基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构的制作方法

本发明涉及精密驱动和材料微观力学性能原位测试领域，特别涉及微机电系统领域的仪器仪表类，尤指一种基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构，用于用于特征尺寸直径0.1mm以下微小尺寸材料的夹持及测试。本发明可通过与扫描电镜等成像仪器的兼容使用，对被测试件在单轴拉应力、双轴拉应力的力学状态下进行原位检测，对揭示碳纤维等微尺寸材料的变形损伤机制和性能演化规律提供了有效手段，为材料表征及深入理解材料力学性能提供测试装备。

背景技术：

随着科技的发展，在超精密加工、微电子工程、生物工程、纳米技术等领域都迫切需要亚微米级甚至纳米级的精密操作技术。在微型装配系统中，微夹持器系统是保证整个微机械系统可靠性和功能的关键部分，其往往与微装配、微操作等系统技术紧密联系在一起。微夹持器作为一种典型的微执行器，在微机械零件加工、微机械装配和生物工程等多方面都有广泛的应用。

一个完备的微夹持器应该包括驱动和传动两大部分，往往采用压电叠堆进行驱动，其伸缩量与所施加的电压有关，受环境温度、湿度、电磁场、气流等因素的影响较小。而传动环节采用柔性铰链，它是近年来发展起来的一种新型的传动、支撑机构，其利用薄弱环节的弹性变形来完成类似的铰链功能，具有体积小、无摩擦、运动间隙小和分辨率高等有点。但就目前情况来看，利用柔性铰链与压电叠堆组合的微夹持器还存在不足之处：首先国内学者对微夹持器的研究主要集中于实现夹持功能的结构设计和理论建模。余大海提出适用于惯性约束聚变（icf）靶夹持的多用微夹持器；郝永平提出一种用于mems（micro-electro-mechanicalsystem）装配的微夹持器结构；王代华提出一种压电驱动的微夹钳及其开环位移特性。但他们所设计的夹持器仅能实现微夹持功能，没有考虑如何将夹持力传感集成于结构，不能检测夹持器在工作状态下的夹持力。而微夹持器在微夹持过程中，不仅需要完成对微小尺寸物体的夹持操作，还要避免在微夹持过程中对微小物体造成损伤或脱落。而现有的微夹持器仅属于开环控制，没有实现对夹持里的实施检测，从而对夹持力进行预测和控制。其次，现如今的采用柔性铰链的微夹持器大多为平面柔性铰链机构，且仅具有夹持作用，难以与夹持相结合的对材料的微观力学性能测试。

综上，开发可集成微尺寸试件夹持与材料微观力学性能测试相结合，且能对夹持力进行闭环控制的微夹持器，是十分必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构，解决了现有技术存在的毫米级以下微尺寸试件不易夹持，难以对其进行力学性能研究等问题。本发明由压电式并联加载单元、柔性铰链传动单元、仿生夹持端、夹持力检测单元、高温加载单元及组合式支撑单元组成。利用压电驱动元件测试精度高、体积小巧、结构紧凑、响应快速和输出位移易于控制等优势，并结合仿生夹持端、夹持力检测单元，本发明除可实现对不同尺寸试件的夹持外，还可实现对夹持力的预测及控制。与此同时，高温加载单元、组合式支撑单元可与压电驱动三爪微尺寸夹持机构组合使用，形成高温服役条件下单轴应力测试平台。与双轴基座组合，可构成高温服役条件下双轴平面应力状态测试平台。此外，本发明整体尺寸仅为30mm×26mm×16mm，可放置与扫描电镜腔内，与扫描电镜等表征仪器配合使用，真正实现原位测试，为揭示碳纤维等微尺寸材料的变形损伤机制和性能演化规律提供了有效手段。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构，包括压电式加载单元、柔性铰链传动单元、仿生夹持单元、夹持力检测单元、高温加载单元、可拆卸支撑单元，其中，柔性铰链传动单元中的柔性铰链转动副移动端3、柔性铰链球面副移动端4、柔性铰链基座5及爪趾夹持端实为一体，柔性铰链基座5中设有与多载荷封装式压电叠堆1宽度一致的沟槽，多载荷封装式压电叠堆1嵌入式安装于所述沟槽内，并通过压电叠堆预紧块2预紧；柔性铰链基座5通过m3螺栓6、m3螺母10与组合式基座7刚性连接，双轴基座8通过m2螺栓9与组合式基座7刚性连接；高温加载单元中的卤素加热灯14通过螺纹连接方式与组合式基座7刚性连接；

所述压电式加载单元包括三个多载荷压电驱动器、三个柔性铰链球面副移动端4、三个柔性铰链转动副移动端3，每个多载荷压电驱动器由压电叠堆预紧块2、多载荷封装式压电叠堆1组成；三个多载荷压电驱动器呈120°内包络式环形分布，安装于柔性铰链基座5的卡槽内；未对多载荷封装式压电叠堆1施加电压时，其受厚度可调的压电叠堆预紧块2作用，处于压缩状态；施加电压时，其轴向伸长，且长方体形状的多载荷封装式压电叠堆1具有输出位移自检测功能；

所述柔性铰链传动单元是：多载荷封装式压电叠堆1的输出位移通过下层柔性铰链17转动副移动端的面内扩张及以内层柔性铰链16的柔性铰链球面副移动端4为支点的压杆弯曲传递至爪趾夹持端；三个柔性铰链转动副移动端2、三个柔性铰链球面副移动端4及三个爪趾夹持端呈120°环形对称分布，确保夹持轴线与材料轴线重合；

所述仿生夹持单元为三个爪趾夹持端，每个爪趾夹持端由生物非光滑表面11及土壤动物的爪趾构形12组成，多载荷封装式压电叠堆1的输出位移通过柔性铰链转动副移动端3及柔性铰链球面副移动端4传递至爪趾夹持端，使爪趾夹持端产生形变实现对试件的夹持；爪趾夹持端具有的生物非光滑表面11及爪趾构形12使爪趾夹持端与被夹持物间摩擦增大，从而实现对微小尺寸、难以夹持试件的夹持；

所述夹持力检测单元是：电阻应变片15直接黏附于爪趾夹持端的爪趾构形12处，当爪趾构形12与被夹持微试件13接触实现夹持时，爪趾构形12尖端处形变最大，此处即为力传感单元的位置，电阻应变片15的应变直接反应夹持力的大小；通过标定的方法分别确定压电驱动器输入电压、夹持力与力传感器单元应变的关系，可得出驱动电压与夹持力之间的关系，便于预测和控制夹持力。

所述可拆卸支撑单元由组合式基座7、双轴基座8及螺栓9组成，当组合式基座7单独与柔性铰链基座5通过螺栓6、螺母10刚性连接时，实现对材料的单轴力学测试功能；双轴基座8通过螺栓9与组合式基座7相连，通过6螺栓、螺母10与柔性铰链基座5相连，实现双轴力学测试功能；

所述高温加载单元包括组合式基座7及卤素加热灯14，组合式基座7中心处具有环形凹槽结构，卤素加热灯14直接内嵌于组合式基座7中心，光源焦点即为被夹持微试件13中心处。

所述的多载荷封装式压电叠堆1呈120°内包络式环形分布，在电压信号作用下其输出的位移通过下层柔性铰链17转动副移动端的面内扩张及以内层柔性铰链16的柔性铰链球面副移动端4为支点的压杆弯曲传递至爪趾夹持端，最终实现爪趾夹持端向轴线方向的转动及靠近柔性铰链基座5的回退运动；基于不同幅值的驱动电压，三个多载荷封装式压电叠堆1实现多样的轴向伸长运动的组合形式，对应于爪趾夹持端不同形式的位移；进而，实现对于不同直径的被测微试件的夹持。

所述的爪趾夹持端具有生物非光滑表面11，爪趾夹持端表面分布球冠状凸包，增大夹持阻力并显著提高夹持端的使用寿命，使小尺寸试件夹持更紧密。爪趾夹持端顶部运用土壤动物的爪趾构形12，当多载荷封装式压电叠堆1的输出运动传递至爪趾夹持端时，其顶部的爪趾构形12增大夹持稳定性；且三个爪趾夹持端呈120°空间对称分布，当对多载荷封装式压电叠堆1输入相同电压信号时，其运动方式一致，确保夹持时试件的中心与装置几何中心重合，保证对中性。

所述的夹持力检测单元，将电阻应变片15直接粘附于仿生夹持端的爪趾构形12尖端形变最大处，通过标定确定驱动电压与夹持力间关系，实现对夹持力的预测及控制；在微夹持过程中，不仅完成对微小尺寸物体的夹持操作，还避免了在微夹持过程中对微小物体造成损伤或脱落。

所述的组合式基座7通过m3螺栓6、m3螺母10与柔性铰链基座5刚性连接，实现单轴力学测试；多载荷封装式压电叠堆1的输出位移传递至爪趾夹持端时，其运动方式除靠近中心轴的夹持外，还具有靠近柔性铰链基座5的回退运动，对应于试件的夹紧及轴向拉伸；组合式基座7还可以与双轴基座8通过m2螺栓9刚性连接，实现双轴力学测试。

所述的高温加载单元集成于组合式基座7中，卤素加热灯14直接内嵌于组合式基座7中心处的环形凹槽中，光源焦点正对于被夹持微试件13中心处，构建出高温服役条件下的力学性能试验平台。

本发明的有益效果在于：结构精巧，整个装置尺寸仅为30mm×26mm×16mm，通过压电叠堆驱动，柔性铰链精确传动即可实现对特征尺寸直径0.1mm以下微试件的夹持。运用仿生夹持端可增大夹持的稳定性完成对微小尺寸物体的夹持操作的同时，避免了在微夹持过程中对微小物体造成损伤或脱落。且可集成高温加载单元、组合式支撑单元，通过与扫描电子显微镜等成像仪器设备的兼容使用，可对高温服役环境和平面应力状态下材料的微观力学机制进行研究，为了解、揭示材料的力学性能和提升工程结构的服役可靠性和稳定性提供夹持方法。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体外观结构示意图；

图2为本发明的单轴拉伸形式示意图；

图3为本发明的夹持机构整体示意图；

图4为本发明的柔性铰链整体示意图；

图5为本发明的仿生夹持端示意图；

图6为本发明的加载方式原理图；

图7为本发明的柔性铰链传动原理图。

图中：1、多载荷封装式压电叠堆2、压电叠堆预紧块3、柔性铰链转动副移动端4、柔性铰链球面副移动端5、柔性铰链基座6、m3螺栓7、组合式基座8、双轴基座9、m2螺栓10、m3螺母11、生物非光滑表面12、爪趾构形13、被夹持微试件14、卤素加热灯15、电阻应变片；16、内层柔性铰链；17、下层柔性铰链。

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7所示，本发明的基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构，包括压电式加载单元、柔性铰链传动单元、仿生夹持单元、夹持力检测单元、高温加载单元、可拆卸支撑单元，柔性铰链基座5上加工有规则沟槽，与多载荷封装式压电叠堆1尺寸匹配，多载荷封装式压电叠堆1内嵌至柔性铰链基座5的沟槽中，并通过厚度可调的预紧块2进行预紧，确保多载荷封装式压电叠堆1承受压缩载荷。由压电叠堆驱动器输出电压至多载荷封装式压电叠堆1，使得多载荷封装式压电叠堆1有位移输出。柔性铰链基座5保持固定，多载荷封装式压电叠堆1的输出位移通过与其直接接触的下层柔性铰链17转动副移动端3的面内扩张传递至爪趾夹持杆。三个爪趾夹持杆在空间上呈120°环形对称分布并两两通过内层柔性铰链16圆柱形杆相连，在每个圆柱形杆上加工有两组锥状柔性铰链球面副移动端4。当运动传递至爪趾夹持杆时，以内层柔性铰链16球面副移动端中心为运动支点，在弯矩作用下使得内层柔性铰链16圆柱杆弯曲，使得爪趾夹持端靠近试件，通过爪趾夹持端上加工出的生物非光滑表面11与爪趾构形12对被测微试件13夹紧并有靠近柔性铰链基座5的回退作用。可实现夹持及回退运动的基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构，可通过m3螺栓6与组合式基座7相连，构成可对被测微试件13进行单轴拉伸实验的力学测试平台。若想测试平面应力时，可将构成的单轴拉伸试验平台通过m2螺栓9与双轴基座8结合，构成四个夹持端在平面两两呈90°夹角的双轴力学性能测试平台。

所述压电式加载单元包括三个多载荷压电驱动器、三个转动副移动端3、三个球面副移动端4，其中柔性铰链转动副移动端3、柔性铰链基座5、柔性铰链球面副移动端4、爪趾夹持端实为一体。柔性铰链基座5即柔性铰链刚性部分内加工有规则沟槽结构，多载荷封装式压电叠堆1通过嵌入式方式安装在柔性铰链基座5中的沟槽内。多载荷封装式压电叠堆1通过厚度可调的预紧块2进行预紧，确保多载荷封装式压电叠堆1承受压缩载荷。柔性铰链转动单元中柔性部分即柔性铰链转动副移动端3与柔性铰链球面副移动端4通过聚焦离子束切割，确保柔性部分可实现所需变形，对多载荷封装式压电叠堆1输出位移进行恒比率的线性放大，以实现爪趾夹持端对试件的夹持运动。柔性铰链基座5通过螺栓6通过螺纹连接方式与组合式基座7刚性连接。双轴基座8可与m2螺栓9通过螺纹连接方式与组合式基座7刚性连接。

所述的仿生夹持单元包括三个仿生夹持爪，其中每个仿生加持爪由生物非光滑表面11及爪趾构形12组成。生物非光滑表面11具有凸包形非光滑形态，且凸包直径从夹持端到柔性铰链基座端直径逐渐增大，与无特殊处理夹持端表面相比增加了夹持端与试件间的接触面积，使夹持更为牢固。爪趾构形12由典型土壤动物爪趾构形演变而来，确保了夹持端对试件的夹持更紧密、可靠。三个仿生夹持爪采用120°的内包络式环形分布，具有自对中性，确保了被夹持试件轴线与夹持机构整体的轴线相重合。

所述的夹持力检测单元包括爪趾构形12、被夹持微试件13及电阻应变片15，电阻应变片15可直接黏附于仿生夹持端的爪趾构形12处，当爪趾构形12与被夹持微试件13接触实现夹持时，爪趾构形12尖端处形变最大，此处即为力传感单元的位置，电阻应变片15的应变直接反应夹持力的大小。通过标定的方法分别确定压电驱动器输入电压、夹持力与力传感器单元应变的关系，可得出驱动电压与夹持力之间的关系，便于预测和控制夹持力。在微夹持过程中，不仅完成对微小尺寸物体的夹持操作，还避免了在微夹持过程中对微小物体造成损伤或脱落。

所述的组合式支撑单元由m3螺栓6、m2螺栓9、m3螺母10、组合式基座7、双轴基座8组成。组合式基座7中有两平行对称端面，端面中心加工有螺纹孔，柔性铰链基座5中心加工有通孔，组合式基座7可与柔性铰链基座5通过m3螺栓6固连。当多载荷封装式压电叠堆1输出位移后，通过柔性铰链转动副移动端3及柔性铰链球面副移动端4的位移传递，仿生夹持爪除了对试件加紧外还有回退运动，而组合式基座7此时给柔性铰链传动单元一个支撑的推力，使被夹持微试件13受到拉力的作用，即构成了可对微小尺寸试件做单轴拉伸试验的力学实验平台。除此之外，利用相同的原理，整个机构还可与双轴基座8通过m2螺栓9固连，构成可进行双轴力学试验研究材料平面应力状态的实验平台。

所述高温加载单元包括组合式基座7及卤素加热灯14，组合式基座7中心处具有环形凹槽结构，卤素加热灯14可直接内嵌于组合式基座7中心，光源焦点即为被夹持微试件13中心处，构成高温服役条件下的力学性能测试平台。

参见图1至图7，本发明涉及基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构，测试装置的整体尺寸约为30mm×26mm×16mm，三个内置封装型压电叠堆的多载荷压电驱动器呈120°内包络环形分布安装形式，通过下层柔性铰链移动副面内扩张及以内层支点为转动副运动中心的运动传递，其在不同时序电压下的轴向伸长运动对应于被夹持试件的不同夹持直径。仿生夹持端采用生物非光滑机理及土壤动物爪趾构形，增大夹持摩擦力，可解决微小尺寸构件夹持这一难题。夹持力检测单元可检测夹持端对试件的夹持力，避免损伤试件。此外，微夹持机构还可与组合式支撑单元、高温加载单元结合，构建出高温服役条件下位移可控的单轴、双轴力场，实现微小尺寸构件单轴、双轴力学性能测试功能。本发明结构紧凑，应用范围广泛，可与扫描电镜结合使用，为碳纤维等微尺寸材料的力学性能测试、表征提供有效工具。本发明中涉及到的元器件和具体型号为：多载荷封装式压电叠堆1的型号为pst150/2×3/5，陶瓷尺寸为2×3×5mm，刚度为45n/μm，谐振频率为150khz，最大推力为300n，标称位移为5μm。预紧块7采用线切割加工方式，其厚度可调，为1mm-1.2mm，可实现多载荷封装式压电叠堆9的预紧，最大预紧力可到100n。柔性铰链转动副移动端4、柔性铰链球面副移动端5、柔性铰链基座5实为一体，其定位面和接触面均做抛光平坦化处理。其中，柔性铰链球面副移动端5的锥形表面加工分为两个工序，分别为精密数控镗削加工和快速刀具伺服加工。组合式基座7及双轴基座8采用线切割加工方式，其定位面和接触面均做抛光平坦化处理。生物非光滑表面11具有尺寸50μm-1μm，尺寸变化的凸包结构，采用冷气体动力喷涂方式，以压缩气体为加速气体，带动65mn粉末颗粒以室温、超音速撞击仿生夹持端表面，使金属颗粒发生强烈的塑性变形而沉积形成涂层。爪趾构形12因其尖端结构微小，故采用聚焦离子束切割的加工方式。卤素加热灯14型号为g3，最高加热温度可达1200℃。电阻应变片型号为日本共和khcd型高温应变片，可在850℃高温环境下稳定工作。

具体测试过程中，若仅实现对微尺寸试件夹持，则将三个多载荷封装式压电叠堆1嵌入柔性铰链基座5的卡槽内，将预紧块2放置于两者之间，实现对多载荷压电叠堆1的预紧。再将柔性铰链基座5通过m3螺栓6及m3螺母10安装于固定平台上。对多载荷封装式压电叠堆1输入100v电压，其产生的位移通过柔性铰链转动副移动端3的面内扩张及以柔性铰链球面副移动端4的为支点的转动，使得仿生夹持端实现对被夹持微试件13的夹持。爪趾构形12处粘附的电阻应变片15实现对夹持力的实时监控，避免了在微夹持过程中对微小物体造成损伤或脱落。

若想实现对被夹持微试件13高温服役条件下的力学性能测试，则需将安装好的夹持机构整体通过m3螺栓6及m3螺母10与组合式基座7相连，两夹持机构面对面对称安装，对多载荷压电叠堆驱动器1输入电压，在夹持过程中同步实现回退运动，从而对被夹持微试件13实现单轴力学性能测试。卤素加热灯14内嵌于组合式基座7中心处的环形凹槽内，对卤素加热灯14施加220v电压，确保其实现稳定的温度场。

若想实现对被夹持微试件13高温服役条件下双轴平面力学性能测试，则需先将被夹持微试件13放置于安装好的单轴力学测试平台内，安装好的夹持机构整体通过螺纹连接与双轴基座8相连，再将双轴基座8通过m2螺栓9与安装好的单轴力学测试平台中的组合式基座7相连，且安装时保证双轴试件中未被夹持的两端与双轴基座8上安装的夹持机构整体同轴。安装好后即可实现高温服役条件下的双轴力学性能测试。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。