大范围多尺度集成微力检测与无线反馈的双晶片微夹持器

摘要

本发明涉及一种大范围多尺度集成微力检测和无线反馈的双晶片微夹持器，特别涉及一种双晶片微夹持器，属于微操作与微机电技术领域。本发明的大范围多尺度集成微力检测和无线反馈的双晶片微夹持器，由宏动开合模块、微动夹持模块、夹持加固模块、微力传感模块、数据采集模块、无线通讯接口模块和上位机模块构成。用压电陶瓷双晶片和固定夹爪分别充当微夹持器的两个夹爪，在夹爪上集成有半导体双晶片用于微力检测，并运用无线通讯模块进行数据采集模块与上位机的信息传递。本发明设计了独有的压电陶瓷夹持加固器，使微夹持器能夹持大范围多尺度的零件，增强了微夹持器的通用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微操作系统的末端执行器，特别涉及一种双晶片微夹持器，属于微操作与微机电技术领域。

背景技术

微夹持器是微操作机器人末端执行与作业的工具，是关键部件之一。其性能好坏对发挥机器人作用，提高机器人效率有着至关重要的作用。

按照目前国内外在微夹持器领域的研究成果来看，从夹持微型零件的方式上，微夹持器大体上可分为两类。一类是吸附式微夹持器，这类微夹持器利用真空、液体、静电等所产生的吸附力来抓取微型零件。目前所研发的吸附式微夹持器主要包括真空吸附式、静电吸附式、液体吸附式等。另一类是机械式微夹持器，这类微夹持器一般具有两个或多个手指，通过夹爪指部的运动产生夹持动作和夹持力，对微型物体的操作能够提供较大的灵活性。根据所产生驱动力的原理，机械式微夹持器又可分为形状记忆合金(SEM)微夹持器、静电力驱动微夹持器、压电陶瓷驱动微夹持器、电磁力驱动微夹持器等。

华中科技大学研制的双晶片微夹钳，由两片压电陶瓷双晶片、固定件、驱动电源、形变检测单元、上位机、全桥电路和桥路电源组成。能夹持微小零件并具有钳夹弯曲形变检测功能。哈尔滨工业大学研制的组合式微夹持器，采用宏微结合的结构，通过直线电机和压电陶瓷双晶片的结合来完成夹持动作。

总的来说，近年来国内外在微夹持器的研究上取得了较大的进展，但是这些成果几乎都是针对MEMS器件或者简单、特殊的一些零部件而设计的，对毫米级大小中间尺度的零件未有涉及。而且多只考虑了微夹持器的夹持功能的实现，而没有考虑微操作系统对微夹持器的定位精度的要求。多数不具备夹持力检测功能，即使有所涉及，其检测单元与上位机之间的联系也可能与其他部分产生干涉，受到空间上的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供的一种集成微力检测与无线反馈的微夹持器，该夹持器可夹持0.1mm以上的多尺度的零件，能满足微操作系统对微夹持器的定位精度的要求，可检测微小的夹持力，并将检测信号用无线通讯接口传输到上位机，由上位机输出反馈控制信号，调节压电陶瓷双晶片的位移，保证能安全的夹紧零件。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明的大范围多尺度集成微力检测和无线反馈的双晶片微夹持器从功能上可以分为宏动开合模块、微动夹持模块、夹持加固模块、微力传感模块、数据采集模块、无线通讯接口模块和上位机模块七个功能模块。

夹持加固模块可加强压电陶瓷双晶片的刚度，使其能保证固定的夹持输出力，夹持住较大零件。夹持加固模块由加固夹爪、转动轴、弹簧，电磁铁固定块，电磁铁动端，电磁铁定端，加固器支座组成。它们的连接关系为：加固夹爪通过转动轴固定在加固器支座上，加固夹爪之间有弹簧连接，电磁铁固定块和加固夹爪通过螺钉固定连接，电磁铁定端和电磁铁动端分别固定在两个电磁铁固定块上。加固器的加固夹爪的开合是通过电磁驱动和对称的两个杠杆式结构实现的。非工作状态下，电磁铁通电，电磁铁动端、电磁铁定端吸合，加固夹爪的夹持端松开。工作状态下，即压电陶瓷双晶片已弯曲到合适状态，已把零件夹紧时，电磁铁断电，电磁铁动端、电磁铁定端放开，依靠弹簧的压紧使加固夹爪的夹持端夹紧，从而从侧向夹紧压电陶瓷双晶片，保证固定的夹持输出力，避免在夹持和运输零件的过程中造成零件脱落。

其它模块的具体功能和实现方式如下：

宏动开合模块可实现直接夹持特征尺寸在2mm以上的零件，当夹持精密零件时，也可实现精密夹持时的粗定位，它由直线电机，支架与压电陶瓷双晶片组成。支架固定在直线电机上，压电陶瓷双晶片固定在支架上。通过直线电机带动支架左右移动，支架带动压电陶瓷双晶片左右移动，与固定夹爪配合，实现直接夹持特征尺寸在2mm以上的零件。当夹持精密零件时，实现压电陶瓷双晶片与固定夹爪之间的粗定位。

微动夹持模块可实现对特征尺寸在2mm以下的零件的精密夹持。它由可调直流电源、压电陶瓷双晶片和固定夹爪组成。当对零件进行精密夹持时，在宏动开合模块完成粗定位之后，通过可调直流电源给压电陶瓷双晶片加直流电压，双晶片在不同大小的电压下会产生不同程度的弯曲，从而在2mm范围内改变双晶片与固定夹爪之间的距离，进而夹紧微小型零件。在夹持过程中，以固定夹爪作为基准，实现精确定位，这样就避免了两个夹爪均使用双晶片时因双晶片刚度不足而影响定位精度。

微力传感模块、数据采集模块以及无线通讯接口模块和上位机共同完成微力检测功能。微力传感模块可实现将压电陶瓷双晶片的弯曲量转变为电信号，并将检测到的电信号传送到数据采集模块。

数据采集模块可采集微力传感模块输出的电信号，并对输出的电信号进行处理，使该电信号可通过无线通讯接口模块传送。

无线通讯接口模块可将接收到的电信号传输到上位机模块。上位机模块对该信号进行处理，并换算成夹持力，与预设夹持力进行比对，再输出反馈信号，控制可调直流电源输出的电压，从而调节压电陶瓷双晶片的弯曲量，保证能安全的夹紧零件。

本发明的大范围多尺度集成微力检测和无线反馈的双晶片微夹持器从功能上可以分为宏动开合模块、微动夹持模块、夹持加固模块、微力传感模块、数据采集模块、无线通讯接口模块和上位机模块七个功能模块。宏动开合模块可直接夹持特征尺寸为2mm以上的宏零件，并在夹持特征尺寸为2mm以下微小尺度精密零件时用于粗定位。微动夹持模块专用于特征尺寸为2mm以下微小尺度零件夹持。夹持加固模块用于特征尺寸为2mm以上的宏零件夹持时，加强压电陶瓷双晶片的刚度，保证宏零件夹持的稳定性。微力传感模块与数据采集模块用于获得夹持作用力。无线通讯接口模块将采集的夹持作用力对应的电信号传送给上位机。上位机模块用于反馈数据的再处理和判断，以及可调直流电源的调节。夹持器工作过程如下：当夹持特征尺寸为2mm以上的大尺度零件时，采用宏动开合模块直接夹持零件，并采用夹持加固模块作用于压电陶瓷双晶片侧面，以加强其刚度，保证压电陶瓷双晶片输出恒定的夹持力，避免在夹持和运输零件的过程中造成零件脱落，大尺度零件夹持完成；当夹持特征尺寸为2mm以下的微小尺度精密零件时，首先采用宏动开合模块粗定位压电陶瓷双晶片的位置，使压电陶瓷双晶片和固定夹爪之间的开合量小于等于2mm，粗定位完成后，启动微动夹持模块，调节可调直流电源的电压输出，使压电陶瓷双晶片弯曲，同时微力传感模块检测压电陶瓷双晶片的弯曲量，并转变为电信号，由数据采集模块采集并进行信号处理，由无线通讯接口传送至上位机模块，对反馈数据进行判断，并根据判断结果改变可调直流电源的电压输出，调节压电陶瓷双晶片的弯曲量，从而改变压电陶瓷双晶片和固定夹爪之间的开合量，直至即能保证可靠夹持，又不因为夹持作用力过大破坏工件，微小尺度零件夹持完成。

有益效果：

1、本发明的微夹持器能对特征尺寸在0.1mm以上的零件进行无损有效夹持；

2、本发明的微夹持器通过夹持加固模块能实现对大质量大尺度的零件的夹持；

3、本发明的微夹持器能满足微操作系统对微夹持器的定位精度的要求；

4、本发明的微夹持器可检测微小的夹持力，并进行反馈控制，而且各功能模块在空间上不易发生干涉，在实际使用中更灵活方便。

附图说明

图1是微夹持器及反馈部分信息流示意图；

图2是微夹持器二维结构图；

图3微夹持器的压电陶瓷夹持加固器部分的二维结构图。

图中：1-直线电机、2-支架、3-夹持加固器、4-压电陶瓷双晶片、5-固定夹爪、6-底座、7-加固夹爪、8-转动轴，9-弹簧、10-电磁铁固定块、11-电磁铁动端、12-电磁铁定端、13-加固器支座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

图1是微夹持器及反馈部分信息流示意图，如图1所示，本发明的大范围多尺度集成微力检测和无线反馈的双晶片微夹持器从功能上可以分为宏动开合模块、微动夹持模块、夹持加固模块、微力传感模块、数据采集模块、无线通讯接口模块和上位机模块七个功能模块。宏动开合模块可直接夹持特征尺寸为2-15mm的宏零件，并在夹持特征尺寸为0.1-2mm微小尺度精密零件时用于粗定位。微动夹持模块专用于微小尺度零件夹持。夹持加固模块用于特征尺寸为2-15mm的宏零件夹持时，加强压电陶瓷双晶片的刚度，保证宏零件夹持的稳定性。微力传感模块与数据采集模块用于获得夹持作用力。无线通讯接口模块将采集的夹持作用力对应的电信号传送给上位机。上位机模块用于反馈数据的再处理和判断，以及可调直流电源的调节。夹持器工作过程如下：当夹持特征尺寸为2-15mm的大尺度零件时，采用宏动开合模块直接夹持零件，并采用夹持加固模块作用于压电陶瓷双晶片侧面，以加强其刚度，保证压电陶瓷双晶片输出恒定的夹持力，避免在夹持和运输零件的过程中造成零件脱落，大尺度零件夹持完成；当夹持特征尺寸为0.1-2mm的微小尺度精密零件时，首先采用宏动开合模块粗定位压电陶瓷双晶片的位置，使压电陶瓷双晶片和固定夹爪之间的开合量小于等于2mm，粗定位完成后，启动微动夹持模块，调节可调直流电源的电压输出，使压电陶瓷双晶片弯曲，同时微力传感模块检测压电陶瓷双晶片的弯曲量，并转变为电信号，由数据采集模块采集并进行信号处理，由无线通讯接口传送至上位机模块，对反馈数据进行判断，并根据判断结果改变可调直流电源的电压输出，调节压电陶瓷双晶片的弯曲量，从而改变压电陶瓷双晶片和固定夹爪之间的开合量，直至即能保证可靠夹持，又不因为夹持作用力过大破坏工件，微小尺度零件夹持完成。

如图1和图2所示，本发明的大范围多尺度集成微力检测和无线反馈的双晶片微夹持器各个模块的具体功能和实现方式如下：

宏动开合模块可实现直接夹持特征尺寸在2-15mm的零件，当夹持精密零件时，也可实现精密夹持时的粗定位，它由直线电机1，支架2与压电陶瓷双晶片4组成。支架2固定在直线电机1上，压电陶瓷双晶片4固定在支架2上。通过直线电机带动支架2左右移动，支架2带动压电陶瓷双晶片4左右移动，实现直接夹持特征尺寸在2-15mm的零件。当夹持精密零件时，实现压电陶瓷双晶片与固定夹爪5之间距离在2mm左右的粗定位。

微动夹持模块可实现对特征尺寸在0.1-2mm的零件的精密夹持。它由可调直流电源、压电陶瓷双晶片4和固定夹爪5组成。当对零件进行精密夹持时，在宏动开合模块完成粗定位之后，通过可调直流电源给压电陶瓷双晶片加直流电压，双晶片在不同大小的电压下会产生不同程度的弯曲，从而在2mm范围内改变双晶片与固定夹爪之间的距离，进而夹紧微小型零件。在夹持过程中，以固定夹爪作为基准，实现精确定位，这样就避免了两个夹爪均使用双晶片时因双晶片刚度不够而影响定位精度。

如图3所示，夹持加固模块可加强压电陶瓷双晶片的刚度，使其能保证固定的夹持输出力，夹持住较大零件。夹持加固模块由加固夹爪、转动轴、弹簧，电磁铁固定块，电磁铁动端，电磁铁定端，加固器支座组成。它们的连接关系为：加固夹爪7通过转动轴8固定在加固器支座13上，加固夹爪7之间有弹簧9连接，电磁铁固定块10和加固夹爪7通过螺钉固定连接，电磁铁定端12和电磁铁动端11分别固定在两个电磁铁固定块10上。加固器的加固夹爪7的开合是通过电磁驱动和对称的两个杠杆式结构实现的。非工作状态下，电磁铁通电，电磁铁动端11、电磁铁定端12吸合，加固夹爪7的夹持端松开。工作状态下，即压电陶瓷双晶片4已弯曲到合适状态，已把零件夹紧时，电磁铁断电，电磁铁动端11、电磁铁定端12放开，依靠弹簧9的压紧使加固夹爪7的夹持端夹紧，从而从侧向夹紧压电陶瓷双晶片4，保证固定的夹持输出力，避免在夹持和运输零件的过程中造成零件脱落。

微力传感模块、数据采集模块以及无线通讯接口模块和上位机模块共同完成微力检测功能。微力传感模块可实现将压电陶瓷双晶片4的弯曲量转变为电信号，并将检测到的电信号传送到数据采集模块。

数据采集模块可采集微力传感模块输出的电信号，并对输出的电信号进行处理，使该电信号可通过无线通讯接口模块传送。

无线通讯接口模块可将接收到的电信号传输到上位机模块。上位机模块对该信号进行处理，并换算成夹持力，与预设夹持力进行比对，再输出反馈信号，控制可调直流电源输出的电压，从而调节压电陶瓷双晶片的弯曲量，从而改变压电陶瓷双晶片和固定夹爪之间的开合量，直至即能保证可靠夹持，又不因为夹持作用力过大破坏工件，微笑尺度零件夹持完成。