基于壓電扭轉高頻振動釋放的微夾持器的制造方法
【專利摘要】基于壓電扭轉高頻振動釋放的微夾持器，包括支架，壓電剪切致動器，壓電扭轉激振器，夾持臂，宏動平臺和微動平臺，支架安裝在微動平臺上，壓電剪切致動器包括裝于支架上的剪切致動器基體和固定在剪切致動器基體上的壓電纖維剪切薄片，壓電扭轉激振器包括固定安裝于剪切致動器基體上的扭轉激振器基體和均與分布于扭轉激振器基體的側面上的壓電纖維扭轉薄片，夾持臂固定于扭轉激振器基體上并夾住微操作對象；兩個剪切致動器基體相向運動時微夾持器并攏；扭轉激振器基體的側面均勻地分布有壓電纖維扭轉薄片，對壓電纖維扭轉薄片施加激勵信號時扭轉激振器基體產生扭轉振動。本發明具有能夠保證微操作對象釋放成功的優點。
【專利說明】基于壓電扭轉高頻振動釋放的微夾持器
【技術領域】
[0001]本發明涉及機器人技術和微機電【技術領域】，特別是一種微夾持器。
技術背景
[0002]微機電系統(MEMS)是指可批量制作、集微型機構、微型傳感器、微型執行器、信號處理和控制電路以及接口、通信和電源等于一體的微系統。MEMS不僅可以降低系統成本，而且還可以完成許多傳統的大尺寸機電系統所無法完成的任務，如微觀對象靈活操作。微夾持器是MEMS的關鍵組成部分，是溝通宏觀與微觀世界的基本工具，在微機電系統的研究及微型產品的研制開發中發揮著重要的作用。
[0003]微夾持器應用于微裝配等領域，并且，微夾持器在精密儀器、生物醫學、航空航天及軍事領域都有著廣泛的應用前景。微裝配機器人在微零件裝配、微機電系統、精密光學等領域有著廣泛的應用前景。而微夾持器作為微裝配機器人的末端執行器，直接決定機器人的工作效果。
[0004]中國專利申請CN201210038297.1，披露了一種壓電驅動式微夾持器，其包括壓電驅動部分與微夾持部分，壓電驅動部分包括驅動元件、橢圓型梁放大機構，杠桿放大機構以及鉸鏈連接機構，橢圓型梁放大機構包括對稱地設置的第一弧形梁和第二弧形梁；杠桿放大機構包括第一懸臂梁和第二懸臂梁；驅動元件運動帶動橢圓型放大機構變形，橢圓型梁放大機構變形帶動杠桿放大機構運動，檢測夾持部分包括兩個相對設置的夾持臂，每一個夾持臂上集成有兩個壓阻傳感器，四個壓阻傳感器組成一個全橋檢測結構。
[0005]這種壓電驅動式微夾持器的驅動元件只能在電壓的作用下產生伸縮運動，當驅動元件伸張時，橢圓型梁的第一弧形梁和第二弧形梁向內合攏，從而帶動杠桿放大機構的懸臂梁向內合攏，兩個夾持臂相互夾緊，從而實現微操作對象的夾持。當驅動元件收縮時，橢圓型梁的兩個弧形梁向外拱起，帶動杠桿放大機構的懸臂梁向外拱，兩個夾持臂分離，從而釋放微操作對象。這種壓電驅動式微夾持器的缺點在于:在微操作時，由于尺度效應和表面效應，范德華力、毛細作用力、靜電力等粘著力起主要作用，很容易出現微操作對象粘著在微夾持器上的情況，釋放時經靠兩個夾持臂分開，微操作對象很容易因為粘著力而無法脫離夾持臂，導致釋放失敗。
【發明內容】
[0006]為了克服現有的壓電驅動式微夾持器存在微操作對象在釋放時容易發生粘著導致釋放失敗的缺點，本發明提供了一種能夠保證微操作對象釋放成功的基于壓電扭轉高頻振動釋放的微夾持器。
[0007]基于壓電扭轉高頻振動釋放的微夾持器，包括支架，壓電剪切致動器，壓電扭轉激振器，夾持臂，宏動平臺和微動平臺，支架安裝在微動平臺上，壓電剪切致動器包括安裝于支架上的剪切致動器基體和固定在剪切致動器基體上的壓電纖維剪切薄片，壓電扭轉激振器包括固定安裝于剪切致動器基體上的扭轉激振器基體和均與分布于扭轉激振器基體的側面上的壓電纖維扭轉薄片，夾持臂固定于扭轉激振器基體上并夾住微操作對象；
兩個剪切致動器基體相向運動時微夾持器并攏；扭轉激振器基體的側面均勻地分布有壓電纖維扭轉薄片，對壓電纖維扭轉薄片施加激勵信號時扭轉激振器基體產生扭轉振動。扭轉激振器基體繞其軸線扭轉。
[0008]進一步，剪切致動器基體的靠近另一個剪切致動器基體的內側固定有內側壓電纖維剪切薄片，外側固定有外側壓電纖維剪切薄片，內側壓電纖維剪切薄片和外側壓電纖維剪切薄片分別通入電壓，內側壓電纖維剪切薄片收縮，同時外側壓電纖維剪切薄片拉伸。
[0009]進一步，支架包括與微動平臺固定的固定部和與剪切致動器基體固定的安裝部，安裝部呈V形。剪切致動器基體、扭轉激振器基體和夾持臂呈直線，夾持臂的自由端夾持微操作對象。
[0010]進一步，剪切致動器基體呈U形，剪切致動器基體的封閉端通過螺釘與支架固定，開口端通過螺釘與扭轉激振器基體固定，內側壓電纖維剪切薄片和外側壓電纖維剪切薄片分別固定在剪切致動器基體的兩個側臂上。
[0011 ] 進一步，扭轉激振器基體包括安裝壓片纖維扭轉薄片的扭轉部和與剪切致動器基體固定的連接部；扭轉部呈正棱柱體，扭轉部的每個側面固定有壓電纖維扭轉薄片；連接部具有與剪切致動器基體的側臂貼合的平面安裝面。
[0012]進一步，扭轉激振器基體與夾持臂通過螺紋固定連接。
[0013]進一步，壓電纖維扭轉薄片的數量為偶數個。
[0014]進一步，宏動平臺以毫米/厘米級移動，微動平臺以微米/納米級移動。
[0015]本發明在使用時，先使宏動平臺和微動平臺移動到微操作對象的初始位置，再對剪切致動器基體上的內側壓電纖維剪切薄片和外側壓電纖維剪切薄片施加相反的電壓，內側壓電纖維剪切薄片收縮，外側壓電纖維剪切薄片拉伸，兩個夾持臂并攏夾住微操作對象。然后使宏動平臺和微動平臺繼續運動，將微夾持器和微操作對象帶到目的位置，釋放壓電纖維剪切薄片的電壓，壓電纖維剪切致動器基體復位，兩夾持臂分開。同時，對壓電纖維扭轉薄片施加激勵信號，壓電纖維扭轉薄片帶動扭轉激振器基體發生高頻扭轉振動，進而使兩個夾持臂發生高頻扭轉振動，將微操作對象從微夾持器振落，完成對微夾持器的釋放。
[0016]本發明的有益效果是:
1.利用壓電纖維扭轉薄片帶動扭轉激振器基體產生高頻扭轉振動，該高頻振動產生的離心力克服微操作對象與夾持臂之間的粘著力，保證微操作對象被成功、準確的釋放。
[0017]2.夾持時利用壓電纖維剪切薄片的伸縮帶動剪切致動器基體相向運動，從而使兩個夾持臂并攏，夾住微操作對象；釋放時釋放電壓，壓電纖維剪切薄片復位，兩個夾持臂分離。壓電纖維剪切薄片的體積小，厚度小，有利于本發明的微小型化。
[0018]3.通過與宏動平臺和微動平臺的配合使用，可以完成夾持、搬運以及釋放等操作，應用范圍較廣。
[0019]4.重量輕、操作方便,適用于微操作機器人系統和微機電系統。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的示意圖。
[0021 ] 圖2是壓電驅動機構的示意圖。[0022]圖3是支架的示意圖。
[0023]圖4是剪切致動器基體、扭轉激振器基體和夾持臂的示意圖。
[0024]圖5剪切致動器基體的示意圖。
[0025]圖6是扭轉激振器基體的示意圖。
[0026]圖7是夾持臂的示意圖。
[0027]圖8是本發明工作狀態的示意圖。
【具體實施方式】
[0028]基于壓電扭轉高頻振動釋放的微夾持器，包括支架1，壓電剪切致動器，壓電扭轉激振器，夾持臂5，宏動平臺8和微動平臺7，支架I安裝在微動平臺7上，壓電剪切致動器包括安裝于支架I上的剪切致動器基體3和固定在剪切致動器基體3上的壓電纖維剪切薄片，壓電扭轉激振器包括固定安裝于剪切致動器基體3上的扭轉激振器基體6和均勻分布于扭轉激振器基體6的側面上的壓電纖維扭轉薄片4，夾持臂5固定于扭轉激振器基體6上并夾住微操作對象9 ；
兩個剪切致動器基體3相向運動時微夾持器并攏；扭轉激振器基體6的側面均勻地分布有壓電纖維扭轉薄片4，對壓電纖維扭轉薄片4施加激勵信號時扭轉激振器基體6產生扭轉振動。扭轉激振器基體6繞其軸線扭轉。
[0029]如圖5所示，剪切致動器基體3的靠近另一個剪切致動器基體3的內側固定有內側壓電纖維剪切薄片21，外側固定有外側壓電纖維剪切薄片22，內側壓電纖維剪切薄片21和外側壓電纖維剪切薄片22分別通入電壓，內側壓電纖維剪切薄片21收縮，同時外側壓電纖維剪切薄片22拉伸。
[0030]如圖3所示，支架I包括與微動平臺7固定的固定部11和與剪切致動器基體3固定的安裝部12，安裝部12呈V形。安裝部12與剪切致動器基體3之間具有4個固定螺釘。如圖4所示，剪切致動器基體3、扭轉激振器基體6和夾持臂5呈直線，夾持臂5的自由端夾持微操作對象9。
[0031]如圖5所示，剪切致動器基體3呈U形，剪切致動器基體3的封閉端通過螺釘與支架I固定，開口端通過螺釘與扭轉激振器基體6固定；螺釘的數量不局限于圖4-6中例舉的4個。內側壓電纖維剪切薄片21和外側壓電纖維剪切薄片22分別固定在剪切致動器基體3的兩個側臂上。兩個壓電纖維剪切薄片粘接固定于剪切致動器基體3。
[0032]如圖6所示，扭轉激振器基體6包括安裝壓片纖維扭轉薄片的扭轉部61和與剪切致動器基體3固定的連接部62 ;扭轉部61呈正棱柱體，扭轉部61的每個側面固定有壓電纖維扭轉薄片4 ;連接部62具有與剪切致動器基體3的側臂貼合的平面安裝面63。
[0033]扭轉激振器基體6與夾持臂5通過螺紋固定連接。
[0034]壓電纖維扭轉薄片4的數量為偶數個。每個壓電纖維扭轉薄片4必有一個與之對稱的壓電纖維扭轉薄片4,對稱的壓電纖維扭轉薄片4使扭轉激振器基體6受力均勻。壓電纖維扭轉薄片4的數量越多，扭轉激振器基體6的扭轉效果越好。
[0035]宏動平臺8以毫米/厘米級移動，微動平臺7以微米/納米級移動。宏動平臺8和微動平臺7通過常見的推動機構推動，如絲杠。
[0036]本發明在使用時，先使宏動平臺8和微動平臺7移動到微操作對象9的初始位置，再對剪切致動器基體3上的內側壓電纖維剪切薄片21和外側壓電纖維剪切薄片22施加相反的電壓，內側壓電纖維剪切薄片21收縮，外側壓電纖維剪切薄片22拉伸，兩個夾持臂5并攏夾住微操作對象9，如圖8所示。然后使宏動平臺8和微動平臺7繼續運動，將微夾持器和微操作對象9帶到目的位置，釋放壓電纖維剪切薄片的電壓，壓電纖維剪切致動器基體3復位，兩夾持臂5分開。同時，對壓電纖維扭轉薄片4施加激勵信號，壓電纖維扭轉薄片4帶動扭轉激振器基體6發生高頻扭轉振動，進而使兩個夾持臂5發生高頻扭轉振動，將微操作對象9從微夾持器振落到工作臺10上，完成對微夾持器的釋放。
[0037]本發明的有益效果是:
1.利用壓電纖維扭轉薄片帶動扭轉激振器基體產生高頻扭轉振動，該高頻振動產生的離心力克服微操作對象與夾持臂之間的粘著力，保證微操作對象被成功、準確的釋放。
[0038]2.夾持時利用壓電纖維剪切薄片的伸縮帶動剪切致動器基體相向運動，從而使兩個夾持臂并攏，夾住微操作對象；釋放時釋放電壓，壓電纖維剪切薄片復位，兩個夾持臂分離。壓電纖維剪切薄片的體積小，厚度小，有利于本發明的微小型化。
[0039]3.通過與宏動平臺和微動平臺的配合使用，可以完成夾持、搬運以及釋放等操作，應用范圍較廣。
[0040]4.重量輕、操作方便,適用于微操作機器人系統和微機電系統。
[0041]本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發明的保護范圍也及于本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。
【權利要求】
1.基于壓電扭轉高頻振動釋放的微夾持器，其特征在于:包括支架，壓電剪切致動器，壓電扭轉激振器，夾持臂，宏動平臺和微動平臺，支架安裝在微動平臺上，壓電剪切致動器包括安裝于支架上的剪切致動器基體和固定在剪切致動器基體上的壓電纖維剪切薄片，壓電扭轉激振器包括固定安裝于剪切致動器基體上的扭轉激振器基體和均與分布于扭轉激振器基體的側面上的壓電纖維扭轉薄片，夾持臂固定于扭轉激振器基體上并夾住微操作對象；兩個剪切致動器基體相向運動時微夾持器并攏；扭轉激振器基體的側面均勻地分布有壓電纖維扭轉薄片，對壓電纖維扭轉薄片施加激勵信號時扭轉激振器基體產生扭轉振動。
2.如權利要求1所述的基于壓電扭轉高頻振動釋放的微夾持器，其特征在于:剪切致動器基體的靠近另一個剪切致動器基體的內側固定有內側壓電纖維剪切薄片，外側固定有外側壓電纖維剪切薄片，內側壓電纖維剪切薄片和外側壓電纖維剪切薄片分別通入電壓，內側壓電纖維剪切薄片收縮，同時外側壓電纖維剪切薄片拉伸。
3.如權利要求2所述的基于壓電扭轉高頻振動釋放的微夾持器，其特征在于:支架包括與微動平臺固定的固定部和與剪切致動器基體固定的安裝部，安裝部呈V形。
4.如權利要求3所述的基于壓電扭轉高頻振動釋放的微夾持器，其特征在于:剪切致動器基體呈U形，剪切致動器基體的封閉端通過螺釘與支架固定，開口端通過螺釘與扭轉激振器基體固定，內側壓電纖維剪切薄片和外側壓電纖維剪切薄片分別固定在剪切致動器基體的兩個側臂上。
5.如權利要求1-4之一所述的基于壓電扭轉高頻振動釋放的微夾持器，其特征在于:扭轉激振器基體包括安裝壓片纖維扭轉薄片的扭轉部和與剪切致動器基體固定的連接部；扭轉部呈正棱柱體，扭轉部的每個側面固定有壓電纖維扭轉薄片；連接部具有與剪切致動器基體的側臂貼合的平面安裝面。
6.如權利要求5所述的基于壓電扭轉高頻振動釋放的微夾持器，其特征在于:扭轉激振器基體與夾持臂通過螺紋固定連接。
7.如權利要求6所述的基于壓電扭轉高頻振動釋放的微夾持器，其特征在于:壓電纖維扭轉薄片的數量為偶數個。
8.如權利要求7所述的基于壓電扭轉高頻振動釋放的微夾持器，其特征在于:宏動平臺以毫米/厘米級移動，微動平臺以微米/納米級移動。
【文檔編號】B25J15/08GK103465269SQ201310433467
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月22日 優先權日:2013年9月22日
【發明者】魏燕定, 楊依領, 婁軍強, 武敏, 謝鋒然, 趙曉偉, 林晨陽 申請人:浙江大學