[发明专利]基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构

说明书

本发明涉及一种基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构，精密驱动和材料微观力学性能原位测试领域。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，爪趾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，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。

技术领域

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-Mechanical System） 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。

发明内容

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30 mm × 26 mm × 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：