一种具有三级放大机构的二自由度折展立体微机械手的制作方法

本发明属于微操作机器人领域，特别是涉及一种具有三级放大机构的二自由度折展立体微机械手。

背景技术：

近年来，随着微电子、生命科学和微操作机器人技术的迅速发展，微纳器件的应用越来越广泛。微纳器件制造、测试和加工以及精密操作等与其他基础学科的结合日益密切，已成为引领科学发展和工程应用的重要前沿科学技术之一，受到了众多专家学者的广泛关注。微操作技术已经广泛应用于生物工程、微器件键合、光学器件装配与光纤对接等众多领域。

微机械手作为微操作系统的末端执行器，直接与被操作物体接触，其精度和稳定性对微操作系统的操作质量有十分重要的影响。传统微机械手大多具有二维平面结构，并且只有一个自由度，只能实现抓取动作。平面结构微机械手与微操作机器人机械臂结合时需要借助基座等器件，夹持方向一般与机械臂轴线方向垂直，限制了微操作机器人的应用范围，增加了机械臂运动控制的难度。此外，在复杂微操作领域，单自由度微机械手已不再适应。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种具有三级放大机构的二自由度折展立体微机械手，该微机械手为立体结构，平面尺寸小、自由度多、结构紧凑、夹紧力稳定可靠、便于与微操作机器人机械臂连接，可以实现抓取和搓动操作并且运动精度高，在不借助外部机构条件下可以利用搓动运动产生的摩擦力实现主动释放微小物体。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有三级放大机构的二自由度折展立体微机械手，由两组相同的三级放大机构沿对称轴折叠组成，每组三级放大机构所在的平面成90°夹角；所述三级放大机构包括杠杆位移放大机构ⅰ、半桥型位移放大机构、杠杆位移放大机构ⅱ、平行四边形导向机构和基体；所述杠杆位移放大机构ⅱ和半桥型位移放大机构竖向设置于基体上方，所述半桥型位移放大机构的顶端通过柔性铰链与所述杠杆位移放大机构ⅰ连接，所述平行四边形导向机构集成于杠杆位移放大机构ⅱ中；

在所述基体和所述杠杆位移放大机构ⅰ之间设有压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器设有预紧螺栓，所述预紧螺栓连接在所述基体上；所述杠杆位移放大机构ⅱ设有输出端和输入端；所述半桥式放大机构的输出端通过连杆和柔性铰链与所述杠杆位移放大机构ⅱ的输入端连接；所述杠杆位移放大机构ⅱ的输出端与夹爪相连。

进一步的，所述半桥型位移放大机构为四连杆机构，所述四连杆机构由从上到下依次通过柔性铰链相连的第一连杆、第二连杆和第三连杆组成，所述第二连杆外侧通过柔性铰链连接有第四连杆，第四连杆即为半桥型位移放大机构的输出端。

进一步的，所述微机械手为空间立体结构。

进一步的，所述基体上设有螺栓安装定位孔。

进一步的，所述夹爪能实现夹持和搓动的两自由度运动。

进一步的，所述基体为l形，每组三级放大机构的基体的竖向段成90°夹角折叠且顶部与杠杆机构ⅰ相连，每组三级放大机构的基体的横向段上设有杠杆位移放大机构ⅱ和半桥型位移放大机构进一步的，所述微机械手结构采用板材线切割一体成型。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.微机械手采用折展立体结构，借鉴了人手和手臂的连接方式，便于与微操作机器人机械臂连接，简化了操作过程中机械臂的运动路径，并可以实现抓取和搓动二自由度运动。

2.完成相关操作任务后，可利用搓动自由度产生的摩擦力实现主动释放被操作物体。采用压电陶瓷驱动器作为微机械手的驱动源，可以明显降低微机械手整体质量和运动惯量。

3.压电陶瓷驱动器具有体积小、刚度高、响应速度快、位移分辨率高等特点，利用压电陶瓷驱动器驱动微机械手完成抓取、搓动、释放动作，可以有效改善微机械手的静动态特性。将压电陶瓷驱动器设置在微机械手内部，使微机械手结构紧凑。

4.该微机械手采用三级位移放大机构放大压电陶瓷驱动器的输出位移，使微机械手两钳口具有较大的输出位移，能够实现对不同尺寸物体的稳定夹持和搓动。

5.微机械手本体采用一体成型结构，不需要贵重材料，制作成本低。本发明机械手适用于微操作机器人末端，能实现抓取和搓动操作，自身可实现主动释放，夹紧力稳定可靠，制造成本低。

附图说明

图1为本发明的三维结构示意图。

图2a和图2b分别为图1中左侧三级放大机构的主视和侧视结构示意图。

图3为本发明的部分结构示意图，包含基体、平行四边形导向机构。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图3，一种具有三级放大机构的二自由度折展立体微机械手，该微机械手本体结构采用板材线切割一体成型，包括两个完全相同的三级放大机构和两个夹爪，两个三级放大机构沿对称轴折叠，所在两平面成90°夹角，每个三级放大机构包括杠杆位移放大机构ⅰ2、半桥型位移放大机构3、杠杆位移放大机构ⅱ5、平行四边形导向机构9和基体4，基体4成形于所述半桥型位移放大机构3和杠杆位移放大机构ⅱ5的底部。

杠杆位移放大机构ⅰ2通过柔性铰链2-2与基体4连接；半桥型位移放大机构3设有连接基体4、杠杆位移放大机构ⅰ2和半桥型位移放大机构3中各杆件的柔性铰链3-1；在两个半桥型位移放大机构3的外侧各设有一个与杠杆位移放大机构ⅱ5连接的输出端3-2；平行四边形导向机构9集成于杠杆位移放大机构ⅱ5中，并由柔性铰链5-1连接而成，起导向作用，减小寄生位移；在基体4和所述杠杆位移放大机构ⅰ2的输入端2-1之间设有压电陶瓷驱动器7，压电陶瓷驱动器7设有预紧螺栓8，预紧螺栓8连接在基体4上，在基体4的底部设有螺栓安装定位孔。

杠杆位移放大机构ⅱ5设有输出端5-4和输入端5-3，杠杆位移放大机构ⅱ5通过柔性铰链5-1与基体4连接；杠杆位移放大机构ⅱ5的输入端5-3与半桥型位移放大机构的输出端3-2通过柔性铰链5-2连接，杠杆位移放大机构ⅱ5的输出端5-4与夹爪1、夹爪6连接。

本发明实施例中采用立体折展式结构，利用更小的平面结构尺寸实现了更多地自由度，便于与微操作机器人机械臂连接，借鉴了人手和手臂的连接方式，简化了操作过程中机械臂的运动路径，并可以实现夹持和搓动操作。完成相关操作任务后，可利用搓动自由度实现主动释放被操作物体。

本发明的具体工作原理如下：

请参阅图1～图3，本发明微机械手在使用时，将微机械手通过螺栓连接固定在微定位平台上。当在压电陶瓷驱动器7的两端施加驱动电压时，压电陶瓷驱动器7将伸长，驱动杠杆位移放大机构ⅰ2绕柔性铰链2-2转动，并将压电陶瓷驱动器7的输出位移进行放大，杠杆位移放大机构ⅰ2与半桥型位移放大杆机构3通过柔性铰链3-1连接，半桥型位移放大机构3将压电陶瓷驱动器7的输出位移进一步放大，通过半桥型机构的输出端3-2将输出位移传递到杠杆位移放大机构ⅱ5的输入端5-3，带动杠杆位移放大机构ⅱ5运动，通过杠杆位移放大机构ⅱ5的输出端5-4带动夹爪1、6运动，实现夹持和搓动物体操作。当撤掉压电陶瓷驱动器7两端的驱动电压后，压电陶瓷驱动器7将恢复至原长，微机械手在柔性铰链弹性力的作用下回到原位置，夹爪1、6张开从而释放被夹持物体。通过调节预紧螺栓8可以改变压电陶瓷驱动器7的预紧力，能够调节夹爪1、6之间的间距，以满足夹持不同尺寸物体的需要。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。