本申請(qǐng)屬于微納米技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種單指結(jié)構(gòu)、微操作夾持器和微操作系統(tǒng)，用于航空航天、光學(xué)、醫(yī)療、生物等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，微納米技術(shù)的發(fā)展非常迅猛。在微米技術(shù)方面，微操作器、微機(jī)械零件、微泵、微電機(jī)系統(tǒng)及微驅(qū)動(dòng)等技術(shù)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究與關(guān)注；在納米技術(shù)方面，納米材料、納米動(dòng)力學(xué)、納米生物學(xué)及納米電子學(xué)等技術(shù)發(fā)展極其迅速。微操作執(zhí)行器也叫微操作工具，是實(shí)現(xiàn)微對(duì)象的夾持、搬運(yùn)、釋放及組裝的關(guān)鍵部件。隨著各式各樣的微器件的出現(xiàn)，微納米操作技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用于航空航天、光學(xué)、醫(yī)療、生物等領(lǐng)域。

近年來(lái)，微納米技術(shù)的發(fā)展非常迅猛。在微米技術(shù)方面，微操作器、微機(jī)械零件、微泵、微電機(jī)系統(tǒng)及微驅(qū)動(dòng)等技術(shù)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究與關(guān)注；在納米技術(shù)方面，納米材料、納米動(dòng)力學(xué)、納米生物學(xué)及納米電子學(xué)等技術(shù)發(fā)展極其迅速。微操作執(zhí)行器也叫微操作工具，是實(shí)現(xiàn)微對(duì)象的夾持、搬運(yùn)、釋放及組裝的關(guān)鍵部件。隨著各式各樣的微器件的出現(xiàn)，微納米操作技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用于航空航天、光學(xué)、醫(yī)療、生物等領(lǐng)域。

大多數(shù)的微夾持器的設(shè)計(jì)中都包含1到3個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)模塊。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所的張大鵬等人研究制造了一種一體式微夾持器。該款?yuàn)A持器一端夾爪固定于支架上，另一端由壓電陶瓷致動(dòng)器完成單個(gè)自由度驅(qū)動(dòng)，夾持器采用柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)完成位移的輸入與輸出的轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)直徑150μm的微玻璃管進(jìn)行了夾持操作。一體式夾持器的設(shè)計(jì)方案，往往功能單一，可執(zhí)行的操作任務(wù)較為局限。

A.F.Alogla等人制作的微夾持器，整個(gè)夾持器包含了兩個(gè)夾爪。該微夾持器的夾爪可以光刻蝕的方式加工制造，夾持動(dòng)作由氣動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)。氣動(dòng)式驅(qū)動(dòng)部分由進(jìn)氣口、薄膜氣囊組成。當(dāng)氣體通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入薄膜氣囊時(shí)，氣囊變形實(shí)現(xiàn)夾爪夾持的動(dòng)作。氣動(dòng)式夾爪末端的最大張開距離為1mm，最大輸出力可以達(dá)到50mN，該夾爪還完成了直徑200μm微球的拾取和釋放實(shí)驗(yàn)。由于采用氣動(dòng)方式控制，夾持器尺寸較大，執(zhí)行精度相對(duì)較差。

綜上所述，目前微夾持器往往操作對(duì)象類型有限，功能單一，可完成的操作任務(wù)有限，而且?jiàn)A持的精度普遍不高。

微對(duì)象的拾取、搬運(yùn)及釋放是一項(xiàng)精度要求很高的微操作技術(shù)。單一類型的微對(duì)象操作已經(jīng)滿足不了現(xiàn)實(shí)的科研需求。單一末端的夾持器工具無(wú)法實(shí)現(xiàn)多類型對(duì)象的操作。采用傳統(tǒng)先制造再驗(yàn)證的方法，大大增加了一體式微夾持器的研制成本。因此，具有多指和可替換末端的柔性微操作執(zhí)行器的研制具有重要的研究意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種一種柔性化多指微操作夾持器，可以利用夾持器多指的特點(diǎn)，并通過(guò)不同的操作方法，實(shí)現(xiàn)多種微操作對(duì)象的拾取與放置操作。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

本申請(qǐng)實(shí)施例公開了一種微操作夾持器單指結(jié)構(gòu)，包括上下間隔設(shè)置的固定梁和支撐臂，所述固定梁和支撐臂之間連接有一柔性鉸鏈、一回彈機(jī)構(gòu)和一壓電陶瓷致動(dòng)器，所述壓電陶瓷致動(dòng)器位于所述柔性鉸鏈和回彈機(jī)構(gòu)之間，所述支撐臂的末端固定有執(zhí)行末端，所述壓電陶瓷致動(dòng)器上下動(dòng)作以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行末端在杠桿作用下上下擺動(dòng)。

優(yōu)選的，在上述的微操作夾持器單指結(jié)構(gòu)中，所述壓電陶瓷致動(dòng)器與柔性鉸鏈之間的距離小于壓電陶瓷致動(dòng)器與回彈機(jī)構(gòu)之間的距離。

優(yōu)選的，在上述的微操作夾持器單指結(jié)構(gòu)中，所述執(zhí)行末端采用可拆卸粘接劑實(shí)現(xiàn)固定在支撐臂的末端。

優(yōu)選的，在上述的微操作夾持器單指結(jié)構(gòu)中，所述壓電陶瓷致動(dòng)器的一端通過(guò)螺釘固定于所述固定梁上。

優(yōu)選的，在上述的微操作夾持器單指結(jié)構(gòu)中，所述執(zhí)行末端為鎢探針或光纖。

相應(yīng)的，本申請(qǐng)還公開了一種微操作夾持器，包括微動(dòng)調(diào)節(jié)座、以及安裝于微動(dòng)調(diào)節(jié)座上的至少一個(gè)所述的單指結(jié)構(gòu)，所述微動(dòng)調(diào)節(jié)座上開設(shè)有至少一個(gè)調(diào)節(jié)槽，每個(gè)所述調(diào)節(jié)槽內(nèi)設(shè)置有一個(gè)調(diào)整塊，每個(gè)所述單指結(jié)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)安裝于一個(gè)調(diào)整塊上，所述調(diào)整塊與微動(dòng)調(diào)節(jié)座之間通過(guò)柔性鉸鏈連接，所述微動(dòng)調(diào)節(jié)座上設(shè)置有X軸調(diào)節(jié)螺釘和Y軸調(diào)節(jié)螺釘，所述X軸調(diào)節(jié)螺釘和Y軸調(diào)節(jié)螺釘作用于調(diào)整塊以實(shí)現(xiàn)X軸和Y軸方向位移調(diào)節(jié)，所述X軸和Y軸所在平面與微動(dòng)調(diào)節(jié)座共面。

優(yōu)選的，在上述的微操作夾持器中，所述調(diào)整塊上開設(shè)有螺紋孔，該螺紋孔內(nèi)配合設(shè)置有Z軸調(diào)節(jié)螺釘，該Z軸調(diào)節(jié)螺釘作用于調(diào)整塊以實(shí)現(xiàn)其Z軸方向的位移調(diào)節(jié)。

優(yōu)選的，在上述的微操作夾持器中，所述微動(dòng)調(diào)節(jié)座上設(shè)置有呈三角形排列的三個(gè)單指結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，在上述的微操作夾持器中，所述所述微動(dòng)調(diào)節(jié)座與角度調(diào)節(jié)臂連接，該角度調(diào)節(jié)臂包括基座、第一調(diào)節(jié)臂和第二調(diào)節(jié)臂，所述第一調(diào)節(jié)臂的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接于基座上，另一端與第二調(diào)節(jié)臂的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述第二調(diào)節(jié)臂的另一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接于所述微動(dòng)調(diào)節(jié)座上。

相應(yīng)的，本申請(qǐng)還公開了一種微操作系統(tǒng)，包括：

用以承載待操作微對(duì)象的工作臺(tái)；

所述的微操作夾持器，該微操作夾持器對(duì)工作臺(tái)上的微對(duì)象至少可實(shí)現(xiàn)拾取、搬運(yùn)、釋放和組裝；

對(duì)操作過(guò)程實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像采集的顯微鏡，該顯微鏡通過(guò)CMOS相機(jī)將圖像信息輸出至顯示器顯示。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明微動(dòng)多指柔性操作夾持器能夠適應(yīng)多執(zhí)行末端的自由切換，工作模式可以在單指、雙指及三指的狀態(tài)下任意切換。多指微操作夾持器不但能夠?qū)崿F(xiàn)多種對(duì)象的微操作，也要能夠確保微操作精度及擁有一定的操作效率。

2、多指執(zhí)行器的柔性化的特點(diǎn)大大簡(jiǎn)化了精密微夾持器的驗(yàn)證過(guò)程，對(duì)微納米操作技術(shù)具有重要的指導(dǎo)意義。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本申請(qǐng)中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中微操作夾持器的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中單指結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖3所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中微動(dòng)調(diào)節(jié)座的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中微動(dòng)調(diào)節(jié)座的調(diào)節(jié)原理示意圖；

圖5所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中單指工作模式微操作夾持器的實(shí)驗(yàn)照片；

圖6中(a)至(d)所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中雙指模式下采用鎢探針對(duì)微對(duì)象操作的實(shí)驗(yàn)照片；

圖7中(a)至(d)所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中三指模式下微操作夾持器的實(shí)驗(yàn)照片；

圖8中(a)和(b)所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中微夾持器在雙指工作模式下對(duì)兩個(gè)對(duì)象的同時(shí)夾持的操作照片；

圖9中(a)至(c)所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中采用光纖作為執(zhí)行末端夾持二氧化硅球?qū)嶒?yàn)的操作照片；

圖10中(a)和(b)所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中微球達(dá)振動(dòng)分離實(shí)驗(yàn)操作照片；

圖11是對(duì)80μm合金球的拾取與釋放操作過(guò)程，其中(a)是右側(cè)光纖實(shí)現(xiàn)微球粘附拾??；(b)是中間光纖實(shí)現(xiàn)位置微動(dòng)對(duì)中，為振動(dòng)釋放做準(zhǔn)備；(c)是微球在中間光纖的振動(dòng)下實(shí)現(xiàn)釋放；

圖12是本發(fā)明具體實(shí)施例中三指模式下對(duì)直徑10μm的二氧化硅微球進(jìn)行拾取操作實(shí)驗(yàn)照片，其中圖(a)是三指夾持器執(zhí)行末端配置，左指是AFM探針，中指與右指是鎢探針，(b)是左右指完成觸底夾持的操作，此時(shí)中指調(diào)整到遠(yuǎn)離微球的狀態(tài)，(c)是夾持后的微球被抬離基板，(d)是左右指張開時(shí)，微球粘附在鎢探針上；

圖13是本發(fā)明具體實(shí)施例中三指模式下對(duì)直徑10μm的二氧化硅微球進(jìn)行拾取操作的實(shí)驗(yàn)照片，使用第三指振動(dòng)使微球完成釋放，(a)是中指的鎢探針調(diào)整到粘附微球上部，(b)是微球在鎢探針的振動(dòng)下完成釋放；

圖14是本發(fā)明具體實(shí)施例中使用雙指工作模式下組裝三棱錐型自粘附微球的實(shí)驗(yàn)照片，其中，(a)是三棱錐的第一層的側(cè)視圖，(b)是兩探針夾持微球進(jìn)行第二層的組裝，(c)是探針準(zhǔn)備釋放的過(guò)程，(d)是抬起的過(guò)程中第一層微球被破壞的狀況照片，(e)與(f)是三棱錐型自粘附微球較好的組裝狀態(tài)的俯視及側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

結(jié)合圖1所示，微操作夾持器包括角度調(diào)節(jié)臂2、微動(dòng)調(diào)節(jié)座3、多指夾持器4以及可替換執(zhí)行末端5。微動(dòng)調(diào)節(jié)座與角度調(diào)節(jié)臂2連接，該角度調(diào)節(jié)臂2包括基座21、第一調(diào)節(jié)臂22和第二調(diào)節(jié)臂23，第一調(diào)節(jié)臂22的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接于基座21上，另一端與第二調(diào)節(jié)臂23的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第二調(diào)節(jié)臂的另一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接于微動(dòng)調(diào)節(jié)座上。

基座21的作用是將微夾持器固定在精密定位滑臺(tái)上，角度調(diào)節(jié)臂2能夠調(diào)節(jié)夾持器與微對(duì)象基底的角度，微動(dòng)調(diào)節(jié)座3能夠?qū)γ總€(gè)單指實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的位移調(diào)整，執(zhí)行末端5采用可替換式設(shè)計(jì)方案。

結(jié)合圖2所示，微操作夾持器單指結(jié)構(gòu)，包括上下間隔設(shè)置的固定梁41和支撐臂42，固定梁41和支撐臂42之間連接有一柔性鉸鏈43、一回彈機(jī)構(gòu)44和一壓電陶瓷致動(dòng)器45，壓電陶瓷致動(dòng)器45位于柔性鉸鏈43和回彈機(jī)構(gòu)44之間，支撐臂42的末端固定有執(zhí)行末端5，壓電陶瓷致動(dòng)器45上下動(dòng)作以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行末端5在杠桿作用下上下擺動(dòng)。

該技術(shù)方案中，采用柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)是無(wú)機(jī)械摩擦、無(wú)間隙、易維護(hù)、分辨率高和可一體化加工。柔性鉸鏈有很多種結(jié)構(gòu)，其中直圓柔性鉸鏈精確性最高，為了確保單指的輸出有足夠的精度，本文中選用了直圓型。柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)角剛度值與鉸鏈半徑R和最小厚度t有關(guān)，總的來(lái)看，R越小、t越大則轉(zhuǎn)角剛度越大；R越大、t越小則轉(zhuǎn)角剛度越小。綜合考慮運(yùn)動(dòng)靈活性、運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性以及集中應(yīng)力的大小三個(gè)方面，通過(guò)有限元分析得到鉸鏈半徑R為0.6mm，最小厚度t為0.3mm。

回彈機(jī)構(gòu)采用彈性金屬，優(yōu)選為彈簧鋼。

進(jìn)一步地，壓電陶瓷致動(dòng)器與柔性鉸鏈之間的距離小于壓電陶瓷致動(dòng)器與回彈機(jī)構(gòu)之間的距離。

該技術(shù)方案中，多指微操作執(zhí)行器的設(shè)計(jì)采用壓電陶瓷致動(dòng)器作為外部驅(qū)動(dòng)。壓電驅(qū)動(dòng)是利用的逆壓電效應(yīng)即壓電體受到外電場(chǎng)作用而發(fā)生形變，其形變量與外電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。壓電陶瓷致動(dòng)器具有體積小，位移分辨率高，響應(yīng)速度快，輸出力大，換能效率高，不發(fā)熱，可采用相對(duì)簡(jiǎn)單的電壓控制方式等特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)較大范圍的輸出，選用疊層型壓電陶瓷致動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器是由數(shù)百層的壓電陶瓷薄片及內(nèi)電極共燒而成。在施加電壓時(shí)，可在數(shù)毫秒內(nèi)產(chǎn)生長(zhǎng)度方向變形，同時(shí)產(chǎn)生巨大的輸出力。為了擴(kuò)大單指的執(zhí)行范圍，本案選用了杠桿放大機(jī)構(gòu)作為單指的設(shè)計(jì)方案。杠桿放大的優(yōu)勢(shì)有響應(yīng)速度快、傳遞效率較高且能將線性運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)換為弧形軌跡。

進(jìn)一步地，執(zhí)行末端采用可拆卸粘接劑實(shí)現(xiàn)固定在支撐臂的末端。

該技術(shù)方案中，執(zhí)行末端采用可拆卸粘接劑實(shí)現(xiàn)固定在單指結(jié)構(gòu)體上。壓電陶瓷致動(dòng)器通過(guò)預(yù)緊螺釘實(shí)現(xiàn)固定和施加預(yù)緊力。除了利用柔性鉸鏈本身的回彈特性外，在固定梁上增加了折疊回彈機(jī)構(gòu)來(lái)保證回彈的可靠性。

進(jìn)一步地，壓電陶瓷致動(dòng)器的一端通過(guò)螺釘固定于固定梁上。

優(yōu)選的，執(zhí)行末端為鎢探針或光纖。

該技術(shù)方案中，多指夾持器的設(shè)計(jì)具有單一驅(qū)動(dòng)、可替換執(zhí)行末端以及裝配式單指分立設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。采用獨(dú)立的單指單元是基于易更換、易加工、易維修的實(shí)際需求。獨(dú)立單指單元的設(shè)計(jì)采用相同方案，同一套加工方法，能夠保證三指均有相同的輸出特性。微操作夾持器的材料及加工方法的選擇以最高效率配置資源為準(zhǔn)則。從裝配結(jié)構(gòu)中，可以看出多指微操作夾持器的最全配置工作狀態(tài)有三指，且可以任意切換至單指、雙指的工作狀態(tài)。

結(jié)合圖3所示，微動(dòng)調(diào)節(jié)座3上開設(shè)有至少一個(gè)調(diào)節(jié)槽31，每個(gè)調(diào)節(jié)槽31內(nèi)設(shè)置有一個(gè)調(diào)整塊32，每個(gè)單指結(jié)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)安裝于一個(gè)調(diào)整塊32上，調(diào)整塊32與微動(dòng)調(diào)節(jié)座3之間通過(guò)柔性鉸鏈33連接，微動(dòng)調(diào)節(jié)座3上設(shè)置有X軸調(diào)節(jié)螺釘和Y軸調(diào)節(jié)螺釘，X軸調(diào)節(jié)螺釘和Y軸調(diào)節(jié)螺釘作用于調(diào)整塊以實(shí)現(xiàn)X軸和Y軸方向位移調(diào)節(jié)，X軸和Y軸所在平面與微動(dòng)調(diào)節(jié)座3共面。

進(jìn)一步地，調(diào)整塊32上開設(shè)有螺紋孔321，該螺紋孔321內(nèi)配合設(shè)置有Z軸調(diào)節(jié)螺釘，該Z軸調(diào)節(jié)螺釘作用于調(diào)整塊32以實(shí)現(xiàn)其Z軸方向的位移調(diào)節(jié)。

優(yōu)選的，微動(dòng)調(diào)節(jié)座上設(shè)置有呈三角形排列的三個(gè)單指結(jié)構(gòu)。

該技術(shù)方案中，為了使微動(dòng)多指柔性操作夾持器能實(shí)現(xiàn)微動(dòng)調(diào)節(jié)，方案設(shè)計(jì)選用柔性鉸鏈作為微動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)。微動(dòng)調(diào)節(jié)座的支撐采用直梁型柔性鉸鏈，該類型的鉸鏈具有很好的靈活性，方便實(shí)際的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)座上包含三個(gè)獨(dú)立的調(diào)整塊。每個(gè)調(diào)整塊包含了兩個(gè)通孔和一個(gè)螺紋孔。通孔的功能是固定z軸調(diào)節(jié)座，螺紋孔的功能是為z軸調(diào)節(jié)螺釘提供固定和傳動(dòng)位置。調(diào)節(jié)座的微動(dòng)原理如圖4所示，三個(gè)調(diào)節(jié)模塊均采用調(diào)節(jié)螺釘進(jìn)行微動(dòng)調(diào)節(jié)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)x軸正負(fù)方向及y軸負(fù)方向的微動(dòng)調(diào)節(jié)。z軸微動(dòng)調(diào)節(jié)座與單指的裝配方式，采用緊定螺釘實(shí)現(xiàn)單指的固定。調(diào)節(jié)座上上下陣列分布有5個(gè)固定螺紋孔，任意兩個(gè)螺紋孔均能夠?qū)崿F(xiàn)單指的固定，因此這種固定方式增加了單指的可調(diào)節(jié)范圍。

z軸調(diào)節(jié)座固定在x軸與y軸微動(dòng)調(diào)節(jié)座上，且與單指保持固定連接。在x軸與y軸方向的位移調(diào)節(jié)通過(guò)z軸調(diào)節(jié)座傳遞給單指，且保持1：1的傳遞比例。z軸的調(diào)節(jié)是通過(guò)旋入x軸與y軸微動(dòng)調(diào)節(jié)座上的螺釘實(shí)現(xiàn)該方向的調(diào)節(jié)。由壓電陶瓷致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)單指工作，回彈機(jī)構(gòu)確保單指能夠恢復(fù)初始工作狀態(tài)。

本實(shí)施例還提供一種微操作系統(tǒng)，包括：

用以承載待操作微對(duì)象的工作臺(tái)；

微操作夾持器，該微操作夾持器對(duì)工作臺(tái)上的微對(duì)象至少可實(shí)現(xiàn)拾取、搬運(yùn)、釋放和組裝；

對(duì)操作過(guò)程實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像采集的顯微鏡，該顯微鏡通過(guò)CMOS相機(jī)將圖像信息輸出至顯示器顯示。

其中顯示器與計(jì)算機(jī)采用基本臺(tái)式機(jī)的配置，顯微鏡鏡頭選用高分辨率放大變倍鏡頭，系統(tǒng)中有0.7×～4.5×、2(0.7×～4.5×)、4(0.7×～4.5×)、8(0.7×～4.5×)四種規(guī)格配置，相機(jī)采用CMOS工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(型號(hào)：DH-HV1351UM)，分辨率為130萬(wàn)像素，數(shù)字增益有×2、×1、×0.5、×0.25四種方式。三軸電動(dòng)精密滑臺(tái)的分辨率1μm，最大行程75mm，重復(fù)定位精度±0.5μm，負(fù)載11Kgf。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源選用HPV系列壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源(型號(hào)HPV-3C0150A0500)。

在具體的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，多種工作模式是微操作執(zhí)行器柔性化設(shè)計(jì)的重要體現(xiàn)。

首先，是單指工作模式微操作夾持器可靠性的驗(yàn)證。通過(guò)改變基底與微球的粘附力的微操作方法，將微球搬運(yùn)到基板上，實(shí)驗(yàn)使用鎢探針作為單指的執(zhí)行末端，為了充分展示單指操作的靈活性，實(shí)驗(yàn)使用微球在基板上，拼出SUDA的圖樣，如圖5所示，微球尺寸在60～80μm，基板涂了一層增大粘附力的膠質(zhì)。綜合實(shí)驗(yàn)的結(jié)果及單指性能測(cè)試，本實(shí)施例設(shè)計(jì)的微操作執(zhí)行器完全適用單指工作模式。單指的拾取完全靠粘附力進(jìn)行。

區(qū)別于單指工作模式，雙指工作模式有著強(qiáng)大的夾持能力。在這種工作狀態(tài)下，無(wú)需依賴基板的改變，幾乎能完成大多數(shù)尺寸范圍內(nèi)微對(duì)象的拾取。雖然雙指在夾持方面有著很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但是在釋放過(guò)程中，依然需要考慮粘附力的影響。

鎢探針作為執(zhí)行末端，微球與基板上之間的粘附力大于鎢探針與微球的粘附力。圖6(b)是雙探針在多軸精密滑臺(tái)的精確定位下完成觸底的動(dòng)作，觸底后，探針在壓電陶瓷致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下完成夾持動(dòng)作。微對(duì)象被探針夾持后，精密定位滑臺(tái)遠(yuǎn)離基板實(shí)現(xiàn)微對(duì)象與基板的分離，如圖6(c)所示，微球完成效拾取，此處的微球是直徑為60μm的硼硅酸鹽球。圖6(d)是雙指的有效釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果，微球被放置在基底上排成一列。

三指工作模式是柔性微操作執(zhí)行器最難調(diào)節(jié)的工作狀態(tài)，是驗(yàn)證微操作性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。左右兩指執(zhí)行夾持任務(wù)，第三指負(fù)責(zé)釋放過(guò)程中的敲擊或者振動(dòng)。在微操作任務(wù)上，微球與探針末端尺寸較小，三指工作模式中最難的操作是三個(gè)執(zhí)行末端的裝配及末端對(duì)準(zhǔn)。圖7(a)是三指的俯視圖，圖7(b)是三指的側(cè)視圖，兩幅視圖中三根探針完全對(duì)準(zhǔn)時(shí)，才是三指的最佳工作狀態(tài)。圖7(c)中，微球由左右兩探針拾取。為了完成釋放，第三指壓電陶瓷致動(dòng)器瞬間施加最大工作電壓，探針敲擊微球完成釋放，如圖7(d)所示。

能夠?qū)Χ喾N微對(duì)象進(jìn)行操作同樣是柔性化設(shè)計(jì)的重要體現(xiàn)，如圖8所示為，微夾持器在雙指工作模式下對(duì)兩個(gè)對(duì)象的同時(shí)夾持的操作。通過(guò)更換探針型號(hào)，調(diào)節(jié)夾持器末端探針的角度，改變探針末端形狀，實(shí)現(xiàn)兩球的夾持任務(wù)。

如圖9所示，對(duì)直徑800μm的空心二氧化硅球進(jìn)行操作，選用200μm的光纖作為夾持器的執(zhí)行末端，采用粘附拾取與振動(dòng)釋放的策略實(shí)現(xiàn)操作任務(wù)，光纖與微球的粘附力需要大于微球與基板的粘附力。

圖10為微球達(dá)振動(dòng)分離實(shí)驗(yàn)。使用信號(hào)發(fā)生器控制正弦電壓，電壓幅值設(shè)定為20V，逐漸調(diào)高電壓，當(dāng)頻率升高到105Hz時(shí)，微球?qū)崿F(xiàn)分離。

圖11是對(duì)80μm合金球的拾取與釋放操作過(guò)程。圖11(a)是右側(cè)光纖實(shí)現(xiàn)微球粘附拾?。粓D11(b)是中間光纖實(shí)現(xiàn)位置微動(dòng)對(duì)中，為振動(dòng)釋放做準(zhǔn)備；圖11(c)是微球在中間光纖的振動(dòng)下實(shí)現(xiàn)釋放。

圖12與圖13是三指模式下對(duì)直徑10μm的二氧化硅微球這樣的更為精密的微對(duì)象進(jìn)行拾取操作。圖12(a)是三指夾持器執(zhí)行末端配置，左指是AFM探針，中指與右指是鎢探針。圖12(b)是左右指完成觸底夾持的操作，此時(shí)中指調(diào)整到遠(yuǎn)離微球的狀態(tài)。圖12(c)是夾持后的微球被抬離基板。圖12(d)是左右指張開時(shí)，微球粘附在鎢探針上。使用第三指振動(dòng)使微球完成釋放，圖13(a)是中指的鎢探針調(diào)整到粘附微球上部，圖13(b)是微球在鎢探針的振動(dòng)下完成釋放。

圖14是使用雙指工作模式下組裝三棱錐型自粘附微球的全過(guò)程。采用雙指的工作模式是為了避免拾取對(duì)粘附力的依賴，圖14(a)是三棱錐的第一層的側(cè)視圖，圖中包含了三個(gè)兩兩相鄰的微球。圖14(b)是兩探針夾持微球進(jìn)行第二層的組裝。圖14(c)是探針準(zhǔn)備釋放的過(guò)程，在理想的控制條件下，探針與微球的粘附力較小，微球會(huì)被第一層的三個(gè)微球粘附，隨后探針抬起，完成組裝。探針與微球之間的粘附力盡管是很小的，但是在抬起的過(guò)程中，也會(huì)發(fā)生微球被抬離，甚至第一層微球也被破壞的狀況，如圖14(d)所示。圖14(e)與14(f)是三棱錐型自粘附微球較好的組裝狀態(tài)的俯視及側(cè)視圖。

需要說(shuō)明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅是本申請(qǐng)的具體實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本申請(qǐng)?jiān)淼那疤嵯?，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本申請(qǐng)的保護(hù)范圍。