[发明专利]一种大行程柔性微操作器及旋转刺入装置

说明书

一种大行程柔性微操作器及旋转刺入装置，所述微操作器包含底座、工作台、压电驱动器和粘滑驱动平台；工作台固定在底座上，工作台包含台座、纵向位移块、横向位移块、柔性铰链、输出平台和横梁杆；纵向位移块的两侧通过支撑梁与台座连接，纵向位移块的两侧有呈对称设置的横向位移块，每个横向位移块分别通过柔性铰链与台座和横梁杆相连，横梁杆通过柔性铰链与台座相连，输出平台分别与台座和两个横梁杆柔性连接，纵向位移块由压电驱动器驱动，以实现输出平台作扭转运动，所述输出平台上安装有具有输出平动位移的粘滑驱动平台。该装置具有双驱双自由度功能，兼具高精度定位下的转动和移动，可实现细胞穿刺。

技术领域

本发明属于压电精密驱动领域，具体涉及一种大行程柔性微操作器及旋转刺入装置。可广泛运用于高精密加工成型、超精密位移控制、生物医学工程等需要精密定位精度和多自由度组合输出领域。

背景技术

微小精密驱动领域主要驱动方式为电磁驱动、记忆合金驱动、热膨胀驱动、静电驱动、物理相变驱动和压电驱动等，专注于悬浮细胞的机器人细胞操作技术得到了发展，广泛运用在甲状腺、前列腺等细胞检测领域中，为及早发现和控制癌细胞病变提供帮助。目前，细胞刺入方法主要有线性穿孔、旋转穿孔和横向振动穿孔，其中旋转穿孔应用最为广泛。

微纳技术的广泛应用推动了精密位移控制的研究及快速发展，微纳技术常作为各种形式的微动平台应用在众多精密微操作任务当中，微动平台系统的性能优劣直接影响着工作质量和效率。柔顺机构是一种利用构建自身的弹性变形来完成运动和力的传递功能及转换的新型机构，区别于传统刚性机构，柔性机构主要通过柔性构件的变形来实现机构的主要运动和功能。但是目前的柔性机构结构复杂，一般为双执行器驱动，执行器冗余和驱动力不足。基于粘滑驱动原理的压电驱动器具有伸缩行程大、抗电磁干扰能力强和精度高的优点，在精密驱动领域应用较多。但粘滑机构一般体积较大，小型化后回退现象较为严重且负载能力较低。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，提供一种大行程柔性微操作器及旋转刺入装置。该微操作器具有双自由度，可同时实现高精度定位下的转动和移动，旋转穿刺装置可实现双驱双自由度下的细胞穿刺。

一种大行程柔性微操作器包含底座、工作台、压电驱动器A和粘滑驱动平台；工作台固定在底座上，所述工作台包含台座、纵向位移块、横向位移块、柔性铰链A、柔性铰链B、输出平台和横梁杆；纵向位移块的两侧通过支撑梁与台座连接，纵向位移块的两侧有呈对称设置的横向位移块，每个横向位移块分别通过柔性铰链A与台座和横梁杆相连，横梁杆通过柔性铰链B与台座相连，输出平台分别与台座和两个横梁杆柔性连接，纵向位移块由压电驱动器驱动，以实现输出平台作扭转运动，所述输出平台上安装有具有输出平动位移的粘滑驱动平台。

进一步地，所述粘滑驱动平台包含固定台、紧固块、形变台、导轨块、滑块和压电驱动器B；固定台上固定有对称布置的两个紧固块，形变台可滑动地设置在两个紧固块之间，并由压电驱动器B驱动输出垂直于输出平台的平动位移。

一种基于所述大行程柔性微操作器的旋转刺入装置，包含大行程柔性微操作器、液压泵、细胞吸持器、培养皿、安装座和穿刺针；大行程柔性微操作器固定在安装座上，培养皿布置在安装座上，细胞吸持器由固定在安装座上的液压泵驱动，穿刺针的针套固定在滑块上，穿刺针的针头置于培养皿内，并作用于细胞。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明采用改进的SR机构和杠杆导向机构相结合的结构设计，放大了执行机构的输出位移，实现了单执行机构的纯中心旋转运动，弥补了传统采用双执行器导致的执行器冗余和驱动力不等的不足。

本发明基于粘滑驱动原理，利用行程放大结构的粘滑驱动平台，通过产生复合力的方式实现粘滑驱动的同时有效克服回退效应。整个柔性微操作器采用柔性铰链相连，通过线切割加工而成，使得整个柔性铰链和柔性微操作器成为一个整体。采用两部分柔性预紧装置使得机构适用工况范围变大。本发明整体结构紧凑、重量轻、方便加工、控制精度高适用于微操系统机器人系统和微机电系统。