[发明专利]一种两自由度超精密微细物体操作器及其激励方法

说明书

本发明公开了一种两自由度超精密微细物体操作器及其激励方法，属于压电驱动技术领域。解决了目前的微细物体操作器结构复杂、行程不足和自由度单一的技术问题。所述微细物体操作器由末端卡爪、驱动足、压电陶瓷管以及基座组成，其中压电陶瓷管为主要驱动元件，用以产生弯曲变形和伸缩变形，进而通过驱动足驱动末端卡爪的运动。本发明中的操作器可以通过多种激励方法产生末端卡爪沿自身轴线和绕自身轴线的超精密直线和旋转运动。基于不同的激励方法和工作场合，压电陶瓷管和驱动足的数量可以做出变化。本发明中的微细物体操作器结构紧凑、布置灵活，激励方法灵活多样、可靠性高，便于应用在需要进行微细物体操作的技术领域。

技术领域

本发明属于压电驱动技术领域，特别是涉及一种两自由度超精密微细物体操作器及其激励方法。

背景技术

随着科学技术的发展，人类对于微细物体的操作能力逐渐达到了亚微米乃至纳米尺度，这为人类的生产和生活带来了巨大的影响，显微手术、超高密度芯片、细胞操作、光纤对接与传输以及基因诊断等领域都需要对及其微细的物体进行操作和控制。利用逆压电效应，压电材料可以实现相当高的定位精度，因此压电驱动在这些领域中得到了十分广泛的应用。但是现有的压电驱动微细物体操作器普遍存在结构复杂、运动范围小、仅可实现单自由度运动以及激励方法单一等不足，因此发明一种可以实现大尺度和纳米级分辨力的超精密微细物体操作器对于生命科学、微纳米技术以及超精密领域具有十分重要的意义，它也受到了广泛的关注和研究。

要实现微细物体的精准操作，往往不需要操作器具有很大的驱动力，但是精准的定位、紧凑的结构以及稳定的激励方法却是其所必需的，结合大尺度和纳米级分辨力的驱动要求，本发明利用压电陶瓷管作为主要驱动元件，提出了一种结构紧凑、布置灵活多样的微细物体操作器的结构，并针对这种结构提出了多种不同的激励方法，用以满足不同的性能指标和应用条件，可以在一定程度上解决现有微细物体操作器所存在的一些弊端，在涉及微细物体操作的技术领域中具有广泛的应用前景，也会对扩展压电驱动的应用范围以及支持相关技术领域的发展产生深远的影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有微细物体操作器普遍存在的行程不足、结构复杂、难以实现多自由度驱动以及激励方法单一的技术问题，从而提出了一种两自由度超精密微细物体操作器及其激励方法。所采取的技术方案如下：

一种两自由度超精密微细物体操作器，所述操作器包括末端卡爪1、驱动足2、压电陶瓷管3以及基座4；所述末端卡爪1上设置有中心套或中心轴，所述基座4上设置有中心轴或中心套，所述末端卡爪1通过中心套或中心轴固定套装于所述基座4的中心轴或中心套上，并且只能做绕中心轴或中心套轴线方向的旋转运动以及沿中心轴或中心套轴线方向的直线运动；所述基座4保持固定，所述末端卡爪1输出沿自身轴线方向的直线运动和绕自身轴线方向的旋转运动；所述压电陶瓷管3的上端面与驱动足2固定连接，所述压电陶瓷管3的下端面与基座4固定连接。

进一步地，所述末端卡爪1上设置有与自身轴线平行的圆柱体或圆筒体结构；所述压电陶瓷管3的轴线与所述末端卡爪1的轴线平行；所述驱动足2套置于所述末端卡爪1的内侧，或者，所述驱动足2整体置于所述末端卡爪2的外侧；当所述驱动足2套置于所述末端卡爪1的内侧时，驱动足2压紧在末端卡爪1圆筒体结构的内柱面；当所述驱动足2整体置于所述末端卡爪2的外侧时，驱动足2压紧在末端卡爪1圆筒体或圆柱体的外柱面；在以上两种安装方式下，所述驱动足2均通过摩擦力驱动末端卡爪2的超精密运动。

进一步地，所述驱动足2和压电陶瓷管3的个数为大于0的整数，增加驱动足2和压电陶瓷管3的数量实现所述微细物体操作器负载能力的倍增。

进一步地，所述末端卡爪1上设置有卡紧机构，用以连接末端执行器，所述末端执行机构包括微细物体操作钳、微细物体注射管、微细物体穿刺针以及微细物体切割刀。