阅读说明：本技术 一种超精密压电微夹持机械手 (Ultra-precise piezoelectric micro-clamping manipulator ) 是由 李建平 万嫩 温建明 于 2019-04-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种超精密压电微夹持机械手,由精密多自由度微纳压电驱动单元和精密微夹持单元组成。其中精密多自由度微纳压电驱动单元由定子柔性铰链和转子构成,利用压电叠堆驱动可进行超精密步进式旋转运动和直线移动。定子柔性铰链中嵌入三层自定心三爪压电箍位机构、旋转驱动机构和直线驱动机构,可进行精密箍位、旋转和直线驱动；转子接口为可变式,可与精密微夹持单元方便连接。精密微夹持单元内嵌入二级柔性铰链放大机构,由压电叠堆驱动,进行精密微夹持操作。具有结构简单、夹持性能稳定、夹持行程大、投资少、效益高等优势,可应用于精密微纳机械夹持操作、精密超精密加工、微机电系统、生物技术等工程科技领域。(The invention relates to an ultra-precise piezoelectric micro-clamping manipulator which consists of a precise multi-degree-of-freedom micro-nano piezoelectric driving unit and a precise micro-clamping unit. The precise multi-degree-of-freedom micro-nano piezoelectric driving unit is composed of a stator flexible hinge and a rotor, and can perform ultra-precise stepping rotary motion and linear motion by utilizing the driving of a piezoelectric stack. Three layers of self-centering three-jaw piezoelectric hoop positioning mechanisms, rotary driving mechanisms and linear driving mechanisms are embedded in the stator flexible hinge, and precise hoop positioning, rotation and linear driving can be performed; the rotor interface is variable and can be conveniently connected with the precise micro-clamping unit. And a secondary flexible hinge amplifying mechanism is embedded in the precise micro-clamping unit and is driven by the piezoelectric stack to perform precise micro-clamping operation. The clamping device has the advantages of simple structure, stable clamping performance, large clamping stroke, low investment, high benefit and the like, and can be applied to the engineering and scientific fields of precise micro-nano mechanical clamping operation, precise ultra-precision machining, micro electro mechanical systems, biotechnology and the like.)

一种超精密压电微夹持机械手

技术领域

本发明涉及精密微纳机械夹持操作、精密超精密加工、微机电系统、生物技术等工程科技领域，特别涉及一种超精密压电微夹持机械手。

背景技术

近年来，随着微机电系统、微夹持机械、微纳驱动器等相关技术的高速发展，在高技术领域中机器人的研制与生产迅猛发展起来并已成为一门新兴技术，从而更加促进了机械手的发展，使得微夹持机械手能更好的实现机械化与自动化的有机结合。同时伴随着精密超精密加工、电子学、生物技术、精密测量等领域的快速发展，人类对超精密微夹持机械手的需求也越来越高，全世界各大科研中心也积极地对微夹持技术进行研究与实验。而传统的机械手体积较大、结构复杂、运动分辨率低，早已无法满足现代工业中精密微纳机械夹持操作、精密超精密加工、微机电系统等领域的应用需求，故研制一种超精密微夹持机械手就显得极为重要。由于压电叠堆体积小、频率响应少、输出载荷、噪声低、性能稳定等优点，又柔性铰链无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高等特点，在微夹持技术领域中广泛采用基于压电叠堆驱动源和柔性铰链传动机构的高精密压电微夹持机械手。随着目前高精尖工业领域的急速迅猛发展，传统的机械手技术指标已无法满足其需求，因此，设计一种超精密压电微夹持机械手的意义就显得十分重大。

发明内容

本发明的目的在于为满足上述的现有高精尖工业领域内对微夹持技术的迫切需要，克服传统机械手结构复杂、体积较大、运动分辨率低的致命缺陷，设计了一种超精密压电微夹持机械手，主要用于精密微纳机械夹持领域，具有结构简单、夹持性能稳定、夹持行程大、投资少、效益高等优势。

本发明通过控制箍位压电叠堆的逻辑通电时序，实现动子上中下三层的交替箍位运动。结合旋转驱动压电叠堆与直线驱动压电叠堆相应的逻辑通电控制时序最终实现微夹持柔性机械手的超精密步进式旋转运动和直线移动。其微夹持柔性机械手的超精密微纳夹持过程则通过控制微夹持压电叠堆的通电时序实现。因此，并行逻辑控制各个压电叠堆的通电时序即可满足微夹持领域中的一般需求。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种超精密压电微夹持机械手，主要包括精密多自由度微纳压电驱动单元和精密微夹持单元，其中精密多自由度微纳压电驱动单元由定子柔性铰链和转子构成，利用压电叠堆驱动可进行超精密步进式旋转运动和直线移动。其特征在于：所述的定子柔性铰链(8)嵌入上、中、下三层自定心三爪压电箍位机构、旋转驱动机构和直线驱动机构，可进行精密箍位、旋转和直线驱动。

所述的上、中、下三层自定心三爪压电箍位机构完全相同，各层箍位机构均为三组，呈三角对称布置，分别由上层、中层、下层箍位压电叠堆(7、19、17)、上层、中层、下层楔形块对(6、18、16)和上层、中层、下层紧固螺钉(9、10、11)相应装配组成。

所述的旋转驱动机构为三组，呈三角对称式布置，分别由旋转驱动压电叠堆(4)和旋转支撑块(5)相应装配组成。

所述的直线驱动机构为三组，呈三角对称式布置，分别由直线驱动压电叠堆(12)、底层楔形块对(13)和底层紧固螺钉(14)相应装配组成。

所述的转子(15)为可变式接口设计，通过连接螺钉(1)与精密微夹持单元连接。

所述的精密微夹持单元，主要由微夹持压电叠堆(2)、微夹持柔性机械手(3)和预紧螺钉(20)构成。

本发明的主要优势在于：可实现超精密微纳夹持操作功能，并且具有良好的夹持性能、夹持操作分辨率为纳米级别、可重复性好等特点。可应用于精密微纳机械夹持操作、精密超精密加工、微机电系统、生物技术等工程科技领域，目的在于提高微机电系统的微夹持操作的精度与夹持行程、减小机械机构尺寸、改善整体机械结构性能，同时改善传统机械手体积较大、结构复杂、运动分辨率低的劣势。本发明主要用于精密微纳机械夹持领域，具有结构简单、夹持性能稳定、夹持行程大、投资少、效益高等优势，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的轴视图。

图2为本发明的主视图。

图3为本发明的俯视图。

图4为本发明的仰视图。

图5为本发明的中层剖视图。

图6为本发明精密机械手的示意图。

图中：

1.连接螺钉；2.微夹持压电叠堆；3.微夹持柔性机械手；4.旋转驱动压电叠堆X3；

5.旋转支撑块X3；6.上层楔形块对X3；7.上层箍位压电叠堆X3；8.柔性铰链；

9.上层紧固螺钉X3；10.中层紧固螺钉X3；11.下层紧固螺钉X3；12.直线驱动压电叠堆X3；

13.底层楔形块对X3；14.底层紧固螺钉X3；15.转子；16.下层楔形块对X3；

17.下层箍位压电叠堆X3；18.中层楔形块对X3；19.中层箍位压电叠堆X3；20.预紧螺钉；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图6，本发明设计的一种超精密压电微夹持机械手，主要包括精密多自由度微纳压电驱动单元和精密微夹持单元，其中精密多自由度微纳压电驱动单元由定子柔性铰链和转子构成，利用压电叠堆驱动可进行超精密步进式旋转运动和直线移动。其特征在于：所述的定子柔性铰链(8)嵌入上、中、下三层自定心三爪压电箍位机构、旋转驱动机构和直线驱动机构，可进行精密箍位、旋转和直线驱动。

所述的上、中、下三层自定心三爪压电箍位机构完全相同，各层箍位机构均为三组，呈三角对称布置，分别由上层、中层、下层箍位压电叠堆(7、19、17)、上层、中层、下层楔形块对(6、18、16)和上层、中层、下层紧固螺钉(9、10、11)相应装配组成。

所述的旋转驱动机构为三组，呈三角对称式布置，分别由旋转驱动压电叠堆(4)和旋转支撑块(5)相应装配组成。

所述的直线驱动机构为三组，呈三角对称式布置，分别由直线驱动压电叠堆(12)、底层楔形块对(13)和底层紧固螺钉(14)相应装配组成。

所述的转子(15)为可变式接口设计，通过连接螺钉(1)与精密微夹持单元连接。

所述的精密微夹持单元，主要由微夹持压电叠堆(2)、微夹持柔性机械手(3)和预紧螺钉(20)构成。

所述的精密微夹持单元，其特征在于微夹持柔性机械手(3)嵌入菱形、杠杆放大结构二级柔性铰链放大机构，延伸了微夹持机械手(3)的夹持行程的范围。

所述的精密多自由度微纳压电驱动单元，其特征在于转子(15)与定子柔性铰链(8)之间为过渡配合连接。

所述的定子柔性铰链(8)整体结构浑然一体，呈三角对称式布置，其中三层自定心三爪压电箍位机构、旋转驱动机构和直线驱动机构均为结构完全相同的三组，利用线切割一体化加工而成，保证了压电驱动的精度与稳定度。

所述的三层自定心三爪压电箍位机构，通过调节上层、中层、下层紧固螺钉(9、10、11)实现上层、中层、下层楔形块对(6、18、16)精密移动，控制上层、中层、下层箍位压电叠堆(7、19、17)的精密预紧。

所述的超精密压电微夹持机械手，通过控制上层、中层、下层箍位压电叠堆(7、19、17)的逻辑通电时序，实现上中下三层的交替箍位运动。结合旋转驱动压电叠堆(4)与直线驱动压电叠堆(12)相应的逻辑通电控制时序最终实现微夹持柔性机械手(3)的超精密步进式旋转运动和直线移动。控制微夹持压电叠堆(2)的通电时序控制超精密微纳夹持过程。

参见图1-6，本发明的具体工作过程如下：

超精密压电微夹持机械手夹持操作的具体实现：首先，调节预紧螺钉(20)对夹持压电叠堆(2)直接预紧，调节上层、中层、下层紧固螺钉(9、10、11)和底层紧固螺钉(14)分别微调上层、中层、下层楔形块(6、18、16)和底层楔形块对(13)间接对夹持压电叠堆(2)、上层、中层、下层箍位压电叠堆(7、19、17)和直线驱动压电叠堆(12)进行预紧；其次，控制上层、中层、下层箍位压电叠堆(7、19、17)的逻辑通电时序，实现上中下三层的交替箍位运动。结合旋转驱动压电叠堆(4)与直线驱动压电叠堆(12)相应的逻辑通电控制时序实现微夹持柔性机械手(3)的超精密步进式旋转运动和直线移动。最终通过控制微夹持压电叠堆(2)的通电时序来调节控制超精密微纳夹持过程。

本发明涉及的一种超精密压电微夹持机械手的运动按照严格逻辑通电的时序进行，改变箍位、驱动压电叠堆控制时序，可以改变旋转及直线运动的方向，同时由于采用了精密的压电叠堆作为驱动源及精密柔性铰链作为动力传递元件，具有机构紧凑、分辨率高、无机械磨损、无空行程、发热量小、驱动平稳、可靠、高效的特点，并能实现微纳米级精密微夹持等功能。