一种柔性微动机械手制造技术

本发明专利技术公开一种柔性微动机械手，该机械手特征在于主要包括：一个压电陶瓷驱动器、一个球形接头、一个“H”字形连接梁、一个“U”字形刚性支撑梁和一个底座，以及两个柔性支链、两个“L”字形连接梁和两个夹持末端；所述球形接头安装在压电陶瓷驱动器的顶端，压电陶瓷驱动器的尾端通过螺纹刚性固定于所述“U”字形刚性支撑梁的中间内侧壁上，且使所述球形接头顶在所述“H”字形连接梁的“一”字形梁下端面的中间位置上，构成赫兹接触；所述“U”字形刚性支撑梁安装在“U”字形结构的底座上；所述两个柔性支链、两个“L”字形连接梁和两个夹持末端均以所述球形接头和压电陶瓷驱动器为中心线，左右对称布装在机械手的左右两侧。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械领域的微/纳米操作系统，具体为一种具有两个夹持末端的柔性微动机械手。
技术介绍
微机械技术是微纳米技术的重要分支。应用扫描探针显微镜技术进行分子或原子量级的操作、改型加工处理、制作微型机械零部件乃至微机械整体、生物工程领域中的动植物细胞转基因注射、医疗领域中利用微小的剪刀、微型摄像机、微型传感器等专用微型医疗器械进行微创伤侵入性医疗手术这些情况的实现，都是建立在微操作系统或装置的精密性基础之上的。微纳米级操作系统的定位精度是上述各类微操作成功的关键。随着人们对微观世界研究的深入，精密作业逐渐超出了人类的操作极限，而融合了机械、电子、自动化及信息处理技术的机器人技术在微观领域的引入和发展是人类日益迫切的要求。压电陶瓷驱动设备的出现使得微米乃至纳米级定位精度和分辨率的驱动控制可以实现，从而使得具有在微纳米尺度上进行精密作业能力的微操作机器人技术也应运而生，而作为微操作机器人的主要执行部件，具有精密定位能力和准确夹持作用力的机械手的研究也得到了各国研究人员的重视。德国PI,英国Queensgate等公司均已生产了基于压电陶瓷驱动的纳米级微操作手的成形产品，主要用于光线系统检测、微加工、微装配等场合。J.MBreguet等，大行程、高分辨率、多自由度压电陶瓷驱动器的新型设计(J.M.Breguet，R. Clavel, Newdesigns for long range， highresolution， mult1-degree—of-freedom piezoelectricactuators， Proceedings of the 6th International Conference on New Actuator，June, 1998:198-201.)中报导了瑞士联邦工学院研制的六自由度微操作手；P. Kallio等，压电陶瓷驱动的3自由度并联微操作器(P.Kallio，M，Lind, Q. Zhou, H.N.Koivo，A 3-D0F piezo-hydraulic parallel micromanipulator， Proceedings of the IEEEInternational Conference on Robitics andAutomation， Leuven, Belgium， May,1998:1823-1828.)中报道了芬兰坦佩雷工业大学研制的三自由度并联微操作手；Mohd Nashrul等，一种基于压电陶瓷驱动的柔性微夹持器的新型设计(Mohd NashrulMohd Zubir, BijanShirinzadeh, Yanling Tian, A new design of piezoelectricdrivencompliant-based microgripper for micromanipulation, Mechanism andMachineTheory, 2009, 2248-2264.)中报道了 一种基于压电陶瓷驱动的柔性并联微夹持器的优化设计和性能分析。在这一领域，我国的科研工作者们也做出了一定的成绩，如W. Dong等，采用双压电陶瓷驱动器驱动的精密柔性并联定位机构的设计(W.Dong，L. N. Sun,Z. J.Du.Design of aprecision compliant parallel positioner driven by dualpiezoelectricactuators. Sensor and Actuators A, 2007,135:250-256)中报导的哈尔滨工业大学研制的压电陶瓷驱动的六自由度并联微操作手；杨国兴等，基于有限元方法的柔性铰链式微夹持器优化设计(中国机械工程，2006年，17卷10期，1074-1078)中介绍了以柔性铰链为转动副的微夹持器。但上述微动夹持器有的采用刚柔结合的结构方式，且柔性结构所占比例相对较少，较大的位移输出主要由刚性宏动环节实现，性能受到限制；有的则多采用由压电陶瓷驱动器直接驱动的方式，中间缺少放大环节，直接限制了该类微动夹持器末端执行器所能提供的变形量，不能满足实际需要。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种柔性微动机械手。该机械手器采用柔性并联结构、单自由度柔性铰链和压电陶瓷驱动器驱动技术，具有两个夹持末端，可应用于微/纳操作机械系统，具有结构简单、高刚度、高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累、无机械摩擦、无间隙，且便于加工制造和工业化实施等优点。本专利技术解决所述技术问题的技术方案是设计一种柔性微动机械手，其特征在于该机械手主要包括一个压电陶瓷驱动器、一个球形接头、一个“H”字形连接梁、一个“U”字形刚性支撑梁和一个底座，以及两个柔性支链、两个“L”字形连接梁和两个夹持末端；所述球形接头安装在压电陶瓷驱动器的顶端，压电陶瓷驱动器的尾端通过螺纹刚性固定于所述“U”字形刚性支撑梁的中间内侧壁上，且使所述球形接头顶在所述“H”字形连接梁的“一”字形梁下端面的中间位置上，构成赫兹接触；所述底座为“U”字形结构，其水平横梁的宽度比所述“U”字形刚性支撑梁对应部分的宽度宽之外，其余形状尺寸与所述“U”字形刚性支撑梁一致；所述“U”字形刚性支撑梁安装在“U”字形结构的底座上，且使两者的水平横梁的上端面对齐；所述“L”字形连接梁包括左连接梁和右连接梁，左右形状对称一致；所述柔性支链包括左柔性支链和右柔性支链，左右两个柔性支链结构一样；其中左柔性支链布装连接在所述“H”字形连接梁的左侧“ I ”字形竖梁的左侧与所述“U”字形刚性支撑梁的左侧“ I ”子形竖梁的内侧之间；所述夹持末端包括左夹持末端和右夹持末端，两个夹持末端均为直角扇形结构，且左右形状结构对称一致，其弧形边为空置端，两个直边相互垂直，一个直边水平放置，另一个直边竖直放置，两个竖直放置的直边为工作端，两个水平放置的直边为连接端，其中左夹持末端水平布装在左柔性支链的正上方，左夹持末端水平放置的直边底面左侧通过左连接梁与所述“U”字刚性支撑梁的左侧“ I”字形竖梁的外侧连接，左夹持末端水平放置的底面右侧直接与所述“H”字形连接梁的左侧“I”字形直梁的上方连接；所述右柔性支链、右连接梁和右夹持末端以所述球形接头和压电陶瓷驱动器为中心线，左右对称布装在机械手的右侧；所述柔性支链由两个水平横梁构成，两个水平横梁自上而下布置，每个水平横梁上均开有两组半圆凹槽，每组半圆凹槽为两个，上下对称分布在水平横梁左右两端的内外壁上；所述“H”字形连接梁两个“I”字形竖梁上半部分的左右侧壁上各开有一组半圆凹槽，每组半圆凹槽为两个，结构相同，左右对称；所述“L”字形连接梁竖直部分上端的左右侧壁上均对称开有一个半圆凹槽，所述“L”字形连接梁水平部分的上下侧壁上均对称开有一个半圆凹槽；所述的半圆凹槽形状结构完全相同。与现有技术相比，本专利技术柔性微动机械手具有如下优点1.微动机械手的柔性机构可利用线切割一体化加工技术整体加工而成，免于装配、无间隙、无摩擦、不需润滑，有利于实现微/纳米级高精度定位。2.微动机械手采用柔性并联结构，具有高刚度、高精度、低惯量、结构紧凑、无误差积累等优点。3.微动机械手采用单自由度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性微动机械手，其特征在于该机械手主要包括：一个压电陶瓷驱动器、一个球形接头、一个“H”字形连接梁、一个“U”字形刚性支撑梁和一个底座，以及两个柔性支链、两个“L”字形连接梁和两个夹持末端；所述球形接头安装在压电陶瓷驱动器的顶端，压电陶瓷驱动器的尾端通过螺纹刚性固定于所述“U”字形刚性支撑梁的中间内侧壁上，且使所述球形接头顶在所述“H”字形连接梁的“一”字形梁下端面的中间位置上，构成赫兹接触；所述底座为“U”字形结构，其水平横梁的宽度比所述“U”字形刚性支撑梁对应部分的宽度宽之外，其余形状尺寸与所述“U”字形刚性支撑梁一致；所述“U”字形刚性支撑梁安装在“U”字形结构的底座上，且使两者的水平横梁的上端面对齐；所述“L”字形连接梁包括左连接梁和右连接梁，左右形状对称一致；所述柔性支链包括左柔性支链和右柔性支链，左右两个柔性支链结构一样；其中左柔性支链布装连接在所述“H”字形连接梁的左侧“1”字形竖梁的左侧与所述“U”字形刚性支撑梁的左侧“1”字形竖梁的内侧之间；所述夹持末端包括左夹持末端和右夹持末端，两个夹持末端均为直角扇形结构，且左右形状结构对称一致，其弧形边为空置端，两个直边相互垂直，一个直边水平放置，另一个直边竖直放置，两个竖直放置的直边为工作端，两个水平放置的直边为连接端，其中左夹持末端水平布装在左柔性支链的正上方，左夹持末端水平放置的直边底面左侧通过左连接梁与所述“U”字刚性支撑梁的左侧“1”字形竖梁的外侧连接，左夹持末端水平放置的底面右侧直接与所述“H”字形连接梁的左侧“1”字形直梁的上方连接；所述右柔性支链、右连接梁和右夹持末端以所述球形接头和压电陶瓷驱动器为中心线，左右对称布装在机械手的右侧；所述柔性支链由两个水平横梁构成，两个水平横梁自上而下布置，每个水平横梁上均开有两组半圆凹槽，每组半圆凹槽为两个，上下对称分布在水平横梁左右两端的内外壁上；所述“H”字形连接梁两个“1”字形竖梁上半部分的左右侧壁上各开有一组半圆凹槽，每组半圆凹槽为两个，结构相同，左右对称；所述“L”字形连接梁竖直部分上端的左右侧壁上均对称开有一个半圆凹槽，所述“L”字形连接梁水平部分的上下侧壁上均对称开有一个半圆凹槽；所述的半圆凹槽形状结构完全相同。...

【技术特征摘要】
1.一种柔性微动机械手，其特征在于该机械手主要包括一个压电陶瓷驱动器、一个球形接头、一个“H”字形连接梁、一个“U”字形刚性支撑梁和一个底座，以及两个柔性支链、两个“L”字形连接梁和两个夹持末端； 所述球形接头安装在压电陶瓷驱动器的顶端，压电陶瓷驱动器的尾端通过螺纹刚性固定于所述“U”字形刚性支撑梁的中间内侧壁上，且使所述球形接头顶在所述“H”字形连接梁的“一”字形梁下端面的中间位置上，构成赫兹接触； 所述底座为“U”字形结构，其水平横梁的宽度比所述“U”字形刚性支撑梁对应部分的宽度宽之外，其余形状尺寸与所述“U”字形刚性支撑梁一致；所述“U”字形刚性支撑梁安装在“U”字形结构的底座上，且使两者的水平横梁的上端面对齐； 所述“L”字形连接梁包括左连接梁和右连接梁，左右形状对称一致；所述柔性支链包括左柔性支链和右柔性支链，左右两个柔性支链结构一样；其中左柔性支链布装连接在所述“H”字形连接梁的左侧“I”字形竖梁的左侧与所述“U”字形刚性支撑梁的左侧“I”字形竖梁的内侧之间；所述夹持末端包括左夹持末端和右夹持末端，两个夹持末端均为直角扇形结构，且左右形状结构对称一致，其弧形边为空置端，两个直边相互垂直，一个直边水平放置，另一...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾晓辉，刘今越，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
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