專利名稱：一種液滴微操作機(jī)械手及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液滴微操作技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種液滴微操作機(jī)械手及控制方法。
背景技術(shù)：
隨著機(jī)械電子產(chǎn)品的小型化，機(jī)電產(chǎn)品的元器件也逐漸趨向小型化，薄型化的發(fā)展趨勢。在微型部件的裝配中，往往涉及到微型部件位置和姿態(tài)的調(diào)整，這對微操作裝置提出了很高的要求。目前國內(nèi)外對于微小部件的裝配，主要有基于微操作工具的方法、真空吸附法與基于表面張力的方法等。南京航空航天大學(xué)韓江義所提出一種夾鉗式力反饋微遙操作系統(tǒng)，通過夾鉗式主手，壓電陶瓷驅(qū)動的微夾持器和主從式反饋控制模塊，可使操作者在遙微操作中有夾持力覺臨場感，實(shí)現(xiàn)對于微小物體的夾持和移動操作。日本名古屋大學(xué)的TAMIO開發(fā)的一種雙指微操作手，模仿筷子夾持物體的機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對于物體的拾取、移動、旋轉(zhuǎn)和釋放。雖然這種直接夾持方法比較穩(wěn)定，但是微尺度對于傳感器的精度提出了很高的要求，而且夾持操作難免會導(dǎo)致夾持部件的變形，對部件造成一些不良的影響。真空吸附法在微裝配中應(yīng)用最為廣泛，通過負(fù)壓的方式來吸持微小部件，但這種方法很難實(shí)現(xiàn)微小部件的姿態(tài)調(diào)整，而且對吸附表面有嚴(yán)格要求。日本琦玉大學(xué)的芳賀哲也提出了一種通過毛細(xì)管內(nèi)負(fù)壓借助液體表面張力間接吸持部件的方法。這種方法避免了直接夾持對物體帶來的擠壓，但是機(jī)械操作的靈活性降低，只能實(shí)現(xiàn)部件的移動操作，而無法實(shí)現(xiàn)部件三維空間內(nèi)姿態(tài)的調(diào)整。Imperial College London的Richard提出基于表面張力的自適應(yīng)微型機(jī)械裝置，裝置通過微型部件連接部位處的液體表面張力來控制連接部位的轉(zhuǎn)動角度；東京工業(yè)大學(xué)的Kaiji Sato提出了一種液體表面張力驅(qū)動微小部件自適應(yīng)定位方法，討論了自適應(yīng)運(yùn)動方法的影響因素和改進(jìn)方法，這些方法都是將表面張力應(yīng)用到微小物體的姿態(tài)調(diào)整中，但只能調(diào)整特定的姿態(tài)。除了上述的方法之外，微小機(jī)器人在微裝配中應(yīng)用也越來越多，但由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和應(yīng)用環(huán)境的限制，目前還沒有得到廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是針對現(xiàn)有基于液體表面張力的微操作技術(shù)不足，提供一種液滴微操作機(jī)械手，通過拉直的鎢絲棒的上下移動，控制液滴的形態(tài)，改變吸附在液滴表面的微小物體的姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)任何形狀的微小物體空間范圍內(nèi)位置和姿態(tài)的控制。進(jìn)一步地，提供一種液滴微操作機(jī)械手的控制方法。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
提供一種液滴微操作機(jī)械手，包括上、下定位板及設(shè)在上、下定位板之間的定位環(huán)；上定位板上安裝有多個微型步進(jìn)馬達(dá)；所述機(jī)械手還包括毛細(xì)微管，毛細(xì)微管的下端穿過定位環(huán)及下定位板；下定位板上安裝有與微型步進(jìn)馬達(dá)相同數(shù)目的多個三角形連接板，每個微型步進(jìn)馬達(dá)的絲桿式輸出軸與導(dǎo)軌均穿過定位環(huán)安裝在一個三角形連接板上，且該三角形連接板能夠沿著該微型步進(jìn)馬達(dá)的導(dǎo)軌移動；毛細(xì)微管的下端環(huán)繞有與三角形連接板相同數(shù)目且拉直的多根鎢絲棒，每個鎢絲棒的上端與一個三角形連接板連接；每個鎢絲棒的下端也穿過下定位板，液體通過毛細(xì)微管流入鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域并在鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域的下端端面形成液滴。優(yōu)選地，所述鎢絲棒為6-10根，且鎢絲棒的下端面表面光滑。優(yōu)選地，所述鎢絲棒為6根，6根鎢絲棒的直徑一致，鎢絲棒直線度小于0. 008mm,其長度為5cm-6cm，其直徑為300ii m -500 u m。優(yōu)選地,微型步進(jìn)馬達(dá)為6個,其單步移動的步長為小于0. 3um。優(yōu)選地，微型步進(jìn)馬達(dá)的頂端設(shè)有固定板，毛細(xì)微管的上端穿過該固定板；微型步進(jìn)馬達(dá)的絲桿式輸出軸通過矩形螺母安裝在三角形連接板上，矩形螺母能夠沿著微型步進(jìn)電機(jī)的導(dǎo)軌運(yùn)動，每個鎢絲棒通過膠水與對應(yīng)的三角形連接板固定連接。固定板通過螺栓固定在上定位板上，主要起固定作用。優(yōu)選地，所述毛細(xì)微管的外徑為Imm—0. 5mm,內(nèi)徑為0. 3-0. 7mm,且毛細(xì)微管的下端面縮進(jìn)六根鎢絲棒的下端面1. 5mm — 2_，液體通過注射器注入毛細(xì)微管中，并保持一定的壓力。進(jìn)一步地，提供一種液滴微操作機(jī)械手的控制方法，往毛細(xì)微管中注入液體，液體流經(jīng)鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域，在鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域的下端端面形成液滴；通過控制各鎢絲棒的上下移動量，改變鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域的下端端面形狀，使端面形成液滴的形態(tài)也隨之改變，基于表面張力吸附在液滴上的微小部件的姿態(tài)將隨之變化；當(dāng)鎢絲棒的上下移動時，液滴的位置隨之改變，從而實(shí)現(xiàn)對于微小部件位置和姿態(tài)控制?？梢赃x擇通過注射器或定量泵往毛細(xì)微管注入一定量的水并保持一定的壓力，從而在拉直的鎢絲棒的下端端面形成液滴；微小部件吸附液滴上。優(yōu)選地，通過改變每根鎢絲棒的直徑和根數(shù)，從而調(diào)整微小部件姿態(tài)控制的精度。優(yōu)選地，每根鎢絲棒分別由一個的微型步進(jìn)馬達(dá)獨(dú)立驅(qū)動，每個微型步進(jìn)馬達(dá)通過控制每根鎢絲棒的上下移動，控制液滴的形態(tài)，從而改變吸附在液滴表面的微小部件的姿態(tài)。優(yōu)選地，通過改變液體的種類，從而可以改變吸附的微小部件的重量限度。鎢絲棒的上下移動，液滴的形態(tài)會跟隨改變，吸附在液滴表面的微小物體的姿態(tài)改變，因此控制鎢絲棒的上下移動的距離，及移動順序就可實(shí)現(xiàn)對微小部件的姿態(tài)控制。鎢絲棒的上下移動的距離，及移動順序通過微型步進(jìn)電機(jī)精確控制。液滴的姿態(tài)和鎢絲棒的上下移動的距離通過另一套顯微裝置觀察和測量。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果
本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對微小元件的姿態(tài)的較精確控制。本發(fā)明的液滴和元件之間通過表面張力相互作用，作用力很小避免了直接夾持對物體帶來的擠壓對元件的破壞。微小部件姿態(tài)的控制則通過對微型步進(jìn)電機(jī)脈沖個數(shù)及電機(jī)的接通順序的控制來實(shí)現(xiàn)，控制方式簡單。本發(fā)明的方法是通過鎢絲棒的上下移動，控制液滴的形態(tài)，改變吸附在液滴表面的微小物體的姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)任何形狀的微小物體空間范圍內(nèi)位置和姿態(tài)的控制。本發(fā)明通過改變每根鎢絲棒的直徑和根數(shù)，可以調(diào)整微小物體姿態(tài)控制的精度。通過改變液體的種類，可以改變吸附的微小部件的重量限度。該方法簡單易行，適用于任意形狀微小物體的操作。


圖1是本發(fā)明液滴微操作機(jī)械手的結(jié)構(gòu)原理 圖2是毛細(xì)微管的下端環(huán)繞多根鎢絲棒的結(jié)構(gòu)示意 圖3是圖2的俯視 圖4、圖5是不同姿態(tài)的吸附 圖6是圖1的A-A剖視 圖7是本發(fā)明的控制原理 圖8-13是微小部件傾斜角的狀態(tài)變化過程 圖14-23是微小部件旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)變化過程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的發(fā)明目的作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，實(shí)施例不能在此一一贅述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不因此限定于以下實(shí)施例。除非特別說明，本發(fā)明采用的材料和加工方法為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)材料和加工方法。如圖1、2、3與6所示，一種液滴微操作機(jī)械手，包括上、下定位板(4、2)及設(shè)在上、下定位板(4、2)之間的定位環(huán)3。上定位板4上安裝有多個微型步進(jìn)馬達(dá)8。機(jī)械手還包括毛細(xì)微管9，毛細(xì)微管9的下端穿過定位環(huán)3及下定位板2。下定位板2上安裝有與微型步進(jìn)馬達(dá)相同數(shù)目的多個三角形連接板13，每個微型步進(jìn)馬達(dá)的絲桿式輸出軸10與導(dǎo)軌11均穿過定位環(huán)3安裝在一個三角形連接板13上，且該三角形連接板13能夠沿著該微型步進(jìn)馬達(dá)8的導(dǎo)軌移動。毛細(xì)微管9的下端環(huán)繞有與三角形連接板相同數(shù)目且拉直的多根鎢絲棒1，每個鎢絲棒的上端與一個三角形連接板連接。每個鎢絲棒的下端也穿過下定位板，液體通過毛細(xì)微管9流入鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域并在鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域的下端端面形成液滴。毛細(xì)微管的外徑為Imm—0. 5mm,內(nèi)徑為0. 3-0. 7mm,且毛細(xì)微管的下端面縮進(jìn)六根鎢絲棒的下端面1. 5mm — 2_，液體通過注射器注入毛細(xì)微管中，并保持一定的壓力。鎢絲棒為6根，6根鎢絲棒的直徑一致，鎢絲棒直線度為0.008mm，其長度為5cm-6cm,其直徑為300 ii m -500 u m。鶴絲棒的下端面表面光滑。微型步進(jìn)馬達(dá)為6個，其單步移動的步長為小于0. 3um。微型步進(jìn)馬達(dá)的頂端設(shè)有固定板，毛細(xì)微管的上端穿過該固定板；微型步進(jìn)馬達(dá)的絲桿式輸出軸通過矩形螺母安裝在三角形連接板上，三角形連接板能夠沿著微型步進(jìn)電機(jī)的導(dǎo)軌運(yùn)動，每個鎢絲棒通過膠水與對應(yīng)的三角形連接板固定連接。固定板通過螺栓固定在上定位板上，主要起固定作用。進(jìn)一步地，提供一種液滴微操作機(jī)械手的控制方法，往毛細(xì)微管中注入液體，液體流經(jīng)鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域，在鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域的下端端面形成液滴；通過控制各鎢絲棒的上下移動量，改變鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域的下端端面形狀，使端面形成液滴的形態(tài)也隨之改變，基于表面張力吸附在液滴上的微小部件的姿態(tài)將隨之變化；當(dāng)鎢絲棒的上下移動時，液滴的位置隨之改變，從而實(shí)現(xiàn)對于微小部件位置的姿態(tài)控制?？梢赃x擇通過注射器或定量泵往毛細(xì)微管注入一定量的水并保持一定的壓力，從而在拉直的鎢絲棒的下端端面形成液滴；微小部件吸附液滴上，如圖4和5所示。通過改變每根鎢絲棒的直徑和根數(shù)，從而調(diào)整微小部件姿態(tài)控制的精度。每根鎢絲棒分別由一個的微型步進(jìn)馬達(dá)獨(dú)立驅(qū)動，每個微型步進(jìn)馬達(dá)通過控制每根鎢絲棒的上下移動，控制液滴的形態(tài)，從而改變吸附在液滴表面的微小部件的姿態(tài)。通過改變液體的種類，從而可以改變吸附的微小部件的重量限度。鎢絲棒的上下移動，液滴的形態(tài) 會跟隨改變，吸附在液滴表面的微小物體的姿態(tài)改變，因此控制鎢絲棒的上下移動的距離，及移動順序就可實(shí)現(xiàn)對微小部件的姿態(tài)控制。鎢絲棒的上下移動的距離，及移動順序通過微型步進(jìn)電機(jī)精確控制。液滴的姿態(tài)和鎢絲棒的上下移動的距離通過另一套顯微裝置觀察和測量。計(jì)算機(jī)輸出信號通過模擬輸出卡轉(zhuǎn)換并經(jīng)放大器放大，進(jìn)而驅(qū)動微型步進(jìn)馬達(dá)，如圖7所示。往毛細(xì)微管注入液體之前都要通過顯微裝置觀察和測量確保六個拉直的鎢絲棒平齊。用定量泵往毛細(xì)微管注入液體在鎢絲棒底斷面形成液滴。在液滴吸附微小物體時，液液體與物體之間會形成液橋如圖8所示。鎢絲棒b向上運(yùn)動2次，每次移動0.1mm,如圖9-10所示狀態(tài)。鎢絲棒a，c與鎢絲棒b同時向上運(yùn)動，每次運(yùn)動0. 1mm，移動3次，如圖11-13所示。鎢絲棒b與靜止的鎢絲棒d，e，f 相差0.5mm，鎢絲棒b與鎢絲棒a，c相差
0.2mm，形成圖13所示的階梯狀。通過步驟1、2、3、4中每根拉直的鎢絲棒的運(yùn)動距離，可以控制微小部件的任意傾斜角度。往毛細(xì)微管注入液體之前都要通過顯微裝置觀察和測量確保六跟拉直的鎢絲棒平齊。用定量泵往毛細(xì)微管注入液體在鎢絲棒底斷面形成液滴。在液滴吸附微小部件時，液體與物體之間會形成液橋如圖14所示。鶴絲棒b緩緩向上移動,微小部件稍傾斜，延遲適當(dāng)時間，鎢絲棒c開始緩慢向上移動，微小部件保持傾斜狀態(tài)開始逆時針旋轉(zhuǎn)，如圖14-16所示。鶴絲棒d也開始緩慢上升,此時鶴絲棒b已開始緩慢向下移動,如圖17所示。鶴絲棒e、f、a、b相繼緩慢向上移動，然后又相繼向下緩慢恢復(fù)原位，在這個過程中微小部件逆時針旋轉(zhuǎn)如圖18-23所示。微小部件逆時針旋轉(zhuǎn)了 360°，整個過程如圖21所示，通過改變鎢絲棒的移動順序可控制微小部件的旋轉(zhuǎn)方向。由上述分析可知，通過調(diào)整Iabview程序中各通道脈沖的個數(shù)及電機(jī)的接通順序，便可以使機(jī)械手按照指定運(yùn)動策略移動，實(shí)現(xiàn)對微小部件任意姿態(tài)的控制。上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。即凡依本發(fā)明內(nèi)容所作的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種液滴微操作機(jī)械手，其特征在于包括上、下定位板及設(shè)在上、下定位板之間的定位環(huán)；上定位板上安裝有多個微型步進(jìn)馬達(dá)；所述機(jī)械手還包括毛細(xì)微管，毛細(xì)微管的下端穿過定位環(huán)及下定位板；下定位板上安裝有與微型步進(jìn)馬達(dá)相同數(shù)目的多個三角形連接板，每個微型步進(jìn)馬達(dá)的絲桿式輸出軸與導(dǎo)軌均穿過定位環(huán)安裝在一個三角形連接板上，且該三角形連接板能夠沿著該微型步進(jìn)馬達(dá)的導(dǎo)軌移動；毛細(xì)微管的下端環(huán)繞有與三角形連接板相同數(shù)目且拉直的多根鎢絲棒，每個鎢絲棒的上端與一個三角形連接板連接；每個鎢絲棒的下端也穿過下定位板，液體通過毛細(xì)微管流入鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域并在鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域的下端端面形成液滴。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液滴微操作機(jī)械手，其特征在于所述鎢絲棒為6-10根，且鎢絲棒的下端面表面光滑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液滴微操作機(jī)械手，其特征在于所述鎢絲棒為6根，6根鎢絲棒的直徑一致，其長度為5cm-6cm，鎢絲棒直線度小于為O. 008mm，其直徑為300 μm -500 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的液滴微操作機(jī)械手，其特征在于微型步進(jìn)馬達(dá)為6個，其單步移動的步長為小于O. 3um。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的液滴微操作機(jī)械手，其特征在于微型步進(jìn)馬達(dá)的頂端設(shè)有固定板，毛細(xì)微管的上端穿過該固定板；微型步進(jìn)馬達(dá)的絲桿式輸出軸通過矩形螺母安裝在三角形連接板上，矩形螺母能夠沿著微型步進(jìn)電機(jī)的導(dǎo)軌運(yùn)動，每個鎢絲棒通過膠水與對應(yīng)的三角形連接板固定連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的液滴微操作機(jī)械手，其特征在于所述毛細(xì)微管的外徑為Imm—O. 5mm,內(nèi)徑為O. 3-0. 7mm,且毛細(xì)微管的下端面縮進(jìn)六根鶴絲棒的下端面1.5mm一2mm,液體通過注射器注入毛細(xì)微管中。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的液滴微操作機(jī)械手的控制方法，其特征在于往毛細(xì)微管中注入液體，液體流經(jīng)鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域，在鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域的下端端面形成液滴；通過控制各鎢絲棒的上下移動量，改變鎢絲棒所圍成的環(huán)形區(qū)域的下端端面形狀，使端面形成液滴的形態(tài)也隨之改變，基于表面張力吸附在液滴上的微小部件的姿態(tài)將隨之變化；當(dāng)鎢絲棒的上下移動時，液滴的位置隨之改變，從而實(shí)現(xiàn)對于微小部件位置和姿態(tài)的控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制方法，其特征在于通過改變每根鎢絲棒的直徑和根數(shù)，從而調(diào)整微小部件姿態(tài)控制的精度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制方法，其特征在于每根鎢絲棒分別由一個的微型步進(jìn)馬達(dá)獨(dú)立驅(qū)動，每個微型步進(jìn)馬達(dá)通過控制每根鎢絲棒的上下移動，改變鎢絲棒群所圍成的環(huán)形區(qū)域的下端端面形狀，控制液滴的形態(tài)，從而改變吸附在液滴表面的微小部件的姿態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制方法，其特征在于通過改變液體的種類，從而可以改變吸附的微小部件的重量限度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種液滴微操作機(jī)械手，包括上、下定位板及設(shè)在上、下定位板之間的定位環(huán)；上定位板上安裝有多個微型步進(jìn)馬達(dá)；機(jī)械手還包括毛細(xì)微管，毛細(xì)微管的下端穿過定位環(huán)及下定位板；下定位板上安裝有與微型步進(jìn)馬達(dá)相同數(shù)目的多個三角形連接板，每個微型步進(jìn)馬達(dá)的絲桿式輸出軸與導(dǎo)軌均穿過定位環(huán)安裝在一個三角形連接板上，且該三角形連接板能夠沿著該微型步進(jìn)馬達(dá)的導(dǎo)軌移動；毛細(xì)微管的下端環(huán)繞有與三角形連接板相同數(shù)目且拉直的多根鎢絲棒，每個鎢絲棒的上端與一個三角形連接板連接。本發(fā)明通過改變每根鎢絲棒的直徑和根數(shù)，可以調(diào)整微小物體姿態(tài)控制的精度。該方法簡單易行，適用于任意形狀微小物體的操作。
文檔編號B25J9/10GK103009387SQ201210554568
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者張勤, 甘裕明, 劉俊, 青山尚之 申請人:華南理工大學(xué)