[发明专利]集成夹持力传感器和夹爪位移传感器的微夹钳

说明书

本发明涉及一种集成夹持力传感器和夹爪位移传感器的微夹钳，以解决现有技术中的微夹钳不能同时对夹持力和夹爪位移进行测量，以及不能保证夹爪平行移动的问题。其技术方案包括：基座、固定于基座上的单片柔性机构、安装于单片柔性机构上开设的空腔内的执行器、控制器、与控制器连接的应变解调仪，以及与应变解调仪连接的夹持力传感器和夹爪位移传感器，单片柔性机构包括：位移放大机构、对称设置的两个夹持力传感机构以及对称设置的两个夹爪，位移放大机构的输入级与执行器相抵接，位移放大机构的两个输出级、两个夹持力传感机构和两个夹爪一一对应，且位移放大机构的输出级、夹持力传感机构和夹爪依次连接。

技术领域

本发明涉及微操作和微装配领域，具体是一种集成夹持力传感器和夹爪位移传感器的微夹钳。

背景技术

随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）的迅猛发展，加之传统MEMS制造工艺不能制造出具有复杂三维几何结构和由不同材料构成的微小零件，微装配和微操作技术显现出了举足轻重的作用。微夹钳是微装配系统和微操作系统的末端执行器，直接与被操作的对象相接触，对微装配与微操作任务的完成起着决定性作用，广泛应用于生物医学、电子制造、航空航天和军事等领域。

常用的微夹钳驱动方式包括静电驱动、电热驱动、形状记忆驱动、电磁驱动和压电驱动等，相比于其他驱动方式，压电驱动具有位移分辨率高、驱动力大、频响范围宽、响应速度快和动态性能好等优点，因而特别适合作为微夹钳的驱动。

但由于压电执行器的输出位移量小，为了完成夹持任务，常常采用位移放大机构将执行器输出的微小位移放大后传递给夹爪；同时由于压电叠堆执行器驱动力大，而被夹持的对象小、壁薄易脆，而位移放大机构有缩小力的作用，因此采用位移放大机构将微执行器输出的驱动力缩小后再传递给夹爪。对微夹钳的位移放大机构的最基本要求是体积小、结构简单、无间隙、无机械摩擦、运动灵敏度高、分辨率高、稳定的位移放大倍率和力缩小倍率。

目前，微夹钳钳口的张合多数是依靠夹持臂的旋转运动完成，夹持臂旋转运动的微夹钳在夹持球形或圆柱形物体时，由于夹爪的两臂成一定角度，易导致被夹持物的脱落，甚至完全不能完成夹持任务。例如中国发明专利申请201510004561.3中的微夹钳便是这种结构。如果微夹钳的两个夹持臂平行移动，即两夹爪张合时始终保持平行，较容易保证可靠地完成夹持任务。另外，由于夹持力传感机构一般微悬臂梁机构，在夹持物体时悬臂梁机构由于刚度过小，会使夹爪产生一定程度的旋转运动；若增大柔性梁刚度，由于夹持力很微小，产生的微小变形可能达不到夹持力传感器的最小分辨力，不足以使其产生传感信号。因此夹持微小零件时，很难在具有力传感能力的同时实现夹爪平行移动，例如中国发明专利申请201310231678.6就很难实现夹持力传感器的集成。本发明人（Wang D H, Yang Q, andDong H M, A Monolithic Compliant Piezoelectric-Driven Microgripper: Design,Modeling, and Testing, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol 18, No 1,138-147, Feb 2013；王代华, 杨群, 一种压电致动微夹钳及其开环位移特性, 纳米技术与精密工程, Vol 8, No 1, 47-53, January 2010）报道了一种微夹钳的结构，分析了夹持特性，但是不仅未讨论夹持力和夹爪位移的传感问题，而且悬臂梁式的夹爪要在应变最大处粘贴夹持力传感器工艺困难，此外，其夹爪在夹持部件时的平行移动效果也较差。

并且，由于夹持对象的尺寸一般小于100 μm，且易发生变形、折断等损坏，通常需要采用具有力反馈的可控微夹钳完成操作，因此在微夹钳上集成夹持力传感器成为必需。夹持过程在微装配空间中进行，要精确实现自动装配任务，则必须获取夹爪位移信息，因此需要在微夹钳上集成夹爪位移传感器。所以，微夹钳的设计应保证可同时对夹持力和夹爪位移进行测量。

因此，现有技术中的微夹钳，存在不能同时对夹持力和夹爪位移进行测量，以及不能保证夹爪平行移动的问题。

发明内容