[发明专利]大范围多尺度集成微力检测与无线反馈的双晶片微夹持器

说明书

技术领域

本发明涉及一种微操作系统的末端执行器，特别涉及一种双晶片微夹持器，属于微操作与微机电技术领域。 

背景技术

微夹持器是微操作机器人末端执行与作业的工具，是关键部件之一。其性能好坏对发挥机器人作用，提高机器人效率有着至关重要的作用。 

按照目前国内外在微夹持器领域的研究成果来看，从夹持微型零件的方式上，微夹持器大体上可分为两类。一类是吸附式微夹持器，这类微夹持器利用真空、液体、静电等所产生的吸附力来抓取微型零件。目前所研发的吸附式微夹持器主要包括真空吸附式、静电吸附式、液体吸附式等。另一类是机械式微夹持器，这类微夹持器一般具有两个或多个手指，通过夹爪指部的运动产生夹持动作和夹持力，对微型物体的操作能够提供较大的灵活性。根据所产生驱动力的原理，机械式微夹持器又可分为形状记忆合金(SEM)微夹持器、静电力驱动微夹持器、压电陶瓷驱动微夹持器、电磁力驱动微夹持器等。 

华中科技大学研制的双晶片微夹钳，由两片压电陶瓷双晶片、固定件、驱动电源、形变检测单元、上位机、全桥电路和桥路电源组成。能夹持微小零件并具有钳夹弯曲形变检测功能。哈尔滨工业大学研制的组合式微夹持器，采用宏微结合的结构，通过直线电机和压电陶瓷双晶片的结合来完成夹持动作。 

总的来说，近年来国内外在微夹持器的研究上取得了较大的进展，但是这些成果几乎都是针对MEMS器件或者简单、特殊的一些零部件而设计的，对毫米级大小中间尺度的零件未有涉及。而且多只考虑了微夹持器的夹持功能的实现，而没有考虑微操作系统对微夹持器的定位精度的要求。多数不具备夹持力检测功能，即使有所涉及，其检测单元与上位机之间的联系也可能与其他部分产生干涉，受到空间上的限制。 

发明内容

本发明的目的在于提供的一种集成微力检测与无线反馈的微夹持器，该夹持器可夹持0.1mm以上的多尺度的零件，能满足微操作系统对微夹持器的定位精度的要求，可检测微小的夹持力，并将检测信号用无线通讯接口传输到上位机，由上位机输出反馈控制信号，调节压电陶瓷双晶片的位移，保证能安全的夹紧零件。 

本发明是通过如下技术方案实现的： 

本发明的大范围多尺度集成微力检测和无线反馈的双晶片微夹持器从功能上可以分为宏动开合模块、微动夹持模块、夹持加固模块、微力传感模块、数据采集模块、无线通讯接口模块和上位机模块七个功能模块。 

夹持加固模块可加强压电陶瓷双晶片的刚度，使其能保证固定的夹持输出力，夹持住较大零件。夹持加固模块由加固夹爪、转动轴、弹簧、电磁铁固定块、电磁铁动端、电磁铁定端和加固器支座组成。它们的连接关系为：加固夹爪通过转动轴固定在加固器支座上，加固夹爪之间有弹簧连接，电磁铁固定块和加固夹爪通过螺钉固定连接，电磁铁定端和电磁铁动端分别固定在两个电磁铁固定块上。加固器的加固夹爪的开合是通过电磁驱动和对称的两个杠杆式结构实现的。非工作状态下，电磁铁通电，电磁铁动端、电磁铁定端吸合，加固夹爪的夹持端松开。工作状态下，即压电陶瓷双晶片已弯曲到合适状态，已把零件夹紧时，电磁铁断电，电磁铁动端、电磁铁定端放开，依靠弹簧的压紧使加固夹爪的夹持端夹紧，从而从侧向夹紧压电陶瓷双晶片，保证固定的夹持输出力，避免在夹持和运输零件的过程中造成零件脱落。 

其它模块的具体功能和实现方式如下： 

宏动开合模块可实现直接夹持特征尺寸在2mm以上的零件，当夹持精密零件时，也可实现精密夹持时的粗定位，它由直线电机，支架与压电陶瓷双晶片组成。支架固定在直线电机上，压电陶瓷双晶片固定在支架上。通过直线电机带动支架左右移动，支架带动压电陶瓷双晶片左右移动，与固定夹爪配合，实现直接夹持特征尺寸在2mm以上的零件。当夹持精密零件时，实现压电陶瓷双晶片与固定夹爪之间的粗定位。 

微动夹持模块可实现对特征尺寸在2mm以下的零件的精密夹持。它由可调直流电源、压电陶瓷双晶片和固定夹爪组成。当对零件进行精密夹持时，在宏动开合模块完成粗定位之后，通过可调直流电源给压电陶瓷双晶片加直流电压，双晶片在不同大小的电压下会产生不同程度的弯曲，从而在2mm范围内改变双晶片与固定夹爪之间的距离，进而夹紧微小型零件。在夹持过程中，以固定夹爪作为基准，实现精确定位，这样就避免了两个夹爪均使用双晶片时因双晶片刚度不足而影响定位精度。 

微力传感模块、数据采集模块以及无线通讯接口模块和上位机模块共同完成微力检测功能。微力传感模块可实现将压电陶瓷双晶片的弯曲量转变为电信号，并将检测到的电信号传送到数据采集模块。