移，依次经桥式放大机构和杠杆放大机构进行二级放大，最终将力和位移输出至夹持末端，从而使空间微夹持器实现夹持操作。
在本实施例中，所述压电陶瓷驱动器固定端25与桥式放大机构第一输入端18-1通过预紧螺钉4相连接，该压电陶瓷驱动器输出端24与桥式放大机构第二输入端18-2接触连接；所述桥式放大机构输出端19与杠杆放大机构输入端16相连接；所述桥式放大机构固定端20与支撑框的内侧端面15-2相连接；所述杠杆机构固定端13与支撑框的外侧端面15-1相连接；所述杠杆放大机构输出端17与夹持末端相连接。
在本实施例中，所述微夹持臂组包括：对向安装在底座上的第一微夹持臂1和第三微夹持臂11，其夹持臂的夹持末端为一体制出有尖端夹爪6；对向安装在底座上的第二微夹持臂3和第四微夹持臂10，其夹持臂的夹持末端为一体制出有钳口夹爪5。
在本实施例中，在底座的上表面径向制有用于固装支撑框的多个凹槽22，在每个凹槽内均制有腰形孔23，在每两个凹槽之间的底座上表面制有圆形通孔21，在底座下表面中心处固装有螺纹接口8。
在本实施例中，在所述支撑框底部中心处制有螺纹孔26，该支撑框通过内六角圆柱头螺钉9依次穿过所述螺纹孔和腰形孔与底座固装在一起。
下面对本实用新型的结构、工作过程以及工作原理作进一步说明：
一种基于二级混合放大的空间微夹持器，包括：1、第一微夹持臂；2、压电陶瓷驱动器；3、第二微夹持臂；4、预紧螺钉；5、钳口抓爪；6、尖端抓爪；7、底座；8、螺纹接口；9、内六角圆柱头螺钉；10、第四微夹持臂；11、第三微夹持臂。
微夹持臂包括：5、钳口抓爪；6、尖端抓爪；12、杠杆放大机构；14、桥式放大机构；15、支撑框；2、压电陶瓷驱动器。
杠杆放大机构包括：13、杠杆放大机构固定端；16、杠杆放大机构输入端；17、杠杆放大机构输出端。
桥式放大机构包括：18-1、桥式放大机构的第一输入端；18-2、桥式放大机构的第二输入端；19桥式放大机构输出端；20、桥式放大机构固定端。
底座包括：8、螺纹接口；21、圆形孔；22、凹槽；23、腰形孔。
形状、大小相等的第一微夹持臂(1)与第三微夹持臂(11)构成一组微夹持臂组，内六角圆柱头螺钉(9)穿过底座(7)中的腰形孔(23)，连接支撑框(15)上的螺纹孔(26)，从而将微夹持臂固定在底座(7)上凹槽(22)中，安装时微夹持臂(1、11)的尖端抓爪朝向底座中心，且夹持末端朝上。同理，第二微夹持臂(3)和第四微夹持臂(10)的安装方式亦如此，两组微夹持臂垂直安装在底座(7)上，微夹持臂可根据待夹持物的尺寸大小沿着凹槽(22)和腰形槽(23)进行一定范围的移动。另外，底座(7)上开了圆形孔(21)，可以减少底座的质量，底座(7)下方预留了螺纹接口(8)，可与机械臂或定位平台相连，扩展其应用范围。
压电陶瓷驱动器的输出端(24)与桥式放大机构的第二输入端(18-2)直接接触，压电陶瓷驱动器的固定端(25)通过内六角平圆头螺钉(4)与桥式放大机构的第一输入端(18-1)相连，桥式放大机构的固定端(20)与支撑框(15)的内侧端面(15-2)相连，桥式放大机构的输出端(19)与杠杠放大机构的输入端(16)相连，杠杆机构的固定端(13)与支撑框(15)的外侧端面(15-1)相连，杠杆放大机构的输出端(17)与夹持末端(5、6)相连。
外接电源给压电陶瓷驱动器(2)通电，压电陶瓷驱动器(2)发生逆压电效应，产生力和位移作用在桥式放大机构(14)的两侧输入端(18-1、18-2)，桥式放大机构(14)将压电陶瓷驱动器(2)产生的作用效果放大，通过输出端(19)传递给杠杆放大机构(12)的输入端(16)，杠杆放大机构(12)再次将压电陶瓷驱动器(2)产生的作用效果放大，通过输出端(17)将力和位移传递给夹持末端(5、6)。
压电陶瓷驱动器的输出端(24)产生输入位移，产生作用力和反作用力同时作用于桥式放大机构的两侧输入端(18-1、18-2)，桥式放大机构(14)的8个直梁型柔性铰链产生柔性变形，导致桥式臂转动，将作用效果传递给输出端(19)，桥式放大机构(14)的运动仿真如图4所示，再由桥式放大机构的输出端(19)传递给杠杆放大机构的输入端(16)；杠杆放大机构(12)通过固定端(13)与支撑框(15)的外侧端面(15-1)相连，杠杆放大机构的输入端(16)向下运动，带动输出端(17)及夹持末端(5、6)向下运动，形成了二级放大，最终将压电陶瓷驱动器(2)产生的输入力和位移传递给了夹持末端(5、6)，从而使空间微夹持器实现夹持操作。两组微夹持臂为并联机构，机构之间无相互影响。对微小型块状或片状物体，宜使用夹持末端为尖端抓爪(6)的微夹持臂组进行夹持操作；对小型球状或圆柱状物体，宜使用夹持末端为钳口抓爪(5)的微夹持臂组进行夹持操作；对较长的柱状或杆状物体，可使用两组微夹持臂共同夹持。
本实用新型的创新之处在于：
本实用新型采用对称结构的设计可以使空间微夹持器结构紧凑；采用压电陶瓷驱动器作为空间微夹持器的驱动装置，不仅具有产生力大、位移稳定、响应速度快且易于使用和优点，而且还可以明显的减小微夹持器整体质量和运动惯性；采用杠杆放大机构具有结构简单、加工方便、易于装配、工作性能可靠等优点；采用桥式放大机构具有结构紧凑、易于加工、位移放大比高等优点；采用桥式放大机构和杠杠放大机构构成的二级混合放大可以有效的提高放大倍数，同时保留了可靠的输出精度；采用两个夹持臂组并联工作，夹持物体过程中为孔家多点接触，不仅能完成对不同尺寸大小微物体的微夹持操作，还能避免在微夹持操作过程中对微小物体造成损伤或脱落，可用于快速稳定地抓取多种形状、尺寸微物体，有效的解决了传统微夹持器夹持范围小、易对物体造成损伤等不足。
需要强调的是，本实用新型所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。
Claims (5)
1.一种基于二级混合放大的空间微夹持器，包括底座；其特征在于：在底座上垂直安装有两个微夹持臂组，每个微夹持臂组包括两个对向安装在底座上的微夹持臂；每个微夹持臂包括：支撑框、压电陶瓷驱动器、桥式放大机构、杠杆放大机构和夹持末端；所述支撑框底部固装在底座上，在该支撑框内侧安装有压电陶瓷驱动器和桥式放大机构，在该支撑框外侧安装有杠杆放大机构；该压电陶瓷驱动器输出端与桥式机构输入端连接在一起，该桥式放大机构输出端与杠杆放大机构输入端连接在一起，该杠杆放大机构输出端与夹持末端连接在一起；所述压电陶瓷驱动器所产生的输入位移，依次经桥式放大机构和杠杆放大机构进行二级放大，最终将力和位移输出至夹持末端。
2.根据权利要求1所述的一种基于二级混合放大的空间微夹持器，其特征在于：所述压电陶瓷驱动器固定端与桥式放大机构第一输入端通过预紧螺钉相连接，该压电陶瓷驱动器输出端与桥式放大机构第二输入端接触连接；所述桥式放大机构输出端与杠杆放大机构输入端相连接；所述桥式放大机构固定端与支撑框的内侧端面相连接；所述杠杆放大机构固定端与支撑框的外侧端面相连接；所述杠杆放大机构输出端与夹持末端相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于二级混合放大的空间微夹持器，其特征在于：所述微夹持臂组包括：对向安装在底座上的第一微夹持臂和第三微夹持臂，其夹持臂的夹持末端为一体制出有尖端夹爪；对向安装在底座上的第二微夹持臂和第四微夹持臂，其夹持臂的夹持末端为一体制出有钳口夹爪。
4.根据权利要求1所述的一种基于二级混合放大的空间微夹持器，其特征在于：在底座的上表面径向制有用于固装支撑框的多个凹槽，在每个凹槽内均制有腰形孔，在每两个凹槽之间的底座上表面制有圆形通孔，在底座下表面中心处固装有螺纹接口。
5.根据权利要求1所述的一种基于二级混合放大的空间微夹持器，其特征在于：在所述支撑框底部中心处制有螺纹孔，该支撑框通过内六角圆柱头螺钉依次穿过所述螺纹孔和腰形孔与底座固装在一起。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202022996124.3U CN214771453U (zh) | 2020-12-14 | 2020-12-14 | 一种基于二级混合放大的空间微夹持器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202022996124.3U CN214771453U (zh) | 2020-12-14 | 2020-12-14 | 一种基于二级混合放大的空间微夹持器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN214771453U true CN214771453U (zh) | 2021-11-19 |
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ID=78711087
Family Applications (1)
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| CN202022996124.3U Active CN214771453U (zh) | 2020-12-14 | 2020-12-14 | 一种基于二级混合放大的空间微夹持器 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN214771453U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114799803A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-07-29 | 天津大学 | 一种九轴串联式宏微结合装配机器人系统 |
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2020
- 2020-12-14 CN CN202022996124.3U patent/CN214771453U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114799803A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-07-29 | 天津大学 | 一种九轴串联式宏微结合装配机器人系统 |
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