气囊与夹爪一体式微夹持器的制作方法

1.本发明涉及微操作技术领域，尤其涉及一种气囊与夹爪一体式微夹持器。


背景技术：

2.微夹持器是在微操作或者微装配过程中直接与被夹持对象接触，其性能好坏直接影响到操作或装配质量和效率。现有静电驱动微夹持器、形状记忆合金驱动微夹持器、压电驱动微夹持器、电热驱动微夹持器、电磁驱动微夹持器以及流体驱动微夹持器。静电驱动产生令人满意的输出力，但在富含离子的液体中难以操作。形状记忆合金驱动虽然产生高力和位移，但由于与微器件的高表面体积比相关的热损失使得在液体环境中存在问题，这可能会损坏生物环境。而且形状记忆合金的位移由于其热机械非线性而难以控制。压电驱动提供高速和良好的运动分辨率，但位移输出是有限的，并且所需的施加电压会损坏生物系统。电热驱动能提供大的输出力但钳口温度易受驱动器影响从而对生物环境造成影响。由于磁场的不利结构，电磁驱动微夹持器具有较低的输出力，并且由于导电材料的热耗散和漏电的可能性，其性能也受到限制。此外电磁场可能对来自细胞和类器官的非常微弱的电生理信号(在皮安范围内)产生干扰影响。
3.现有虽然存在一些气动的柔性机械手，但是其体积很大，无法实现微型化。就算其结构在等比例缩小后，由于其结构布局的限制，在制作过程中容易存在气囊破裂、夹爪断裂或气道堵塞等多重问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种气囊与夹爪一体式微夹持器。
5.为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
6.一种气囊与夹爪一体式微夹持器，包括承载座和驱动夹持机构，所述驱动夹持机构包括相对设置的两个驱动夹持组件，每个所述驱动夹持组件包括一端设置于所述承载座上的主气囊、一体成型于所述主气囊的另一端的夹爪，每个所述主气囊均与所述承载座相连通，通过两个所述主气囊充气或放气带动两个所述夹爪张开或闭合。
7.作为本发明的进一步改进，所述主气囊的壁厚越小，所述主气囊的两相对内侧壁之间的间距、两个所述主气囊之间的间距均越大。
8.作为本发明的进一步改进，所述主气囊的壁厚为15-25μm，所述主气囊的两相对内侧壁之间的间距为65-110μm，两个所述主气囊之间的间距为65-90μm。
9.作为本发明的进一步改进，所述主气囊具有第一侧部、与所述第一侧部相对的第二侧部，所述第一侧部的壁厚小于所述第二侧部的壁厚，所述第一侧部的壁厚为15-25μm，所述第一侧部的内侧壁与所述第二侧部的内侧壁之间的间距为65-110μm，相邻所述第一侧部之间的间距为65-90μm。
10.作为本发明的进一步改进，所述主气囊的横截面呈矩形。
11.作为本发明的进一步改进，两个所述主气囊之间连通有第一通气部，所述第一通
气部延伸至所述承载座。
12.作为本发明的进一步改进，两个所述主气囊之间连通有至少一个辅助气囊。
13.作为本发明的进一步改进，所述辅助气囊与所述主气囊之间连通有第二通气部，所述第二通气部延伸至所述承载座。
14.作为本发明的进一步改进，所述夹爪的末端中心设置有容纳腔，所述夹爪的末端开设有至少一个漏液通道，所述漏液通道与所述容纳腔相连通。
15.作为本发明的进一步改进，所述承载座内设置有依次相连通的气道、缩径孔和安装孔，所述气道连通于所述主气囊。
16.本发明的有益效果是：
17.(1)本发明的主气囊与夹爪一体成型，提高气囊与夹爪之间连接的稳固性，打印良品率高。
18.(2)减少两个夹爪末端之间的对准偏差，使得两个夹爪的末端对准好，夹持稳定性好。
19.(3)主气囊与夹爪在同一延长线上，结构非常紧凑，便于在狭小空间操作。
20.(4)采用气动使气囊膨胀驱动夹爪张开，使用起来灵活方便，具有输出力大、驱动位移大、功率密度大、张合量分辨率高的优点。
21.(5)采用气动驱动的微夹持器不仅能在溶液中操作，生物相容性也非常好，具有非常广阔的应用前景。
22.(6)本发明整体尺寸在毫米左右，实现在尺寸较小的情况下能够达到一个较大的极限张合量，张合量分辨率能达到亚微米，夹持精度高，夹持对象在微米左右且夹持力达到14mn，能够实现对生物微结构的精细操作。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明的优选实施例一的结构示意图；
25.图2为本发明的优选实施例一的主视图；
26.图3为本发明的优选实施例一的侧视图；
27.图4为本发明的优选实施例一的竖向剖视图；
28.图5为本发明的优选实施例一的横向剖视图；
29.图6为本发明的优选实施例一的夹爪末端的结构示意图；
30.图7为本发明的优选实施例一的两个夹爪张开的结构示意图；
31.图8为本发明的优选实施例一的单个夹爪的总变形仿真图；
32.图9为本发明的优选实施例一的沿着x轴的变形仿真图；
33.图10为本发明的优选实施例一的等效弹性应变仿真图；
34.图11为本发明的优选实施例一的等效应力仿真图；
35.图12为本发明的优选实施例二的结构示意图；
36.图13为本发明的优选实施例二的主视图；
37.图14为本发明的优选实施例二的侧视图；
38.图15为本发明的优选实施例二的竖向剖视图；
39.图16为本发明的优选实施例二的横向剖视图；
40.图17为本发明的优选实施例二的两个夹爪张开的结构示意图；
41.图18为本发明的优选实施例二的显微镜下的两个夹爪的闭合和张开状态图；
42.图19为本发明的优选实施例二的显微镜下的两个夹爪夹持并分拣icr小鼠活体卵母细胞的状态图；
43.图20为本发明的优选实施例二的单个夹爪的总变形仿真图；
44.图21为本发明的优选实施例二的沿着x轴的变形仿真图；
45.图22为本发明的优选实施例二的等效弹性应变仿真图；
46.图23为本发明的优选实施例二的等效应力仿真图。
具体实施方式
47.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
48.实施例一
49.请参阅图1-图5，本技术实施例公开了一种气囊与夹爪一体式微夹持器，包括承载座1和驱动夹持机构，驱动夹持机构包括相对设置的两个驱动夹持组件2，每个驱动夹持组件2包括一端设置于承载座1上的主气囊21、一体成型于主气囊21的另一端的夹爪22，每个主气囊21均与承载座1相连通，通过两个主气囊21充气或放气带动两个夹爪22张开或闭合。主气囊21与夹爪22一体成型，提高主气囊21与夹爪22之间连接的稳固性，打印良品率高，同时提高主气囊21膨胀时带动夹爪22运动的一致性和稳定性，能将主气囊21膨胀时的驱动力快速准确地传递给夹爪22，运动精确度高，提高夹持精确度；同时，减少两个夹爪22末端之间的对准偏差，使得两个夹爪22的末端对准好，夹持稳定性好；主气囊21与夹爪22在同一延长线上，结构非常紧凑，便于在狭小空间操作；能够在溶液中操作，生物相容性好。
50.为了避免打印时的粘连，确保打印的良品率，优选主气囊21的壁厚越小，主气囊21的两相对内侧壁之间的间距、两个主气囊21之间的间距均越大。
51.优选主气囊21的壁厚为15-25μm，主气囊21的两相对内侧壁之间的间距为65-110μm，两个主气囊21之间的间距为65-90μm，能够避免主气囊21破裂，确保主气囊21能够打印成型，提高良品率，同时能够保证主气囊21变形大使得驱动行程大。
52.主气囊21具有第一侧部211、与第一侧部211相对的第二侧部212，第一侧部211的壁厚d1小于第二侧部212的壁厚d2，第一侧部211的壁厚d1为15-25μm，第一侧部211的内侧壁与第二侧部212的内侧壁之间的间距d3为65-110μm，相邻第一侧部211之间的间距d4为65-90μm。为确保主气囊21的稳定变形同时变形大，优选第一侧部211的壁厚d1为20μm，为更好地避免两个主气囊21之间的粘连，同时能够确保两个主气囊21之间结构的紧凑性，第一
侧部211的内侧壁与第二侧部212的内侧壁之间的间距d3为100μm，相邻第一侧部211之间的间距d4为90μm。优选第二侧部212的壁厚d2为20-270μm，使得两个夹爪22闭合时，两个夹爪22的对准好，提高夹持力，同时能够确保两个夹爪22的张合量，减小夹爪22的体积，降低材料消耗量，降低成本。进一步优选第二侧部212的壁厚d2为70μm。
53.优选主气囊21的横截面呈矩形，提高主气囊21的变形量，从而增大主气囊21的驱动行程，提高夹爪22的张合量。
54.优选相邻主气囊21之间连通有第一通气部4，第一通气部4延伸至承载座1，使得气流在两个主气囊21之间快速流通，同时能确保主气囊21的变形。具体地，第一通气部4连通于两个第一侧部211之间。
55.请参阅图6，夹爪22的末端中心设置有容纳腔221，夹爪22的末端开设有至少一个漏液通道222，漏液通道222与容纳腔221相连通。在夹持细胞的过程中，细胞被收纳在容纳腔221内，同时溶液能够从漏液通道222处漏掉，提高夹持细胞的稳固性，便于在溶液中对细胞的夹持操作。具体地，漏液通道222的数量为两个。优选容纳腔221呈圆弧形，便于与细胞相配合，进一步提高对细胞夹持的稳定性。
56.为了便于通气，优选承载座1内设置有依次相连通的气道11、缩径孔12和安装孔13，气道11连通于主气囊21。安装孔13用于气管的插入以装配气管，气管与外界充放气源连接，缩径孔12的设置能够使得插入安装孔13的气管预紧，气管将安装孔13与缩径孔12连接处密封住，避免使用胶水以固定气管时胶水流入气道11而将气道11堵塞，确保通气的顺畅性。具体地，气道11对着第一通气部4且与第一通气部4相连通，使得气管内的气流通过气道11经由第一通气部4快速地进入到两个主气囊21内。
57.承载座1的上部截面呈六边形，承载座1的上部侧壁形成有凹槽14，在装配气管的时候可以实现对承载座1多角度的夹持，便于装配，承载座1的下部呈圆柱状。
58.本实施例的气囊与夹爪一体式微夹持器采用亚像素扫描技术(sms)和光固化引发原理的微纳米级3d打印机打印而成。优选采用普利生(prismlab)的mp系列的微纳米级3d打印机，型号可以为mp-36-3l或mp-200-17dl。该mp-36-3l和mp-200-17dl型号的3d打印机的参数如表1所示。优选采用mp-36-3l型号，打印精度为3.2μm，打印分辨率为1.6μm，提高打印质量和良品率。
59.表1微纳米级3d打印机参数
[0060][0061]
为了该微夹持器能运用于生物操作，且能够提供足够的变形驱动夹爪22张开而主气囊21不破裂，需要对成型材料进行选择。材料需要具备生物相容性，且具有较低的弹性模量，优选材料如表2所示。
[0062]
表2所选材料参数
[0063][0064]
本实施例的气囊与夹爪一体式微夹持器的长度l1为1mm，宽度w1为1mm，高度h1为3.15mm，高度h2为4.45mm。
[0065]
使用时，当两个夹爪22在自然状态下的张合量大于或等于被夹持物体的大小时，通过在主气囊3内产生负压来实现稳定夹持；如果两个夹爪22在自然状态下的张合量小于被夹持物体的大小时，则是通过在主气囊3内产生正压来夹持。主气囊3内的气压控制可以使用一个注射器与气管相连通，通过对注射器的活塞的推拉即可改变主气囊3内的气压，对夹爪22的张合量控制精度能够达到1μm，但并不局限于此种方式，其他能够改变气囊2内气压的控制结构均可以。
[0066]
该气囊与夹爪一体式微夹持器的两个主气囊21充气膨胀使得两个夹爪22张开的状态图如图7所示。以下对本实施例的气囊与夹爪一体式微夹持器进行仿真，仿真结果均是基于一个大气压的压强驱动下得到的结果，仿真图如图8-图11所示。在实际应用中驱动压强大于一个大气压时，张合量也会随之提高，经过实验证明，在该尺寸下微夹持器的张合量可以达到1mm。
[0067]
图8反映出单个夹爪22的总变形量，最大变形量为121.65μm。图9反映出沿着x轴的最大变形量为121.53μm。图10反映出等效弹性应变最大为0.0295，在满足张合量足够大的情况下，即图8和图9的最大值足够大的情况下，主气囊21不会破裂。图11反映出等效应力最大为69.86mpa，主气囊21不会破裂。
[0068]
实施例二
[0069]
请参阅图12-图16，本实施例与实施例一的区别在于：
[0070]
两个主气囊21之间连通有一个辅助气囊23，当通过承载座1通气或放气时，使得两个主气囊21和辅助气囊23膨胀或复位，带动两个夹爪22张开或闭合。
[0071]
辅助气囊23的壁厚d5为15-25μm，辅助气囊23的两相对内侧壁之间的间距d6为65-110μm，辅助气囊23与主气囊21之间的间距d7为65-90μm，避免打印时的粘连，确保打印的良品率。具体地，辅助气囊23的壁厚d5为20μm，辅助气囊23的两相对内侧壁之间的间距d6为100μm，辅助气囊23与主气囊21之间的间距d7为90μm。
[0072]
辅助气囊23的横截面呈矩形，提高辅助气囊23的变形量，从而增大驱动行程，提高夹爪22的张合量。辅助气囊23与主气囊21之间连通有第二通气部5，第二通气部5延伸至承载座1。
[0073]
具体地，气道11对着辅助气囊23且与辅助气囊23相连通，使得气管内的气流通过气道11进入辅助气囊23，再经由第二通气部5快速地进入到两个主气囊21内。
[0074]
本实施例的气囊与夹爪一体式微夹持器的长度l2为1.8mm，宽度w2为1.8mm，高度h3为3.22mm，高度h4为4.52mm。
[0075]
该气囊与夹爪一体式微夹持器的两个主气囊21和一个辅助气囊23膨胀使得两个夹爪22张开的状态图如图17、图18所示。图18(a)是两个夹爪的闭合状态图，图18(b)是两个夹爪的张开状态图。图19是采用本实施例的夹持器夹持并分拣icr小鼠活体卵母细胞的状态图，图19(a)是两个夹爪张开靠近卵母细胞的状态图，图19(b)是两个夹爪闭合夹持并分拣出卵母细胞的状态图。以下对本实施例的气囊与夹爪一体式微夹持器进行仿真，仿真结果均是基于一个大气压的压强驱动下得到的结果，仿真图如图20-图23所示。在实际应用中驱动压强大于一个大气压时，张合量也会随之提高，经过实验证明，在该尺寸下微夹持器的张合量可以达到1mm。
[0076]
图20反映出单个夹爪22的总变形量，最大变形量为158.45μm。图21反映出沿着x轴的最大变形量为158.23μm。图22反映出等效弹性应变最大为0.0438，在满足张合量足够大的情况下，即图20和图21的最大值足够大的情况下，主气囊21和辅助气囊23不会破裂。图23反映出等效应力最大为103.39mpa，主气囊21和辅助气囊23不会破裂。
[0077]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0078]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。