本实用新型专利技术涉及一种基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构，精密驱动和材料微观力学性能原位测试领域。三个内置封装型压电叠堆的多载荷压电驱动器呈120°内包络环形分布安装形式，通过下层柔性铰链移动副面内扩张及以内层支点为转动副运动中心的运动传递，爪趾夹持端采用生物非光滑机理及土壤动物爪趾构形，增大夹持摩擦力，可解决微小尺寸构件夹持这一难题，此外，微夹持机构还可与组合式支撑单元、高温加载单元结合，构建出高温服役条件下位移可控的单轴、双轴力场，实现微小尺寸构件单轴、双轴力学性能测试功能。本实用新型专利技术结构紧凑，应用范围广泛，可与扫描电镜结合使用，为碳纤维等微尺寸材料的力学性能测试、表征提供有效工具。
【技术实现步骤摘要】
基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构
本技术涉及精密驱动和材料微观力学性能原位测试领域，特别涉及微机电系统领域的仪器仪表类，尤指一种基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构，用于用于特征尺寸直径0.1mm以下微小尺寸材料的夹持及测试。本技术可通过与扫描电镜等成像仪器的兼容使用，对被测试件在单轴拉应力、双轴拉应力的力学状态下进行原位检测，对揭示碳纤维等微尺寸材料的变形损伤机制和性能演化规律提供了有效手段，为材料表征及深入理解材料力学性能提供测试装备。
技术介绍
随着科技的发展，在超精密加工、微电子工程、生物工程、纳米技术等领域都迫切需要亚微米级甚至纳米级的精密操作技术。在微型装配系统中，微夹持器系统是保证整个微机械系统可靠性和功能的关键部分，其往往与微装配、微操作等系统技术紧密联系在一起。微夹持器作为一种典型的微执行器，在微机械零件加工、微机械装配和生物工程等多方面都有广泛的应用。一个完备的微夹持器应该包括驱动和传动两大部分，往往采用压电叠堆进行驱动，其伸缩量与所施加的电压有关，受环境温度、湿度、电磁场、气流等因素的影响较小。而传动环节采用柔性铰链，它是近年来发展起来的一种新型的传动、支撑机构，其利用薄弱环节的弹性变形来完成类似的铰链功能，具有体积小、无摩擦、运动间隙小和分辨率高等有点。但就目前情况来看，利用柔性铰链与压电叠堆组合的微夹持器还存在不足之处：首先国内学者对微夹持器的研究主要集中于实现夹持功能的结构设计和理论建模。余大海提出适用于惯性约束聚变（ICF）靶夹持的多用微夹持器；郝永平提出一种用于MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem）装配的微夹持器结构；王代华提出一种压电驱动的微夹钳及其开环位移特性。但他们所设计的夹持器仅能实现微夹持功能，没有考虑如何将夹持力传感集成于结构，不能检测夹持器在工作状态下的夹持力。而微夹持器在微夹持过程中，不仅需要完成对微小尺寸物体的夹持操作，还要避免在微夹持过程中对微小物体造成损伤或脱落。而现有的微夹持器仅属于开环控制，没有实现对夹持里的实施检测，从而对夹持力进行预测和控制。其次，现如今的采用柔性铰链的微夹持器大多为平面柔性铰链机构，且仅具有夹持作用，难以与夹持相结合的对材料的微观力学性能测试。综上，开发可集成微尺寸试件夹持与材料微观力学性能测试相结合，且能对夹持力进行闭环控制的微夹持器，是十分必要的。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构，解决了现有技术存在的毫米级以下微尺寸试件不易夹持，难以对其进行力学性能研究等问题。本技术由压电式并联加载单元、柔性铰链传动单元、仿生夹持端、夹持力检测单元、高温加载单元及组合式支撑单元组成。利用压电驱动元件测试精度高、体积小巧、结构紧凑、响应快速和输出位移易于控制等优势，并结合仿生夹持端、夹持力检测单元，本技术除可实现对不同尺寸试件的夹持外，还可实现对夹持力的预测及控制。与此同时，高温加载单元、组合式支撑单元可与压电驱动三爪微尺寸夹持机构组合使用，形成高温服役条件下单轴应力测试平台。与双轴基座组合，可构成高温服役条件下双轴平面应力状态测试平台。此外，本技术整体尺寸仅为30mm×26mm×16mm，可放置与扫描电镜腔内，与扫描电镜等表征仪器配合使用，真正实现原位测试，为揭示碳纤维等微尺寸材料的变形损伤机制和性能演化规律提供了有效手段。本技术的上述目的通过以下技术方案实现：基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构，包括压电式加载单元、柔性铰链传动单元、仿生夹持单元、夹持力检测单元、高温加载单元、可拆卸支撑单元，其中，柔性铰链传动单元中的柔性铰链转动副移动端3、柔性铰链球面副移动端4、柔性铰链基座5及爪趾夹持端实为一体，柔性铰链基座5中设有与多载荷封装式压电叠堆1宽度一致的沟槽，多载荷封装式压电叠堆1嵌入式安装于所述沟槽内，并通过压电叠堆预紧块2预紧；柔性铰链基座5通过M3螺栓6、M3螺母10与组合式基座7刚性连接，双轴基座8通过M2螺栓9与组合式基座7刚性连接；高温加载单元中的卤素加热灯14通过螺纹连接方式与组合式基座7刚性连接；所述压电式加载单元包括三个多载荷压电驱动器、三个柔性铰链球面副移动端4、三个柔性铰链转动副移动端3，每个多载荷压电驱动器由压电叠堆预紧块2、多载荷封装式压电叠堆1组成；三个多载荷压电驱动器呈120°内包络式环形分布，安装于柔性铰链基座5的卡槽内；未对多载荷封装式压电叠堆1施加电压时，其受厚度可调的压电叠堆预紧块2作用，处于压缩状态；施加电压时，其轴向伸长，且长方体形状的多载荷封装式压电叠堆1具有输出位移自检测功能；所述柔性铰链传动单元是：多载荷封装式压电叠堆1的输出位移通过下层柔性铰链17转动副移动端的面内扩张及以内层柔性铰链16的柔性铰链球面副移动端4为支点的压杆弯曲传递至爪趾夹持端；三个柔性铰链转动副移动端2、三个柔性铰链球面副移动端4及三个爪趾夹持端呈120°环形对称分布，确保夹持轴线与材料轴线重合；所述仿生夹持单元为三个爪趾夹持端，每个爪趾夹持端由生物非光滑表面11及土壤动物的爪趾构形12组成，多载荷封装式压电叠堆1的输出位移通过柔性铰链转动副移动端3及柔性铰链球面副移动端4传递至爪趾夹持端，使爪趾夹持端产生形变实现对试件的夹持；爪趾夹持端具有的生物非光滑表面11及爪趾构形12使爪趾夹持端与被夹持物间摩擦增大，从而实现对微小尺寸、难以夹持试件的夹持；所述夹持力检测单元是：电阻应变片15直接黏附于爪趾夹持端的爪趾构形12处，当爪趾构形12与被夹持微试件13接触实现夹持时，爪趾构形12尖端处形变最大，此处即为力传感单元的位置，电阻应变片15的应变直接反应夹持力的大小；通过标定的方法分别确定压电驱动器输入电压、夹持力与力传感器单元应变的关系，可得出驱动电压与夹持力之间的关系，便于预测和控制夹持力。所述可拆卸支撑单元由组合式基座7、双轴基座8及螺栓9组成，当组合式基座7单独与柔性铰链基座5通过螺栓6、螺母10刚性连接时，实现对材料的单轴力学测试功能；双轴基座8通过螺栓9与组合式基座7相连，通过6螺栓、螺母10与柔性铰链基座5相连，实现双轴力学测试功能；所述高温加载单元包括组合式基座7及卤素加热灯14，组合式基座7中心处具有环形凹槽结构，卤素加热灯14直接内嵌于组合式基座7中心，光源焦点即为被夹持微试件13中心处。所述的多载荷封装式压电叠堆1呈120°内包络式环形分布，在电压信号作用下其输出的位移通过下层柔性铰链17转动副移动端的面内扩张及以内层柔性铰链16的柔性铰链球面副移动端4为支点的压杆弯曲传递至爪趾夹持端，最终实现爪趾夹持端向轴线方向的转动及靠近柔性铰链基座5的回退运动；基于不同幅值的驱动电压，三个多载荷封装式压电叠堆1实现多样的轴向伸长运动的组合形式，对应于爪趾夹持端不同形式的位移；进而，实现对于不同直径的被测微试件的夹持。所述的爪趾夹持端具有生物非光滑表面11，爪趾夹持端表面分布球冠状凸包，增大夹持阻力并显著提高夹持端的使用寿命，使小尺寸试件夹持更紧密。爪趾夹持端顶部运用土壤动物的爪趾构形12，当多载荷封装式压电叠堆1的输出运动传递至爪趾夹持端时，其顶部的爪趾构形1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构，其特征在于：包括压电式加载单元、柔性铰链传动单元、仿生夹持单元、夹持力检测单元、高温加载单元、可拆卸支撑单元，其中，柔性铰链传动单元中的柔性铰链转动副移动端（3）、柔性铰链球面副移动端（4）、柔性铰链基座（5）及爪趾夹持端实为一体，柔性铰链基座（5）中设有与多载荷封装式压电叠堆（1）宽度一致的沟槽，多载荷封装式压电叠堆（1）嵌入式安装于所述沟槽内，并通过压电叠堆预紧块（2）预紧；柔性铰链基座（5）通过M3螺栓（6）、M3螺母（10）与组合式基座（7）刚性连接，双轴基座（8）通过M2螺栓（9）与组合式基座（7）刚性连接；高温加载单元中的卤素加热灯（14）通过螺纹连接方式与组合式基座（7）刚性连接；所述压电式加载单元包括三个多载荷压电驱动器、三个柔性铰链球面副移动端（4）、三个柔性铰链转动副移动端（3），每个多载荷压电驱动器由压电叠堆预紧块（2）、多载荷封装式压电叠堆（1）组成；三个多载荷压电驱动器呈120°内包络式环形分布，安装于柔性铰链基座（5）的卡槽内；未对多载荷封装式压电叠堆（1）施加电压时，其受厚度可调的压电叠堆预紧块（2）作用，处于压缩状态；施加电压时，其轴向伸长，且长方体形状的多载荷封装式压电叠堆（1）具有输出位移自检测功能；所述柔性铰链传动单元是：多载荷封装式压电叠堆（1）的输出位移通过下层柔性铰链（17）转动副移动端的面内扩张及以内层柔性铰链（16）的柔性铰链球面副移动端（4）为支点的压杆弯曲传递至爪趾夹持端；三个柔性铰链转动副移动端（3）、三个柔性铰链球面副移动端（4）及三个爪趾夹持端呈120°环形对称分布，确保夹持轴线与材料轴线重合；所述仿生夹持单元为三个爪趾夹持端，每个爪趾夹持端由生物非光滑表面（11）及土壤动物的爪趾构形（12）组成，多载荷封装式压电叠堆（1）的输出位移通过柔性铰链转动副移动端（3）及柔性铰链球面副移动端（4）传递至爪趾夹持端，使爪趾夹持端产生形变实现对试件的夹持；爪趾夹持端具有的生物非光滑表面（11）及爪趾构形（12）使爪趾夹持端与被夹持物间摩擦增大，从而实现对微小尺寸、难以夹持试件的夹持；所述夹持力检测单元是：电阻应变片（15）直接黏附于爪趾夹持端的爪趾构形（12）处，当爪趾构形（12）与被夹持微试件（13）接触实现夹持时，爪趾构形（12）尖端处形变最大，此处即为力传感单元的位置，电阻应变片（15）的应变直接反应夹持力的大小；所述可拆卸支撑单元由组合式基座（7）、双轴基座（8）及螺栓（9）组成，当组合式基座（7）单独与柔性铰链基座（5）通过螺栓（6）、螺母（10）刚性连接时，实现对材料的单轴力学测试功能；双轴基座（8）通过螺栓（9）与组合式基座（7）相连，通过（6）螺栓、螺母（10）与柔性铰链基座（5）相连，实现双轴力学测试功能；所述高温加载单元包括组合式基座（7）及卤素加热灯（14），组合式基座（7）中心处具有环形凹槽结构，卤素加热灯（14）直接内嵌于组合式基座（7）中心，光源焦点即为被夹持微试件（13）中心处。...
【技术特征摘要】
1.一种基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构，其特征在于：包括压电式加载单元、柔性铰链传动单元、仿生夹持单元、夹持力检测单元、高温加载单元、可拆卸支撑单元，其中，柔性铰链传动单元中的柔性铰链转动副移动端（3）、柔性铰链球面副移动端（4）、柔性铰链基座（5）及爪趾夹持端实为一体，柔性铰链基座（5）中设有与多载荷封装式压电叠堆（1）宽度一致的沟槽，多载荷封装式压电叠堆（1）嵌入式安装于所述沟槽内，并通过压电叠堆预紧块（2）预紧；柔性铰链基座（5）通过M3螺栓（6）、M3螺母（10）与组合式基座（7）刚性连接，双轴基座（8）通过M2螺栓（9）与组合式基座（7）刚性连接；高温加载单元中的卤素加热灯（14）通过螺纹连接方式与组合式基座（7）刚性连接；所述压电式加载单元包括三个多载荷压电驱动器、三个柔性铰链球面副移动端（4）、三个柔性铰链转动副移动端（3），每个多载荷压电驱动器由压电叠堆预紧块（2）、多载荷封装式压电叠堆（1）组成；三个多载荷压电驱动器呈120°内包络式环形分布，安装于柔性铰链基座（5）的卡槽内；未对多载荷封装式压电叠堆（1）施加电压时，其受厚度可调的压电叠堆预紧块（2）作用，处于压缩状态；施加电压时，其轴向伸长，且长方体形状的多载荷封装式压电叠堆（1）具有输出位移自检测功能；所述柔性铰链传动单元是：多载荷封装式压电叠堆（1）的输出位移通过下层柔性铰链（17）转动副移动端的面内扩张及以内层柔性铰链（16）的柔性铰链球面副移动端（4）为支点的压杆弯曲传递至爪趾夹持端；三个柔性铰链转动副移动端（3）、三个柔性铰链球面副移动端（4）及三个爪趾夹持端呈120°环形对称分布，确保夹持轴线与材料轴线重合；所述仿生夹持单元为三个爪趾夹持端，每个爪趾夹持端由生物非光滑表面（11）及土壤动物的爪趾构形（12）组成，多载荷封装式压电叠堆（1）的输出位移通过柔性铰链转动副移动端（3）及柔性铰链球面副移动端（4）传递至爪趾夹持端，使爪趾夹持端产生形变实现对试件的夹持；爪趾夹持端具有的生物非光滑表面（11）及爪趾构形（12）使爪趾夹持端与被夹持物间摩擦增大，从而实现对微小尺寸、难以夹持试件的夹持；所述夹持力检测单元是：电阻应变片（15）直接黏附于爪趾夹持端的爪趾构形（12）处，当爪趾构形（12）与被夹持微试件（13）接触实现夹持时，爪趾构形（12）尖端处形变最大，此处即为力传感单元的位置，电阻应变片（15）的应变直接反应夹持力的大小；所述可拆卸支撑单元由组合式基座（7）、双轴基座（8）及螺栓（9）组成，当组合式基座（7）单独与柔性铰链基座（5）通过螺栓（6）、螺母（10）刚性连接时，实现对材料的单轴力学测试功能；双轴基座（8）通过螺栓（9）与组合式基座（7）相连，通...
【专利技术属性】
技术研发人员：马志超，马筱溪，赵宏伟，任露泉，张志辉，杜希杰，徐博达，蒋东颖，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林,22
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