專利名稱：雙晶片微夾鉗的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)和微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，它是一種微操作機(jī)器人的末端執(zhí)行器。
背景技術(shù)：
近年來，微電子機(jī)械技術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)微操作系統(tǒng)和裝置的需求越來越大。微夾鉗作為一種典型的微執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不僅可作為微操作機(jī)械手的手爪，而且在微機(jī)械零件的加工、裝配、生物工程和光學(xué)工程等領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用前景。因此，微夾鉗及其相關(guān)的研究已成為國內(nèi)外微操作機(jī)器人和微機(jī)電研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿課題。
目前，國內(nèi)外正在研究的微夾鉗種類較多，根據(jù)能量供給、驅(qū)動(dòng)方式和制作材料的不同，大體上有靜電式、電磁式、壓電式、液體(真空)吸附式、形狀記憶合金、以及光捕獲式微夾鉗(光鉗)等。如日本Nagoya大學(xué)的F.Arai等人研究的“用于微操作的粘著型微型末端執(zhí)行器”，提出了一種用于微操作的新型拾放方法，該方法基于微型孔內(nèi)溫度變化而產(chǎn)生的壓力變化，使末端執(zhí)行器表面的吸附力改變而拾起和放下物體。瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院的W.Zesch等人研究的“借助納米機(jī)器人搬運(yùn)微型物體的真空工具”，研究了一種由玻璃吸管和計(jì)算機(jī)控制的真空源組成的真空夾持工具，并將該工具集成到瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所的機(jī)器人(Namo Robot)上進(jìn)行測(cè)試，它可抓取尺寸為100μm的金剛石晶體，并把它放置到任意位置。日本東京大學(xué)的Hideki Miyazaki等人研究的“微粒物體三維結(jié)構(gòu)的機(jī)械裝配”，分析了微粒物體間的動(dòng)力學(xué)及其操作原理與實(shí)驗(yàn)方法。國內(nèi)由華中科技大學(xué)黃心漢等研制的“適用于亞毫米級(jí)微小物體操作的真空拾放裝置”已成功應(yīng)用于微裝配機(jī)器人系統(tǒng)中，該裝置由真空單元、控制單元和吸管構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)吸管尖端的正負(fù)氣壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)亞毫米級(jí)微小物體和零件的可靠吸附、釋放和搬運(yùn)操作。
從上面介紹的技術(shù)背景來看，國內(nèi)外雖然對(duì)微夾鉗的研究取得了一些進(jìn)展，但還存在如下問題有些方法在原理上可行，但響應(yīng)速度慢，不能滿足實(shí)時(shí)操作的要求；大多數(shù)裝置對(duì)操作對(duì)象的形狀有一定要求，不能適應(yīng)異形零件和物體的操作，使其應(yīng)用范圍受到限制或不具有通用性。
瑞典Uppsala大學(xué)的Greger Thomell等人所提出的文獻(xiàn)GregerThomell，Mats Bexell，Jan-Ake Schweitz and Stefan Johansson.TheDesign and Fabrication of a Gripping Tool for Micomanipulation.The8th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators，and Eurosensors IX，Stockholm，Sweden.June 25-29，1995，PP.388-391。選用強(qiáng)度高、重量輕和耐腐蝕耐高溫的鋁釩鈦合金材料加工成微夾鉗，采用壓電陶瓷塊驅(qū)動(dòng)，通過機(jī)械(結(jié)構(gòu))放大，使鉗口的張開與閉合滿足對(duì)微型物體和零件的可靠夾取與放置。該微夾鉗屬間接驅(qū)動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積和外形尺寸較大，難以應(yīng)用在基于顯微視覺的微操作系統(tǒng)中；對(duì)材料和加工工藝要求很高，難以推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、操作方便，且具有鉗夾彎曲形變檢測(cè)功能的直接驅(qū)動(dòng)式雙晶片微夾鉗，能對(duì)不同形狀和材質(zhì)的亞毫米級(jí)微小物體和零件進(jìn)行可靠抓取、釋放和搬運(yùn)，為微操作機(jī)器人系統(tǒng)和微機(jī)電系統(tǒng)提供一種有效實(shí)用的末端執(zhí)行器裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種雙晶片微夾鉗由第一雙晶片、第二雙晶片、固定件、驅(qū)動(dòng)電源、形變檢測(cè)單元、上位機(jī)、全橋電路及其橋路電源組成；第一雙晶片和第二雙晶片的一端固定在固定件一端的側(cè)面，另一端懸空；驅(qū)動(dòng)電源為直流電源，為雙晶片提供驅(qū)動(dòng)電壓，雙晶片在驅(qū)動(dòng)電壓的作用下產(chǎn)生彎曲形變，其輸出電壓的大小和極性由上位機(jī)控制；全橋電路由四片應(yīng)變片構(gòu)成，第一應(yīng)變片和第二應(yīng)變片分別粘貼在第一雙晶片的外表面和內(nèi)表面，第三應(yīng)變片和第四應(yīng)變片分別粘貼在第二雙晶片的外表面和內(nèi)表面，全橋電路的輸出與形變檢測(cè)單元的輸入端連接；形變檢測(cè)單元用來檢測(cè)雙晶片的彎曲形變，再將彎曲形變信號(hào)反饋給上位機(jī)。
所述形變檢測(cè)單元可由信號(hào)放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)組成，并依次連接。
所述驅(qū)動(dòng)電源與第一雙晶片、第二雙晶片的連接，全橋電路與橋路電源及形變檢測(cè)單元的連接均可通過固定件上的接線端子。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)采用壓電陶瓷雙晶片直接驅(qū)動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；(2)可根據(jù)操作對(duì)象的大小選用不同長度和寬度的雙晶片；(3)具有雙晶片彎曲形變檢測(cè)功能，可為微操作系統(tǒng)提供鉗夾彎曲形變反饋信號(hào)；(4)體積小、重量輕、操作方便，可廣泛適用于微操作機(jī)器人系統(tǒng)和微機(jī)電系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中固定件和雙晶片的右視圖。
圖3為圖1中雙晶片與驅(qū)動(dòng)電源的接線圖。
圖4為圖1中應(yīng)變片全橋電路的連接圖和形變檢測(cè)單元的電路圖。
圖5為圖1中雙晶片工作狀態(tài)示意圖，其中圖5(a)表示初始狀態(tài)，圖5(b)表示加正壓狀態(tài)，圖5(c)表示加負(fù)壓狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式
由圖1～圖4所示，本發(fā)明由第一雙晶片1、第二雙晶片2、固定件3、驅(qū)動(dòng)電源4、形變檢測(cè)單元5、上位機(jī)6、全橋電路7和橋路電源8組成。
第一雙晶片1和第二雙晶片2為壓電陶瓷晶片，第一雙晶片1、第二雙晶片2的一端分別固定在固定件3一端的側(cè)面，最好呈中心對(duì)稱，而另一端懸空，處于自由狀態(tài)，形成手指狀，兩片雙晶片作為微夾鉗的鉗夾。固定件3的另一端與微操作機(jī)械手連接，固定件3由絕緣材料加工而成，其橫截面為長方形。當(dāng)然，也可為正方形、圓形等其它形狀。
驅(qū)動(dòng)電源4為直流驅(qū)動(dòng)電源，可通過RS232接口與上位機(jī)6連接，上位機(jī)6可為PC機(jī)或工控機(jī)，驅(qū)動(dòng)電源4輸出電壓的大小和極性由上位機(jī)6控制，輸出電壓可通過固定件3上的接線端子與第一雙晶片1和第二雙晶片2連接，為雙晶片1和2提供合適大小和極性的驅(qū)動(dòng)電壓，雙晶片在驅(qū)動(dòng)電壓的作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲形變。
驅(qū)動(dòng)電源4與第一雙晶片1和第二雙晶片2的連接方式如圖3所示，驅(qū)動(dòng)電源4的輸出電壓一端通過固定件3上的接線端子與第一雙晶片1的中間金屬片14和第二雙晶片2的二片壓電陶瓷晶片16和18的外表面連接，驅(qū)動(dòng)電源4的輸出電壓另一端通過固定件3上的接線端子與第二雙晶片2的中間金屬片17和第一雙晶片1的二片壓電陶瓷晶片13和15的外表面連接，改變驅(qū)動(dòng)電源4輸出電壓的大小和極性，第一雙晶片1和第二雙晶片2的彎曲形變的程度和方向就會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。
全橋電路7由第一應(yīng)變片R1、第二應(yīng)變片R2、第三應(yīng)變片R3和第四應(yīng)變片R4構(gòu)成，第一應(yīng)變片R1和第二應(yīng)變片R2分別粘貼在第一雙晶片1的外表面和內(nèi)表面，第三應(yīng)變片R3和第四應(yīng)變片R4分別粘貼在第二雙晶片2的外表面和內(nèi)表面，第一應(yīng)變片R1與第四應(yīng)變片R4的連接點(diǎn)、第二應(yīng)變片R2與第三應(yīng)變片R3的連接點(diǎn)為全橋電路7的電源輸入端，第一應(yīng)變片R1與第二應(yīng)變片R2的連接點(diǎn)、第三應(yīng)變片R3和第四應(yīng)變片R4的連接點(diǎn)為全橋電路7的檢測(cè)信號(hào)輸出端。全橋電路7的電源輸入可經(jīng)固定件3上的接線端子與橋路電源8連接，橋路電源8為全橋電路7提供直流電源，全橋電路7的輸出可經(jīng)固定件3上的接線端子與形變檢測(cè)單元5的輸入端連接。
形變檢測(cè)單元5用來檢測(cè)雙晶片彎曲形變的大小，其輸出可通過USB接口與上位機(jī)6連接，將雙晶片的彎曲形變信號(hào)反饋給上位機(jī)6。
形變檢測(cè)單元5可由信號(hào)放大器9、濾波器10、A/D轉(zhuǎn)換器11和單片機(jī)12組成，并依次連接。信號(hào)放大器9的兩個(gè)輸入端連接全橋電路7的兩個(gè)輸出端，單片機(jī)12經(jīng)USB接口與上位機(jī)6連接。
當(dāng)施加在雙晶片上的驅(qū)動(dòng)電壓為0V時(shí)，雙晶片處于初始狀態(tài)(常態(tài))，不發(fā)生彎曲形變；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為正時(shí)，兩片雙晶片同時(shí)向內(nèi)彎曲，彎曲程度由驅(qū)動(dòng)電壓大小決定；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為負(fù)時(shí)，兩片雙晶片同時(shí)向外彎曲，彎曲程度由驅(qū)動(dòng)電壓大小決定。通過控制驅(qū)動(dòng)電源4輸出驅(qū)動(dòng)電壓的大小和極性，可改變雙晶片彎曲的程度和方向，即調(diào)整微夾鉗的開閉程度，達(dá)到可靠抓取或釋放不同尺寸的微小物體和零件的目的。
當(dāng)雙晶片處于常態(tài)不發(fā)生彎曲形變時(shí)，全橋電路7輸出為0。當(dāng)雙晶片發(fā)生彎曲形變時(shí)，全橋電路7輸出與雙晶片彎曲形變的大小和方向有關(guān)的微弱信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器9進(jìn)行放大，然后由濾波器10進(jìn)行濾波，再由A/D轉(zhuǎn)換器11進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)過單片機(jī)12進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將所得到的雙晶片彎曲形變的數(shù)值信號(hào)送給上位機(jī)6。
以下對(duì)照?qǐng)D5(a)～圖5(c)說明雙晶片的工作狀態(tài)。
第一雙晶片1、第二雙晶片2為兩片相同的長方形薄片，其長可為3000μm、寬可為250μm(見圖2)，兩片雙晶片構(gòu)成微夾鉗上下鉗夾(手指)，將兩片雙晶片1和2的一端分別安裝在固定件3一端的側(cè)面插口內(nèi)，另一端處于自由狀態(tài)，插口間隙(即雙晶片手指在常態(tài)時(shí)的開口距離)為500μm，固定件3的另一端與微操作機(jī)械手連接。驅(qū)動(dòng)電源4可為3646A型可編程直流電源，提供0～70V直流電壓。壓電陶瓷雙晶片1和2在合適電壓的作用下(通常為0～70V直流電壓)會(huì)產(chǎn)生彎曲形變。當(dāng)電源電壓為0V時(shí)，微夾鉗處于圖5(a)所示的初始狀態(tài)(常態(tài))；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源電壓為+70V時(shí)，微夾鉗處于圖5(b)所示的閉合狀態(tài)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源電壓為-70V時(shí)，微夾鉗處于圖5(c)所示的全張開狀態(tài)，微夾鉗末端開口的變化范圍為0～1000μm，可適應(yīng)亞毫米級(jí)微小物體和零件的抓取、釋放和搬運(yùn)。
如果要滿足毫米級(jí)物體的抓取、釋放和搬運(yùn)，只需調(diào)整驅(qū)動(dòng)電源4的輸出電壓范圍、改變雙晶片的長度或初始狀態(tài)的間隙。
權(quán)利要求
1.一種雙晶片微夾鉗，其特征在于由第一雙晶片(1)、第二雙晶片(2)、固定件(3)、驅(qū)動(dòng)電源(4)、形變檢測(cè)單元(5)、上位機(jī)(6)、全橋電路(7)及其橋路電源(8)組成；第一雙晶片(1)和第二雙晶片(2)的一端固定在固定件(3)一端的側(cè)面，另一端懸空；驅(qū)動(dòng)電源(4)為直流電源，為雙晶片提供驅(qū)動(dòng)電壓，雙晶片在驅(qū)動(dòng)電壓的作用下產(chǎn)生彎曲形變，其輸出電壓的大小和極性由上位機(jī)(6)控制；全橋電路(7)由四片應(yīng)變片構(gòu)成，第一應(yīng)變片(R1)和第二應(yīng)變片(R2)分別粘貼在第一雙晶片(1)的外表面和內(nèi)表面，第三應(yīng)變片(R3)和第四應(yīng)變片(R4)分別粘貼在第二雙晶片(2)的外表面和內(nèi)表面，全橋電路(7)的輸出與形變檢測(cè)單元(5)的輸入端連接；形變檢測(cè)單元(5)用來檢測(cè)雙晶片的彎曲形變，再將彎曲形變信號(hào)反饋給上位機(jī)(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙晶片微夾鉗，其特征在于所述形變檢測(cè)單元(5)由信號(hào)放大器(9)、濾波器(10)、A/D轉(zhuǎn)換器(11)和單片機(jī)(12)組成，并依次連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙晶片微夾鉗，其特征在于驅(qū)動(dòng)電源(4)與第一雙晶片(1)、第二雙晶片(2)的連接，全橋電路(7)與橋路電源(8)和形變檢測(cè)單元(5)的連接均是通過固定件(3)上的接線端子。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙晶片微夾鉗，包括兩片壓電陶瓷雙晶片、固定件、驅(qū)動(dòng)電源、形變檢測(cè)單元、上位機(jī)、全橋電路和橋路電源，兩片雙晶片的一端固定在固定件一端的側(cè)面，另一端懸空，驅(qū)動(dòng)直流電源為雙晶片提供驅(qū)動(dòng)電壓，雙晶片在驅(qū)動(dòng)電壓的作用下產(chǎn)生彎曲形變，其輸出電壓的大小和極性由上位機(jī)控制，全橋電路由四片應(yīng)變片構(gòu)成，分別粘貼在雙晶片的內(nèi)、外表面，全橋電路的輸出與形變檢測(cè)單元的輸入端連接，形變檢測(cè)單元將檢測(cè)到的雙晶片的彎曲形變信號(hào)反饋給上位機(jī)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、操作方便，且具有鉗夾彎曲形變檢測(cè)功能，可廣泛適用于微操作機(jī)器人系統(tǒng)和微機(jī)電系統(tǒng)。
文檔編號(hào)B25J7/00GK1623740SQ20041006134
公開日2005年6月8日 申請(qǐng)日期2004年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月13日
發(fā)明者黃心漢, 王敏, 呂遐東, 蔡建華 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)