六自由度双指并联微/纳操作装置及其操作方法与流程

本发明涉及一种六自由度双指并联微/纳操作装置及其操作方法，具体地说是应用直线超声电机驱动两个并联操作指实现六自由度运动的操作装置，其可应用于生物细胞等微米级物体分离、夹取和翻转等操作，属于微/纳制造科学与技术领域、生物工程技术领域。

背景技术：

随着生物工程、医疗等科学技术的快速发展，人类探索微观世界脚步不断加快。微/纳操作系统是用于对微观颗粒进行操作的宏观机电系统。通过施加力实现对微米/纳米尺寸结构和器件的推/拉、抓取/释放、定位、定向操作。主要应用在微/纳结构与器件的操作、封装和装配，细胞、基因、蛋白质等生物颗粒的操作。因此微/纳操作系统的研究在微/纳制造科学与技术领域、生物制造与仿生制造科学领域有重要的应用价值和学术价值。现有的微/纳操作装置多用压电材料直接驱动，作动范围有限，操作空间范围小，不能满足跨尺度的操作需求。

技术实现要素：

本发明提出了一种六自由度双指并联微/纳操作装置及其操作方法，具体地说是应用直线超声电机驱动两个并联操作指实现六自由度运动的操作装置，其操作位移分辨率可达纳米级，可应用于生物细胞等微米级物体分离、夹取和翻转等操作，并能实现对微米至毫米级尺寸物体的跨尺度操作。

本发明是通过以下技术实现的：

一种六自由度双指并联微/纳操作装置，其特征在于：包括基体、安装于基体上的n个大圆环驱动直线超声电机、n个小圆板驱动直线超声电机，还包括大圆环、小圆板；所有大圆环驱动直线超声电机和所有小圆板驱动直线超声电机的动子运动方向相互平行；大圆环驱动直线超声电机和小圆板驱动直线超声电机间隔布置、绕基体的轴线一周平均分布；且所有大圆环驱动直线超声电机距离基体轴线距离相等为d，所有小圆板驱动直线超声电机距离基体轴线距离相等为d，且d大于d;所述小圆板和大圆环中心位于基体的轴线上；n个大圆环驱动直线超声电机的动子的末端通过直圆柔性球铰与大圆环相连，n个小圆板驱动直线超声电机的动子的末端通过直圆柔性球铰与小圆板相连；直圆柔性球铰的中心轴与动子运动方向平行；上述小圆板固定有中心指，中心指的末端安装有小圆板末端指针；大圆环上固定有偏心指，偏心指的末端安装有大圆环末端指针；上述中心指、小圆板末端指针与基体轴线重合；大圆环末端指针与基体轴线平行。

所述的六自由度双指并联微/纳操作装置，其特征在于：上述n=3；上述基体呈六个齿的圆柱齿轮状，每两个相邻的齿面相隔60°角。

所述的六自由度双指并联微/纳操作装置，其特征在于：还包括底座，底座呈圆筒状，圆柱齿轮状的基体位于圆筒状的底座中。

所述的六自由度双指并联微/纳操作装置，其特征在于：所述的直圆柔性球铰一端带有凹槽另一端带有螺纹孔，凹槽端用于与大圆环驱动直线超声电机或小圆板驱动直线超声电机的动子末端胶粘固定，螺纹孔端用于通过螺栓连接大圆板或小圆板。

所述的六自由度双指并联微/纳操作装置的工作方法，其特征在于：n个大圆环驱动直线超声电机协调工作，通过直圆柔性铰链推动大圆环偏转或平移，实现偏心指的空间运动；n个小圆板驱动直线超声电机协调工作，通过直圆柔性铰链推动小圆板偏转或平移，实现中心指的空间运动；进而实现小圆板末端指针和大圆环末端指针的夹取动作。

本发明提出的一种六自由度双指并联微/纳操作装置及其操作方法，其有益效果在于，设计了一种具有六个直线超声电机驱动的结构紧凑的六自由度双指并联微/纳操作装置，通过直线超声电机驱动的中心指和偏心指，均可分别实现较高位移分辨率和较大操作行程的空间运动，中心指和偏心指可以实现互不干涉的独立运动，中心指和偏心指可以配合实现较大空间范围的六自由度操作运动，操作灵活，其较大的操作空间能够实现跨尺度操作，满足微/纳结构与器件的操作、封装和装配以及细胞、基因、蛋白质等生物颗粒的操作要求。

附图说明

图1为本发明一种六自由度双指并联微/纳操作装置整机示意图；

图2为图1中基体上六个直线超声电机安装位置分布示意图；

图3为图1所示的基体结构示意图；

图中标号名称：1-直圆柔性球铰；2-底座；3-驱动大圆板的直线超声电机；4-驱动小圆板的直线超声电机；5-基体；6-大圆板；7-小圆板；8-偏心指；9-中心指；10-小圆板末端指针；11-大圆环末端指针。

具体实施方式

一种六自由度双指并联微/纳操作装置及其操作方法，该操作装置整机结构如图1所示。

所有大圆环驱动直线超声电机3和所有小圆板驱动直线超声电机4的动子运动方向相互平行；大圆环驱动直线超声电机3和小圆板驱动直线超声电机4间隔布置、绕基体5的轴线一周平均分布；且所有大圆环驱动直线超声电机3距离基体5轴线距离相等为d，所有小圆板驱动直线超声电机4距离基体5轴线距离相等为d，且d大于d;所述小圆板7和大圆环6中心位于基体5的轴线上；n个大圆环驱动直线超声电机3的动子的末端通过直圆柔性球铰1与大圆环6相连，n个小圆板驱动直线超声电机4的动子的末端通过直圆柔性球铰1与小圆板7相连；直圆柔性球铰1的中心轴与动子运动方向平行；

上述小圆板7固定有中心指9，中心指的末端安装有小圆板末端指针10；大圆环6上固定有偏心指8，偏心指的末端安装有大圆环末端指针11；上述中心指9、小圆板末端指针10与基体5轴线重合；大圆环末端指针11与基体5轴线平行。

n可以根据实际情况取值，比如2-10。当上述n=3；上述基体5呈六个齿的圆柱齿轮状，每两个相邻的齿面相隔60°角。

还包括底座2，底座呈圆筒状，圆柱齿轮状的基体5位于圆筒状的底座中。

所述的直圆柔性球铰1一端带有凹槽另一端带有螺纹孔，凹槽端用于与大圆环驱动直线超声电机3或小圆板驱动直线超声电机4的动子末端胶粘固定，螺纹孔端用于通过螺栓连接大圆板6或小圆板7。

n个大圆环驱动直线超声电机3协调工作，通过直圆柔性铰链1推动大圆环6偏转或平移，实现偏心指8的空间运动；

n个小圆板驱动直线超声电机4协调工作，通过直圆柔性铰链1推动小圆板7偏转或平移，实现中心指9的空间运动；

进而实现小圆板末端指针10和大圆环末端指针11的夹取和释放等动作。

所述操作装置，通过控制直线超声电机运动的步长来控制两指的移动距离或偏转角度，进一步控制操作装置的空间操作精度。可实现纳米级的位移分辨率，并能实现对微米至毫米级尺寸物体的跨尺度操作。

所述操作装置，通过各自分别具有两个转动和一个平动的两指，实现所夹取物体的六自由度运动。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种六自由度双指并联微/纳操作装置及其操作方法，属于微/纳制造科学与技术领域、生物工程技术领域。其包括底座、基体、驱动大圆环的直线超声电机、驱动小圆板的直线超声电机、直圆柔性球铰、大圆环、小圆板、中心指、偏心指、小圆板末端指针和大圆环末端指针。该装置利用六个直线超声电机和六个直圆柔性球铰分别驱动并联的中心指和偏心指，实现两指六自由度的协同操作，具有结构新颖，位移分辨率高，操作空间大，输出平稳，工作可靠等优点。

技术研发人员：姚志远;代士超;周利锋
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2017.11.02
技术公布日：2018.02.23