專利名稱：雙晶片微夾鉗的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機器人技術和微機電技術領域，具體地說，它是一種微操作機器人的末端執(zhí)行器。
背景技術：
近年來，微電子機械技術發(fā)展迅速，對微操作系統(tǒng)和裝置的需求越來越大。微夾鉗作為一種典型的微執(zhí)行機構，不僅可作為微操作機械手的手爪，而且在微機械零件的加工、裝配、生物工程和光學工程等領域均有很好的應用前景。因此，微夾鉗及其相關的研究已成為國內(nèi)外微操作機器人和微機電研究領域的一個前沿課題。
目前，國內(nèi)外正在研究的微夾鉗種類較多，根據(jù)能量供給、驅動方式和制作材料的不同，大體上有靜電式、電磁式、壓電式、液體(真空)吸附式、形狀記憶合金、以及光捕獲式微夾鉗(光鉗)等。如日本Nagoya大學的F.Arai等人研究的“用于微操作的粘著型微型末端執(zhí)行器”，提出了一種用于微操作的新型拾放方法，該方法基于微型孔內(nèi)溫度變化而產(chǎn)生的壓力變化，使末端執(zhí)行器表面的吸附力改變而拾起和放下物體。瑞士聯(lián)邦技術學院的W.Zesch等人研究的“借助納米機器人搬運微型物體的真空工具”，研究了一種由玻璃吸管和計算機控制的真空源組成的真空夾持工具，并將該工具集成到瑞士聯(lián)邦技術研究所的機器人(Namo Robot)上進行測試，它可抓取尺寸為100μm的金剛石晶體，并把它放置到任意位置。日本東京大學的Hideki Miyazaki等人研究的“微粒物體三維結構的機械裝配”，分析了微粒物體間的動力學及其操作原理與實驗方法。國內(nèi)由華中科技大學黃心漢等研制的“適用于亞毫米級微小物體操作的真空拾放裝置”已成功應用于微裝配機器人系統(tǒng)中，該裝置由真空單元、控制單元和吸管構成，通過調(diào)節(jié)吸管尖端的正負氣壓，實現(xiàn)對亞毫米級微小物體和零件的可靠吸附、釋放和搬運操作。
從上面介紹的技術背景來看，國內(nèi)外雖然對微夾鉗的研究取得了一些進展，但還存在如下問題有些方法在原理上可行，但響應速度慢，不能滿足實時操作的要求；大多數(shù)裝置對操作對象的形狀有一定要求，不能適應異形零件和物體的操作，使其應用范圍受到限制或不具有通用性。
瑞典Uppsala大學的Greger Thomell等人所提出的文獻GregerThomell，Mats Bexell，Jan-Ake Schweitz and Stefan Johansson.TheDesign and Fabrication of a Gripping Tool for Micomanipulation.The8th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators，and Eurosensors IX，Stockholm，Sweden.June 25-29，1995，PP.388-391。選用強度高、重量輕和耐腐蝕耐高溫的鋁釩鈦合金材料加工成微夾鉗，采用壓電陶瓷塊驅動，通過機械(結構)放大，使鉗口的張開與閉合滿足對微型物體和零件的可靠夾取與放置。該微夾鉗屬間接驅動方式，結構比較復雜，體積和外形尺寸較大，難以應用在基于顯微視覺的微操作系統(tǒng)中；對材料和加工工藝要求很高，難以推廣應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足之處，提供一種結構簡單、體積小、重量輕、操作方便，且具有鉗夾彎曲形變檢測功能的直接驅動式雙晶片微夾鉗，能對不同形狀和材質的亞毫米級微小物體和零件進行可靠抓取、釋放和搬運，為微操作機器人系統(tǒng)和微機電系統(tǒng)提供一種有效實用的末端執(zhí)行器裝置。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是，一種雙晶片微夾鉗由第一雙晶片、第二雙晶片、固定件、驅動電源、形變檢測單元、上位機、全橋電路及其橋路電源組成；第一雙晶片和第二雙晶片的一端固定在固定件一端的側面，另一端懸空；驅動電源為直流電源，為雙晶片提供驅動電壓，雙晶片在驅動電壓的作用下產(chǎn)生彎曲形變，其輸出電壓的大小和極性由上位機控制；全橋電路由四片應變片構成，第一應變片和第二應變片分別粘貼在第一雙晶片的外表面和內(nèi)表面，第三應變片和第四應變片分別粘貼在第二雙晶片的外表面和內(nèi)表面，全橋電路的輸出與形變檢測單元的輸入端連接；形變檢測單元用來檢測雙晶片的彎曲形變，再將彎曲形變信號反饋給上位機。
所述形變檢測單元可由信號放大器、濾波器、A/D轉換器和單片機組成，并依次連接。
所述驅動電源與第一雙晶片、第二雙晶片的連接，全橋電路與橋路電源及形變檢測單元的連接均可通過固定件上的接線端子。
本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)采用壓電陶瓷雙晶片直接驅動方式，結構簡單，易于實現(xiàn)；(2)可根據(jù)操作對象的大小選用不同長度和寬度的雙晶片；(3)具有雙晶片彎曲形變檢測功能，可為微操作系統(tǒng)提供鉗夾彎曲形變反饋信號；(4)體積小、重量輕、操作方便，可廣泛適用于微操作機器人系統(tǒng)和微機電系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明一種實施例的結構示意圖。
圖2為圖1中固定件和雙晶片的右視圖。
圖3為圖1中雙晶片與驅動電源的接線圖。
圖4為圖1中應變片全橋電路的連接圖和形變檢測單元的電路圖。
圖5為圖1中雙晶片工作狀態(tài)示意圖，其中圖5(a)表示初始狀態(tài)，圖5(b)表示加正壓狀態(tài)，圖5(c)表示加負壓狀態(tài)。
具體實施例方式
由圖1～圖4所示，本發(fā)明由第一雙晶片1、第二雙晶片2、固定件3、驅動電源4、形變檢測單元5、上位機6、全橋電路7和橋路電源8組成。
第一雙晶片1和第二雙晶片2為壓電陶瓷晶片，第一雙晶片1、第二雙晶片2的一端分別固定在固定件3一端的側面，最好呈中心對稱，而另一端懸空，處于自由狀態(tài)，形成手指狀，兩片雙晶片作為微夾鉗的鉗夾。固定件3的另一端與微操作機械手連接，固定件3由絕緣材料加工而成，其橫截面為長方形。當然，也可為正方形、圓形等其它形狀。
驅動電源4為直流驅動電源，可通過RS232接口與上位機6連接，上位機6可為PC機或工控機，驅動電源4輸出電壓的大小和極性由上位機6控制，輸出電壓可通過固定件3上的接線端子與第一雙晶片1和第二雙晶片2連接，為雙晶片1和2提供合適大小和極性的驅動電壓，雙晶片在驅動電壓的作用下會產(chǎn)生彎曲形變。
驅動電源4與第一雙晶片1和第二雙晶片2的連接方式如圖3所示，驅動電源4的輸出電壓一端通過固定件3上的接線端子與第一雙晶片1的中間金屬片14和第二雙晶片2的二片壓電陶瓷晶片16和18的外表面連接，驅動電源4的輸出電壓另一端通過固定件3上的接線端子與第二雙晶片2的中間金屬片17和第一雙晶片1的二片壓電陶瓷晶片13和15的外表面連接，改變驅動電源4輸出電壓的大小和極性，第一雙晶片1和第二雙晶片2的彎曲形變的程度和方向就會發(fā)生相應變化。
全橋電路7由第一應變片R1、第二應變片R2、第三應變片R3和第四應變片R4構成，第一應變片R1和第二應變片R2分別粘貼在第一雙晶片1的外表面和內(nèi)表面，第三應變片R3和第四應變片R4分別粘貼在第二雙晶片2的外表面和內(nèi)表面，第一應變片R1與第四應變片R4的連接點、第二應變片R2與第三應變片R3的連接點為全橋電路7的電源輸入端，第一應變片R1與第二應變片R2的連接點、第三應變片R3和第四應變片R4的連接點為全橋電路7的檢測信號輸出端。全橋電路7的電源輸入可經(jīng)固定件3上的接線端子與橋路電源8連接，橋路電源8為全橋電路7提供直流電源，全橋電路7的輸出可經(jīng)固定件3上的接線端子與形變檢測單元5的輸入端連接。
形變檢測單元5用來檢測雙晶片彎曲形變的大小，其輸出可通過USB接口與上位機6連接，將雙晶片的彎曲形變信號反饋給上位機6。
形變檢測單元5可由信號放大器9、濾波器10、A/D轉換器11和單片機12組成，并依次連接。信號放大器9的兩個輸入端連接全橋電路7的兩個輸出端，單片機12經(jīng)USB接口與上位機6連接。
當施加在雙晶片上的驅動電壓為0V時，雙晶片處于初始狀態(tài)(常態(tài))，不發(fā)生彎曲形變；當驅動電壓為正時，兩片雙晶片同時向內(nèi)彎曲，彎曲程度由驅動電壓大小決定；當驅動電壓為負時，兩片雙晶片同時向外彎曲，彎曲程度由驅動電壓大小決定。通過控制驅動電源4輸出驅動電壓的大小和極性，可改變雙晶片彎曲的程度和方向，即調(diào)整微夾鉗的開閉程度，達到可靠抓取或釋放不同尺寸的微小物體和零件的目的。
當雙晶片處于常態(tài)不發(fā)生彎曲形變時，全橋電路7輸出為0。當雙晶片發(fā)生彎曲形變時，全橋電路7輸出與雙晶片彎曲形變的大小和方向有關的微弱信號，該信號經(jīng)信號放大器9進行放大，然后由濾波器10進行濾波，再由A/D轉換器11進行模擬-數(shù)字轉換，最后經(jīng)過單片機12進行數(shù)據(jù)采集，將所得到的雙晶片彎曲形變的數(shù)值信號送給上位機6。
以下對照圖5(a)～圖5(c)說明雙晶片的工作狀態(tài)。
第一雙晶片1、第二雙晶片2為兩片相同的長方形薄片，其長可為3000μm、寬可為250μm(見圖2)，兩片雙晶片構成微夾鉗上下鉗夾(手指)，將兩片雙晶片1和2的一端分別安裝在固定件3一端的側面插口內(nèi)，另一端處于自由狀態(tài)，插口間隙(即雙晶片手指在常態(tài)時的開口距離)為500μm，固定件3的另一端與微操作機械手連接。驅動電源4可為3646A型可編程直流電源，提供0～70V直流電壓。壓電陶瓷雙晶片1和2在合適電壓的作用下(通常為0～70V直流電壓)會產(chǎn)生彎曲形變。當電源電壓為0V時，微夾鉗處于圖5(a)所示的初始狀態(tài)(常態(tài))；當驅動電源電壓為+70V時，微夾鉗處于圖5(b)所示的閉合狀態(tài)；當驅動電源電壓為-70V時，微夾鉗處于圖5(c)所示的全張開狀態(tài)，微夾鉗末端開口的變化范圍為0～1000μm，可適應亞毫米級微小物體和零件的抓取、釋放和搬運。
如果要滿足毫米級物體的抓取、釋放和搬運，只需調(diào)整驅動電源4的輸出電壓范圍、改變雙晶片的長度或初始狀態(tài)的間隙。
權利要求
1.一種雙晶片微夾鉗，其特征在于由第一雙晶片(1)、第二雙晶片(2)、固定件(3)、驅動電源(4)、形變檢測單元(5)、上位機(6)、全橋電路(7)及其橋路電源(8)組成；第一雙晶片(1)和第二雙晶片(2)的一端固定在固定件(3)一端的側面，另一端懸空；驅動電源(4)為直流電源，為雙晶片提供驅動電壓，雙晶片在驅動電壓的作用下產(chǎn)生彎曲形變，其輸出電壓的大小和極性由上位機(6)控制；全橋電路(7)由四片應變片構成，第一應變片(R1)和第二應變片(R2)分別粘貼在第一雙晶片(1)的外表面和內(nèi)表面，第三應變片(R3)和第四應變片(R4)分別粘貼在第二雙晶片(2)的外表面和內(nèi)表面，全橋電路(7)的輸出與形變檢測單元(5)的輸入端連接；形變檢測單元(5)用來檢測雙晶片的彎曲形變，再將彎曲形變信號反饋給上位機(6)。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙晶片微夾鉗，其特征在于所述形變檢測單元(5)由信號放大器(9)、濾波器(10)、A/D轉換器(11)和單片機(12)組成，并依次連接。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的雙晶片微夾鉗，其特征在于驅動電源(4)與第一雙晶片(1)、第二雙晶片(2)的連接，全橋電路(7)與橋路電源(8)和形變檢測單元(5)的連接均是通過固定件(3)上的接線端子。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙晶片微夾鉗，包括兩片壓電陶瓷雙晶片、固定件、驅動電源、形變檢測單元、上位機、全橋電路和橋路電源，兩片雙晶片的一端固定在固定件一端的側面，另一端懸空，驅動直流電源為雙晶片提供驅動電壓，雙晶片在驅動電壓的作用下產(chǎn)生彎曲形變，其輸出電壓的大小和極性由上位機控制，全橋電路由四片應變片構成，分別粘貼在雙晶片的內(nèi)、外表面，全橋電路的輸出與形變檢測單元的輸入端連接，形變檢測單元將檢測到的雙晶片的彎曲形變信號反饋給上位機。本發(fā)明的優(yōu)點是結構簡單、體積小、重量輕、操作方便，且具有鉗夾彎曲形變檢測功能，可廣泛適用于微操作機器人系統(tǒng)和微機電系統(tǒng)。
文檔編號B25J7/00GK1623740SQ20041006134
公開日2005年6月8日 申請日期2004年12月13日 優(yōu)先權日2004年12月13日
發(fā)明者黃心漢, 王敏, 呂遐東, 蔡建華 申請人:華中科技大學