CN110910947B - 单层双工位四自由度柔顺微操作器 - Google Patents

Abstract

单层双工位四自由度柔顺微操作器，它包括底座、微动平台和微夹持器；微动平台包含工作平台和与工作平台一体制成的固定架；所述工作平台上做有与工作平台一体制成的两个微夹持器，所述固定架固定在底座上；微动平台还包括两个放大机构一、柔性平行四边形机构一和压电驱动器；每个所述微夹持器包括压电驱动器、夹头、柔性平行四边形机构二和放大机构二；放大机构二由压电驱动器驱动，放大机构二与柔性平行四边形机构二柔性连接，柔性平行四边形机构二与夹头连接。本发明结构紧凑，无装配误差，工作行程范围大。

Description

单层双工位四自由度柔顺微操作器

技术领域

本发明涉及一种微动操作器，具体涉及一种单层双工位四自由度柔顺微操作器。

背景技术

微操作器包括微夹持器和微动平台两个部分，是连接宏观***和微操作***的关键部件，在微操作与微装配技术领域中起着至关重要的作用。微操作器可以用来实现夹持、保持和释放等微操作任务，因此，它被广泛应用于精密加工与测试、光纤对接、微零件装配、细胞微操作等需要微/纳米定位的技术领域中。如在精密及超精密加工中，可实现刀具的微进给或加工误差的补偿；在精密测量中，可实现传感器的微调节；在扫描探针显微镜中，同微扫描探针相结合，可实现对微结构形貌的测量；在光纤对接中，可实现直径为几微米至十几微米的两光纤的精密对准；在生物工程中，同微冲击探针相结合，可向细胞注入或从细胞中提取相应成分。

目前大多数微操作器采用压电堆积驱动，压电驱动与形状记忆合金驱动、真空驱动、静电梳齿驱动、热驱动和电磁驱动等相比，具有分辨率高、驱动力大、响应速度快和动态特性好等优点，而被广泛应用在各种高精度微操作器。大多数微操作器是由微动平台和微夹持器装配而成，而且只有2至3个自由度，且只有一个微夹持器用以完成工作，另一方面，通过装配而成的微操作器不可避免的会产生装配误差，进而会降低微操作器的精度，在对形状不规则和跨尺度的对象进行操作时难以达到理想的效果，而且装配而成的微操作器质量较大，结构不够紧凑，降低了工作频率，进而影响工作效率。现有柔顺微操作器中无放大机构或位移放大倍数较小，导致其工作行程较小，限制了工作范围。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种单层双工位四自由度柔顺微操作器。该操作器结构紧凑，无装配误差，工作行程范围大。

本发明的技术方案为：

一种单层双工位四自由度柔顺微操作器，它包括底座、微动平台和微夹持器；微动平台包含工作平台和与工作平台一体制成的固定架；所述工作平台上做有与工作平台一体制成的两个微夹持器，所述固定架固定在底座上；微动平台还包括两个放大机构一、柔性平行四边形机构一和压电驱动器；两个放大机构一与两个微夹持器相对设置，每个放大机构一由压电驱动器驱动，工作平台上做有阵列排布的柔性平行四边形机构一，其中一个柔性平行四边形机构一位于两个微夹持器之间，剩余的柔性平行四边形机构一与两个放大机构一连接；每个所述微夹持器包括压电驱动器、夹头、柔性平行四边形机构二和放大机构二；放大机构二由压电驱动器驱动，放大机构二与柔性平行四边形机构二柔性连接，柔性平行四边形机构二与夹头连接。

进一步地，每个所述放大机构一为柔顺双摇杆放大机构；每个柔顺双摇杆放大机构由两个压电驱动器驱动，两个柔顺双摇杆放大机构一控制工作平台带动微夹持器在x轴向、y轴向的平动以及绕z轴的转动。

进一步地，所述放大机构二为桥式放大机构，桥式放大机构的放大杆组件中放大杆通过柔性铰链连接，相邻两个放大杆组件通过柔性铰链与中间杆连接，中间杆由安装在工作平台上的压电驱动器驱动。

本发明相比现有技术的有益效果是：

1、本发明为单层柔顺微操作器，工作平台与微夹持器为一体，避免了有装配产生的误差、惯性大和固有频率低等问题，提升了工作效率。

2、本发明是具有四个自由度，既能实现沿x轴和y轴方向的位移输出，又能实现绕z轴转动的柔性微操作器，同时，微夹持器可实现夹持运动，大大提高了微操作器的灵活性和操作范围。

3、本发明设计有两个微夹持器，可完成两个不同位置的工作，同时，每个微夹持器可以单独驱动，使控制更加精准，大大提高工作效率。

4、本发明通过放大机构，可实现更大的工作行程，扩大了工作范围。

附图说明

图1为本发明的柔顺微操作器的立体结构图；

图2为本发明的柔顺微操作器的主视图；

图3为微动平台和微夹持器相互布置关系图；

图4为底座的结构图；

图5为微夹持器的结构放大图；

图6为位移检测传感器和输出力检测传感器的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然以下所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1和图2所示，本实施方式的一种单层双工位四自由度柔顺微操作器，它包括底座28、微动平台W和微夹持器H；微动平台W包含工作平台29和与工作平台29一体制成的固定架22；

所述工作平台29上做有与工作平台29一体制成的两个微夹持器H，所述固定架22固定在底座28上；微动平台W还包括两个放大机构一A1、柔性平行四边形机构一20和压电驱动器S；两个放大机构一A1与两个微夹持器H相对设置，每个放大机构一A1由压电驱动器S驱动，工作平台29上做有阵列排布的柔性平行四边形机构一20，其中一个柔性平行四边形机构一20位于两个微夹持器H之间，剩余的柔性平行四边形机构一20与两个放大机构一A1连接；每个所述微夹持器H包括压电驱动器S、夹头25、柔性平行四边形机构二26和放大机构二A4；放大机构二A4由压电驱动器S驱动，放大机构二A4与柔性平行四边形机构二26柔性连接，柔性平行四边形机构二26与夹头25连接。

在工作时，该微操作器可以分为两个部分。在第一部分，微动平台W可以分别在四个压电驱动器S不同的组合下实现x、y轴方向的平动和z轴方向的转动，与之相连的微夹持器H也随之做x轴、y轴方向的平动和z轴方向的转动。第二部分，由微夹持器内部的两个压电驱动器S实现微夹持器的夹持。

每个所述放大机构A1为柔顺双摇杆放大机构；每个柔顺双摇杆放大机构由两个压电驱动器S驱动，两个柔顺双摇杆放大机构控制工作平台29带动微夹持器H在x轴向、y轴向的平动以及绕z轴的转动。

参见图1和图3所示，每个所述柔顺双摇杆放大机构包括两个放大杆一A11、两个放大杆二A12和两个放大杆三A13；柔顺双摇杆放大机构中的两个摇杆放大结构镜像布置；

每个摇杆放大机构中的放大杆一A11一端分别与放大杆二A12和放大杆三A13通过柔性铰链连接，放大杆二A12与固定架W2通过柔性铰链连接，放大杆二A12与固定架W2之间布置有与二者固接的一个压电驱动器S，放大杆三A13与柔性平行四边形机构一20柔性连接。上述方案中，所述柔性铰链为直圆式柔性铰链R。

参见图1和图3所示，所述柔性平行四边形机构一20为由叶型柔性铰链1组成的复合平行四边形机构，其中三条边的叶型柔性铰链1为单边设置，剩余一条边的叶型柔性铰链1双排设置，放大杆三A13与叶型柔性铰链1连接。复合平行四边形机构消除了x轴向和y轴向运动时的位移耦合。

具体工作时，压电驱动器S通过垫片D1作用于输入杆30，并且由垫片D1和螺钉固定住。输入杆30通过直圆式柔性铰链R与L形的第二放大杆A12相连，且放大杆二A12通过直圆式柔性铰链R与固定架22和L形的放大杆一A11相连。放大杆三A13通过叶型柔性铰链1与工作平台29相连，通过直圆式柔性铰链R与放大杆一A1相连。放大杆一A1通过直圆式柔性铰链R与固定架22和放大杆三A3相连。工作平台29通过叶型柔性铰链1和连接块23分别与固定架22相连，其中连接块23为连接两个叶型柔性的构件。固定架22与压电驱动器S之间通过螺纹孔和螺钉C1连接，装配时，使压电驱动器S与垫块D1通过螺钉C1一同固定在输入杆30和固定架22之间。叶型铰链1与每个连接块23一同构成解耦机构。

参见图2所示，所述放大机构二A4为桥式放大机构，桥式放大机构的放大杆组件中的杆通过柔性铰链连接，相对两个放大杆组件通过柔性铰链与中间杆A7连接，中间杆A7由安装在工作平台29上的压电驱动器S驱动。中间杆A7由安装在工作平台29上的压电驱动器S驱动。所述柔性平行四边形机构二26为由单圆柔性铰链2制成的平行四边形机构，桥式放大机构的放大杆组件通过柔性铰链与柔性平行四边形机构二26连接。所述柔性铰链为直圆式柔性铰链R。

微夹持器H的夹头25与夹持柔性臂31之间采用粘接，且夹持柔性臂31与不动夹持刚性臂24之间安装有两个输出力检测传感器B2，在不动伸出臂27与微夹持器的柔性平行四边形结构二26之间安装有两个位移检测传感器B3，采用两个传感器是为了实现更大的测量量程。不动刚性夹持臂24与桥式放大机构采用直圆式柔性铰链R及连接块23相连，桥式放大机构之间采用直圆式柔性铰链R连接，且与中间杆A7相连。

底座28是一个将微操作器整体固定于一个工作平面的装置，固定底座上与微夹持器有相对运动的地方切槽，槽的轮廓与微动平台中固定架22的轮廓相同，防止微夹持器H在运动时与底座28摩擦，产生磨损；在与压电驱动器S对齐的地方做成通槽，便于对驱动器的接线。

所述输出力检测传感器B2和位移检测传感器B3均为带有感应片的电容变极距型传感器。具体结构如图6所示，所述输出力检测传感器B2或位移检测传感器B3包括带有感应片的槽式感应架33和带有感应片的T形感应架34；槽式感应架33的感应片35和T形感应架34的感应片35交错布置且能相对运动；位移检测传感器B3的槽式感应架33安装在单圆柔性铰链制成的平行四边形机构上作运动，位移检测传感器B3的T形感应架34安装在工作平台29上的不动伸出臂27上；输出力检测传感器B2的槽式感应架33安装在不动夹持刚性臂24上，输出力检测传感器B2的T形感应架34安装在与夹头25连接的夹持柔性臂31上。电容式与其他电阻式、电感式等传感器相比具有高阻抗、小功率、温度稳定性好、结构简单、适应性强等优点。在微操作器工作中，柔性平行四边形机构二26发生变形，夹持物体会使夹持柔性臂31发生变形，进而改变两种传感器相邻感应片35的相对距离来检测力的变化和位移的变化。由求电容公式C＝εS/4πkd可知，在传感器相邻的传感片改变距离时会同时改变电容，即

ΔC为电容变化量，Δd为位移变化量，即由电容的变化逆推出距离的变化。在对力的检测时，则需要在计算出距离变化后，根据柔性夹持臂31的变形，计算出相应的力。每个位置安装两个传感器可以增加量程，实现对大范围的位移和力的检测，可以检测出更大的输出位移和输出力。

如图1-图3所示，柔顺微操作器的微动平台和微夹持器的缝隙由线切割而获得的，固定架22、输入杆30、放大杆二A12、放大杆一A11以及相连的五个直圆式柔性铰链R围成的区域为第一切割缝隙；放大杆二A12、放大杆三A13、叶型柔性铰链1以及直圆式柔性铰链R和工作平台29围成的区域为第二切割缝隙；叶型柔性铰链1以及连接块23、工作平台29和固定架22围成的区域为第三切割缝隙；叶型柔性铰链1与固定架22和放大杆三A13围成的区域为第四切割缝隙；叶型柔性铰链1、固定架22、工作平台29以及连接块23围成的区域为第五切割缝隙；叶型柔性铰链1、固定架22、直铰圆式柔性铰链R、放大杆三A13和放大杆一A11围成的区域为第六切割缝。图3中左上方的叶型柔性铰链1、连接块23、工作平台29和固定架22围成的内区域为第七切割缝隙；图3中左上方的叶型柔性铰链1、连接块23、工作平台29和固定架22围成的外区域为第八切割缝隙；微夹持器H内的桥式放大机构内部为第九切割缝；微夹持器H中的柔性平行四边形机构二26内为第十切割缝；柔性平行四边形机构二26与不动伸出臂27之间为第十一切割缝；不动夹持刚性臂24与柔性夹持臂31之间为第十二切割缝；工作平台29的中心内孔为第十三切割缝。上述方案中通过线切割加工而成，无需装配，具有体积小、无机械摩擦、加工精度高。

工作原理

本发明的运动可以分为工作平台29的运动和微夹持器H的运动。对于工作平台29的平动以x轴为例，对两个压电驱动器S施加通过功率放大器放大的电压，压电驱动器S伸长，输入一个较小的位移，作用在输入杆30上，通过放大机构从放大杆三A3输出一个经放大机构放大后的较大位移，并且通过叶型柔性铰链1作用于工作平台29上，使工作平台29沿着x轴方向移动。具体工作过程为：两个压电驱动器S(可采用压电叠堆驱动器)施加通过功率放大器放大后的电压，压电叠堆驱动器S伸长，推动输入杆30运动，输入杆30通过直圆式柔性铰链R作用于放大杆二A12，使放大杆二A12通过直圆式柔性铰链R绕着固定架22顺时针转动，进而使放大杆三A13绕着放大杆一A11和放大杆二A12转动，放大杆三A11则通过直圆式柔性铰链R绕着固定架22顺时针转动，进而使放大杆三A3绕着直圆式柔性铰链R逆时针转动，实现放大杆三A13输出端平动的目的，平动通过叶型柔性铰链1使之传动到工作平台29上，工作平台29通过连接块23连接的叶型柔性铰链1构成的复合平行四边形机构使之运动解耦并保持平动。

转动工作时，以顺时针转动为例，同时对x轴向的柔顺双摇杆放大机构的下侧压电驱动器S和y轴向的柔顺双摇杆放大机构的左侧压电驱动器S施加电压，该两个压电驱动器S同时伸长，输入一个较小的位移，作用在输入杆30上，通过放大机构一A1，从放大杆三A13输出一个经放大机构一A1放大后的较大位移，并通过叶形柔性铰链1作用工作平台29上，解耦作用的复合平行四边形机构发生相应的弯曲变形，使工作平台29绕着叶形柔性铰链1之间工作平台的顶点10转动。逆时针转动则是通过对x轴向的柔顺双摇杆放大机构的上侧压电驱动器S和y轴向的柔顺双摇杆放大机构的右侧压电驱动器S施加电压。

如图2和图5所示，在微夹持器的使用时，对其上的压电驱动器S施加电压，压电驱动器S伸长作用于桥式放大机构的中间杆A7上，放大杆组件中包含三个杆件A5，中间杆A7移动使得两端的杆件A5分别绕着直圆式柔性铰链R顺时针和逆时针转动(就是其中一个放大杆组件中的两端杆件A5逆时针，与其相对应的另一个放大杆组件中的两端杆件A5顺时针转动，使得放大杆组件中的中间杆件A5向内移动，从而带动D处的柔性铰链向着靠近中心方向运动，进而使两个柔性平行四边形机构二26分别绕着E点顺时针和逆时针转动且为平动。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (8)

1.一种单层双工位四自由度柔顺微操作器，其特征在于：它包括底座(28)、微动平台(W)和微夹持器(H)；微动平台(W)包含工作平台(29)和与工作平台(29)一体制成的固定架(22)；

所述微动平台(W)上做有与工作平台(29)一体制成的两个微夹持器(H)，所述固定架(22)固定在底座(28)上；

微动平台(W)还包括两个放大机构一(A1)、柔性平行四边形机构一(20)和压电驱动器(S)；两个放大机构一(A1)与两个微夹持器(H)相对设置，每个放大机构一(A1)由压电驱动器(S)驱动，工作平台(29)上做有阵列排布的柔性平行四边形机构一(20)，其中一个柔性平行四边形机构一(20)位于两个微夹持器(H)之间，剩余的柔性平行四边形机构一(20)与两个放大机构一(A1)连接；

每个所述微夹持器(H)包括压电驱动器(S)、夹头(25)、柔性平行四边形机构二(26)和放大机构二(A4)；放大机构二(A4)由压电驱动器(S)驱动，放大机构二(A4)与柔性平行四边形机构二(26)柔性连接，柔性平行四边形机构二(26)与夹头(25)连接；

每个所述放大机构一(A1)为柔顺双摇杆放大机构；每个柔顺双摇杆放大机构由两个压电驱动器(S)驱动，两个柔顺双摇杆放大机构控制工作平台(29)带动微夹持器(H)在x轴向、y轴向的平动以及绕z轴的转动；

每个所述柔顺双摇杆放大机构包括两个放大杆一(A11)、两个放大杆二(A12)和两个放大杆三(A13)；柔顺双摇杆放大机构中的两个摇杆放大结构镜像布置；每个摇杆放大机构中的放大杆一(A11)一端分别与放大杆二(A12)和放大杆三(A13)通过柔性铰链连接，放大杆二(A12)与固定架(W2)通过柔性铰链连接，放大杆二(A12)与固定架(W2)之间布置有与二者固接的一个压电驱动器(S)，放大杆三(A13)与柔性平行四边形机构一(20)柔性连接。

2.根据权利要求1所述单层双工位四自由度柔顺微操作器，其特征在于：所述柔性平行四边形机构一(20)为由叶型柔性铰链(1)组成的复合平行四边形机构，其中三条边的叶型柔性铰链(1)为单边设置，剩余一条边的叶型柔性铰链(1)双排设置，放大杆三(A13)与叶型柔性铰链(1)连接。

3.根据权利要求2所述单层双工位四自由度柔顺微操作器，其特征在于：所述放大机构二(A4)为桥式放大机构，桥式放大机构的放大杆组件中的杆通过柔性铰链连接，相对两个放大杆组件通过柔性铰链与中间杆(A7)连接，中间杆(A7)由安装在工作平台(29)上的压电驱动器(S)驱动。

4.根据权利要求3所述单层双工位四自由度柔顺微操作器，其特征在于：所述柔性平行四边形机构二(26)为由单圆柔性铰链(2)制成的平行四边形机构，桥式放大机构的放大杆组件通过柔性铰链与柔性平行四边形机构二(26)连接。

5.根据权利要求1或3所述单层双工位四自由度柔顺微操作器，其特征在于：所述柔性铰链(R)为直圆式柔性铰链。

6.根据权利要求5所述单层双工位四自由度柔顺微操作器，其特征在于：微夹持器(H)上还布置有输出力检测传感器(B2)和位移检测传感器(B3)。

7.根据权利要求6所述单层双工位四自由度柔顺微操作器，其特征在于：所述输出力检测传感器(B2)和位移检测传感器(B3)均为带有感应片的电容变化式传感器。

8.根据权利要求7所述单层双工位四自由度柔顺微操作器，其特征在于：所述输出力检测传感器(B2)或位移检测传感器(B3)包括带有感应片的槽式感应架(33)和带有感应片的T形感应架(34)；槽式感应架(33)的感应片(35)和T形感应架(34)的感应片(35)交错布置且能相对运动；

位移检测传感器(B3)的槽式感应架(33)安装在单圆柔性铰链制成的平行四边形机构上作运动，位移检测传感器(B3)的T形感应架(34)安装在工作平台(29)上的不动伸出臂(27)上；

输出力检测传感器(B2)的槽式感应架(33)安装在不动夹持刚性臂(24)上，输出力检测传感器(B2)的T形感应架(34)安装在与夹头(25)连接的夹持柔性臂(31)上。

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