本實(shí)用新型涉及一種微機(jī)電領(lǐng)域的執(zhí)行器機(jī)構(gòu)，特別是一種恒力夾鉗，其主要應(yīng)用于微操作技術(shù)(如微夾持、微裝配)、微機(jī)械加工、生物工程等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

基于恒力輸出的夾鉗機(jī)構(gòu)是近年來(lái)國(guó)際上新興的研究方向，恒力夾鉗技術(shù)是通過(guò)設(shè)計(jì)一種輸出結(jié)構(gòu)使其在特定的位移輸出范圍內(nèi)具有恒力或恒力矩的特性。

隨著對(duì)夾鉗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究越來(lái)越深入，目前前沿的研究方向主要集中于設(shè)計(jì)擁有力傳感功能的夾鉗機(jī)構(gòu)，其目的是實(shí)現(xiàn)在夾持過(guò)程中對(duì)夾持力大小的控制。具有恒力輸出性能的夾鉗機(jī)構(gòu)可以顯著減少對(duì)夾持力傳感器及其復(fù)雜控制器的需求，因此恒力夾鉗機(jī)構(gòu)的需求將越來(lái)越大。目前國(guó)內(nèi)恒力夾鉗的設(shè)計(jì)方面處于空白。

關(guān)于近年國(guó)內(nèi)外前沿的夾鉗機(jī)構(gòu)的研究中，如Q.Xu在文章“Design and Development of a Novel Compliant Gripper With Integrated Position and Grasping/Interaction Force Sensing”中設(shè)計(jì)的夾鉗具有非常優(yōu)良的對(duì)夾持過(guò)程中力傳感的功能。此特性有助于力的精確控制。

關(guān)于近年國(guó)內(nèi)外前沿的恒力輸出機(jī)構(gòu)的研究，Chao-Chieh Lan et al.在文章“A compliant constant-force mechanism for adaptive robot end-effector operations”設(shè)計(jì)出一種基于曲型柔性鉸鏈的恒力輸出機(jī)構(gòu)，但其復(fù)雜曲型結(jié)構(gòu)不易于加工。此類設(shè)計(jì)尚處于研究階段，并無(wú)實(shí)際應(yīng)用。

在現(xiàn)有的專利中，雙穩(wěn)態(tài)梁機(jī)構(gòu)目前廣泛應(yīng)用于開關(guān)、閥門與繼電器等領(lǐng)域。如，中國(guó)專利CN103198922A，CN101561556B與美國(guó)專利US 6753582 B2。此類設(shè)計(jì)主要應(yīng)用了雙穩(wěn)態(tài)梁屈曲前后的狀態(tài)作為開關(guān)，但沒(méi)有設(shè)計(jì)與利用其屈曲轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)剛度性質(zhì)。

在已有的專利中，提出恒力機(jī)構(gòu)的專利有：美國(guó)專利US 7060012 B2，其擁有多種不同形態(tài)的零件如連桿、繩索等。專利US 6920936 B2中描述的恒力系統(tǒng)需要彈簧組件與多種連桿等復(fù)雜零件。這些恒力系統(tǒng)都沒(méi)有采用雙穩(wěn)態(tài)梁屈曲的性質(zhì)或其它柔性鉸鏈來(lái)設(shè)計(jì)。另外，這些系統(tǒng)雖然可以提供恒力，然而其采用的傳統(tǒng)機(jī)械鉸鏈存在間隙、磨損等缺點(diǎn)，而且其構(gòu)型并不適用于恒力精密夾鉗機(jī)構(gòu)。

現(xiàn)有傳統(tǒng)夾鉗機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)多為變力輸出，被操作物體所承受的力處于一個(gè)變化的范圍，因此需求復(fù)雜的輸出力與位移控制算法以保護(hù)被操作物體不被損害或影響，然而這種傳統(tǒng)的復(fù)合策略在許多情況下并不容易實(shí)行。

現(xiàn)有新型夾鉗因具有力傳感功能，可有助于力的控制。然而，夾鉗機(jī)構(gòu)不具有恒力輸出功能，其操作性能有賴于力與位移控制器的實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有恒力機(jī)構(gòu)多由各種不同形態(tài)的傳統(tǒng)零件組成(如連桿組、彈簧等)，雖然其可以提供恒力，但因?yàn)榇朔N結(jié)構(gòu)具有眾多連接間隙，在運(yùn)行中存在不可避免的摩擦，零件間易于磨損，所以不利于應(yīng)用在精密工程。此外，這種復(fù)雜構(gòu)型也不易于夾鉗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其小型化的實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種新型的恒力夾鉗機(jī)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的是提供一種恒力夾鉗，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于生產(chǎn)與裝配、高精度、易于小型化，并且能夠?qū)崿F(xiàn)恒力輸出。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種恒力夾鉗，包括夾臂和用于向所述夾臂提供夾持力的恒力輸出裝置，所述夾臂至少設(shè)有兩個(gè)且其用于夾持物體的一端相互對(duì)稱；所述恒力輸出裝置包括力傳導(dǎo)件、提供負(fù)剛度的第一柔性鉸鏈、提供正剛度的第二柔性鉸鏈和基座，所述力傳導(dǎo)件的一端作為力輸出端與所述夾臂的另一端連接，且其通過(guò)所述第一柔性鉸鏈固定在所述基座上；所述力傳導(dǎo)件的另一端作為力輸入端通過(guò)所述第二柔性鉸鏈固定在所述基座上；所述第一柔性鉸鏈和所述第二柔性鉸鏈并聯(lián)且構(gòu)成準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)。

作為優(yōu)選，所述第一柔性鉸鏈和第二柔性鉸鏈均為柔性的薄壁梁，其中，所述第一柔性鉸鏈包括兩個(gè)相對(duì)于所述力輸出端而對(duì)稱設(shè)置的斜梁；所述第二柔性鉸鏈包括兩個(gè)相對(duì)于所述力輸入端而對(duì)稱設(shè)置的直梁。

作為優(yōu)選，所述斜梁與所述直梁在所述力傳導(dǎo)件兩側(cè)分別形成一端固定而另一端可動(dòng)的懸臂梁機(jī)構(gòu)。

作為優(yōu)選，所述恒力夾鉗還包括一承載所述恒力輸出裝置的底座，所述底座上還設(shè)置有與所述力輸入端串聯(lián)的并驅(qū)動(dòng)所述恒力輸出裝置動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

作為優(yōu)選，所述底座上沿恒力輸出方向開設(shè)有楔形的導(dǎo)向槽，所述恒力輸出裝置的所述基座上也對(duì)應(yīng)設(shè)置有與所述導(dǎo)向槽契合的楔形凸起。

作為優(yōu)選，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括一直線驅(qū)動(dòng)器和串聯(lián)在所述力輸入端對(duì)所述直線驅(qū)動(dòng)器的位移輸出進(jìn)行放大的柔性橋式放大機(jī)構(gòu)。

作為優(yōu)選，所述直線驅(qū)動(dòng)器為壓電驅(qū)動(dòng)器或電磁驅(qū)動(dòng)器。

作為優(yōu)選，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括一用于補(bǔ)償所述驅(qū)動(dòng)器位移的定位移動(dòng)機(jī)構(gòu)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的恒力夾鉗的有益效果在于：首先，利用柔性鉸鏈的恒力機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了恒力輸出，使其在夾持過(guò)程中可以顯著減少對(duì)夾持力的復(fù)雜控制算法的需求與依賴；另外，由于采用柔性鉸鏈連接傳遞運(yùn)動(dòng)，具有無(wú)摩擦、無(wú)磨損、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、運(yùn)行穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低、易于生產(chǎn)與裝配、高精度、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的恒力夾鉗的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的恒力夾鉗的局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型的恒力夾鉗的直梁發(fā)生彈性形變時(shí)產(chǎn)生的力和位移的曲線圖；

圖4為本實(shí)用新型的恒力夾鉗的斜梁發(fā)生屈曲變形時(shí)產(chǎn)生的力和位移的曲線圖；

圖5為本實(shí)用新型的恒力夾鉗的準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)的反作用力和位移的曲線圖；

圖6為本實(shí)用新型的恒力夾鉗的工作狀態(tài)時(shí)的示意圖；

圖7為本實(shí)用新型的恒力夾鉗的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：1-驅(qū)動(dòng)器；2-夾臂；3-底座；4-力傳導(dǎo)件；5-第一柔性鉸鏈；6-第二柔性鉸鏈；7-基座；8-柔性橋式放大機(jī)構(gòu)；9-導(dǎo)向槽；10-凸起。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的恒力夾鉗作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本實(shí)用新型的限定。

如圖1所示，本實(shí)用新型提供了一種恒力夾鉗，包括夾臂2和用于向夾臂2提供夾持力的恒力輸出裝置，夾臂2至少設(shè)有兩個(gè)且其用于夾持物體的一端相互對(duì)稱；恒力輸出裝置包括力傳導(dǎo)件4、提供負(fù)剛度的第一柔性鉸鏈5、提供正剛度的第二柔性鉸鏈6和基座7，力傳導(dǎo)件4的一端作為力輸出端與夾臂2的另一端連接，且其通過(guò)第一柔性鉸鏈5固定在基座7上；力傳導(dǎo)件4的另一端作為力輸入端通過(guò)第二柔性鉸鏈6固定在基座7上；第一柔性鉸鏈5和第二柔性鉸鏈6并聯(lián)且構(gòu)成準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)。

通過(guò)設(shè)置第一柔性鉸鏈5和第二柔性鉸鏈6，其構(gòu)成的恒力機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了恒力輸出，省去對(duì)輸出力進(jìn)行采集以便控制夾鉗輸出恒力的力感應(yīng)器，使其在夾持過(guò)程中也可以顯著減少對(duì)夾持力的復(fù)雜控制算法的需求與依賴。另外，柔性鉸鏈傳遞運(yùn)動(dòng)具有無(wú)摩擦、無(wú)磨損、運(yùn)行穩(wěn)定、精度高的優(yōu)點(diǎn)。整體恒力夾鉗的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、生產(chǎn)成本低、易于生產(chǎn)與裝配、易于小型化。

在本實(shí)施例中，第一柔性鉸鏈5和第二柔性鉸鏈6可以均為柔性的薄壁梁，其中，第一柔性鉸鏈5包括兩個(gè)相對(duì)于力輸出端而對(duì)稱設(shè)置的斜梁；第二柔性鉸鏈6包括兩個(gè)相對(duì)于力輸入端而對(duì)稱設(shè)置的直梁。圖2示出了斜梁作為第一柔性鉸鏈5，直梁作為第二柔性鉸鏈6的恒力夾鉗，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便。

本實(shí)施例中，斜梁與直梁在力傳導(dǎo)件4兩側(cè)分別形成一端固定而另一端可動(dòng)的懸臂梁機(jī)構(gòu)。

圖3示出了直梁在發(fā)生形變時(shí)產(chǎn)生的力和位移之間的關(guān)系曲線，圖4示出了斜梁在發(fā)生屈曲變形時(shí)產(chǎn)生的力和位移之間的關(guān)系曲線。當(dāng)力輸入端受到作用力時(shí)，斜梁和直梁均是一端可以活動(dòng)，另一端固定到基座7上，此時(shí)斜梁和直梁能夠使用懸臂梁模型。從圖3的曲線可以看出，隨著位移的增加，直梁產(chǎn)生的反作用力增大，吸收能量，勢(shì)能增大。從圖4的曲線可以看出，斜梁在點(diǎn)B處發(fā)生屈曲變形，到達(dá)D點(diǎn)之前，其反作用力隨著位移的增加而減小，隨著位移增加，勢(shì)能減小，釋放能量。

圖5示出了本實(shí)用新型的恒力夾鉗的準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)的反作用力和位移的曲線圖。將直梁和斜梁并聯(lián)設(shè)置，其力和位移曲線相互疊加，在點(diǎn)B和點(diǎn)D之間，準(zhǔn)零剛度系統(tǒng)的力不隨位移的變化而變化，此時(shí)整個(gè)機(jī)構(gòu)的剛度為零，輸出恒力。

本實(shí)施例中，恒力夾鉗還包括一承載恒力輸出裝置的底座3，底座3上還設(shè)置有與力輸入端串聯(lián)的并驅(qū)動(dòng)恒力輸出裝置動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖6為本實(shí)用新型的恒力夾鉗的工作狀態(tài)時(shí)的示意圖，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)施加作用力，兩夾臂相向運(yùn)動(dòng)并且其一端夾合在一起。

如圖7所示，本實(shí)施例中，為了維持輸出移動(dòng)的穩(wěn)定性以及避免不必要的位移偏轉(zhuǎn)，底座3上沿恒力輸出方向開設(shè)有楔形的導(dǎo)向槽9，恒力輸出裝置的基座7上也對(duì)應(yīng)設(shè)置有與導(dǎo)向槽9契合的楔形凸起10。

本實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以包括一直線驅(qū)動(dòng)器1和串聯(lián)在力輸入端對(duì)直線驅(qū)動(dòng)器1的位移輸出進(jìn)行放大的柔性橋式放大機(jī)構(gòu)8。直線驅(qū)動(dòng)器1輸出作用力，柔性橋式放大機(jī)構(gòu)8對(duì)該作用位移進(jìn)行放大并輸出到力輸入端以對(duì)恒力輸出裝置提供作用力。

本實(shí)施例中，直線驅(qū)動(dòng)器1可以是壓電驅(qū)動(dòng)器或電磁驅(qū)動(dòng)器。

本實(shí)施例中，考慮到現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)器性能參差，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還可以包括一用于補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)器位移的定位移動(dòng)機(jī)構(gòu)。

以上實(shí)施例僅為本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例，不用于限制本實(shí)用新型，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本實(shí)用新型做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應(yīng)視為落在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。