[发明专利]磁致伸缩式微动夹钳

说明书

技术领域

本发明涉及夹钳，特别是微动夹钳。

背景技术

微机电工程、光学工程、生物医学工程等领域的迅猛发展迫切需要能够在亚毫米级、微米级空间进行操作的微执行机构。微动夹钳是微执行机构中的重要执行器件，可用于完成微小物体的夹持、移动和组装等动作，在微装配、微操作等方面具有重要的作用。

目前，应用较广泛的微动夹钳按其驱动方式分类，主要有以下一些种类：

1、静电驱动微夹钳

文献[IEEE International Conference on Robotics and Automation，1994，Vol.1：820-825]介绍了一种典型的静电驱动的微夹钳，由两个平行平板产生静电力，由集静电驱动器、弹性梁和两个钳臂于一体的两个多晶硅板展开构成微夹钳，该夹钳初始钳口距离为100um，闭合微夹钳的延迟时间为50us，夹持力为50uN，施加电压50v-100V。

静电驱动微夹钳的缺陷在于：由于静电力随平行板之间距离增大而变小，因此钳口位移小，输出夹持力小，不易于控制。

2、热驱动微夹钳

文献[Journal of Micromechanics and Microengineering，2004，14：969-974]介绍的微夹钳采用高聚物SUS胶作为基体材料，硅作为牺牲层，铂作为电极热驱动材料。由于细臂和粗臂在受热时产生的变形不相同从而驱动微夹钳运动。这种微夹钳在驱动电压5V时会产生50mW的最大功率。当夹持电压达到10V时，可以产生110um的夹持端位移。

热驱动微夹钳的缺陷在于：由于电热驱动部分的制造工艺复杂，且电热驱动的响应频率低。

3、压电驱动微动夹钳

压电材料在施加电场的情况下能产生位移输出，压电驱动器则为柔性钳体提供位移。这类微夹钳的驱动部分多用压电块或压电叠堆提供。文献[大连理工大学学报，2005，45(2)：210-214]介绍了一种由压电陶瓷驱动的微夹钳，当压电陶瓷输入电压为80v时，钳口的最大位移为110um。

压电驱动微动夹钳的缺陷在于：钳口位移小，驱动电压高。

4、形状记忆合金微夹钳

与压电材料相似，形状记忆合金也是一种功能材料，有两种不同的金属相，它们可以在不同的温度范围内稳定地存在。经过一定的热处理和记忆训练后，对原有的形状具有记忆能力。利用这种记忆功能，可实现对微小物体的夹取、释放。

形状记忆合金微夹钳的缺陷在于：由于其形变成阶跃性变化，灵敏性差。

综上所述，目前的微动夹钳在夹持范围、夹持力、响应速度、精度控制等方面存在一定问题，因此，现有的微动夹钳效果不理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种磁致伸缩式微动夹钳，该微动夹钳夹持范围大、夹持力大、响应速度快、精度易控制。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

磁致伸缩式微动夹钳，它包括上颚、下颚，上颚和下颚的前端设有钳口；微动夹钳还包括上悬臂、下悬臂、连接臂、超磁致伸缩材料棒、用于为超磁致伸缩材料棒提供磁场的电磁线圈；上悬臂和下悬臂通过连接臂连接，上颚和下颚的末端与上悬臂的一端连接，下颚与上悬臂之间设有供下颚向上颚方向转动的柔性铰链；超磁致伸缩材料棒顶在下颚与下悬臂之间；

下颚、上悬臂、下悬臂、连接臂由导磁材料制成；

所述电磁线圈缠绕在超磁致伸缩材料棒上。

上述方案中，上颚、下颚、上悬臂、下悬臂、连接臂为一整体。

上述方案中，柔性铰链包括两个切口和两个切口之间的柔性轴；其中一个切口为上颚和下颚之间的开口，另一个切口将下颚的下边缘和上悬臂的下边缘分开。

上述方案中，所述切口的末端为圆形通孔。

上述方案中，上颚、下颚、上悬臂、下悬臂、连接臂由一板体切割而成。

本发明微动夹钳的工作原理为：下颚、上悬臂、下悬臂、连接臂由导磁材料制成，超磁致伸缩材料棒顶在下颚与下悬臂之间，下颚、上悬臂、连接臂、下悬臂、超磁致伸缩材料棒形成一个磁回路。给电磁线圈通入可控电流时，产生驱动磁场，使超磁致伸缩材料棒产生伸缩形变，即可推动下颚绕柔性铰链向上颚方向转动，钳口收拢，从而实现对微小物体的夹持。

本发明微动夹钳采用杠杆机构，超磁致伸缩材料棒顶在下颚与下悬臂之间，可以对输出位移量进行放大，并且在钳口端得到适当的夹持力，充分发挥了超磁致伸缩材料的性能。另外，使超磁致伸缩材料棒的作用点远离钳口处，为微动夹钳的工作端提供了简洁良好的工作环境。