[发明专利]一种连续两行程两级常力输出微夹钳及控制方法

说明书

本发明提供了一种连续两行程两级常力输出微夹钳及控制方法，该夹钳属于柔顺一体化机构。其中，常力机构由四组双稳态负刚度梁与杠杆部分组成。两级常力机构的原理是通过四组双稳态负刚度梁的参数设计得到两级负刚度曲线，再并联杠杆部分，实现正刚度补偿，从而得到连续两级零刚度曲线。微夹钳可分别在两段有效行程内输出两级恒定的夹持力。本发明具有多尺寸适应性、体积小、无摩擦、免装配、运动灵敏度高等优点。

技术领域

本发明涉及微操作的技术领域，尤其涉及一种连续两行程两级常力输出微夹钳及控制方法。

背景技术

微操作是指对特征尺寸在微米量级(1μm～1mm)的对象进行操作和处理。微操作系统的主要功能包括微夹持、微注射、微操纵、微加工、微装配等，被广泛应用在航空航天、生物医学工程、纳米制造、精密光学仪器等国防和民用领域。微夹钳是微操作技术的关键末端执行器，在操作过程中，需同时满足特定范围的行程和夹持力，保证一定的柔顺性，以免操作对象损坏或松脱。

实现夹持过程中力、位移的精密控制可以采用力、位移传感器-控制器系统并结合自动控制算法对接触力进行检测和控制，但这会增加夹持器的尺寸和结构复杂性，并且，由于操作对象所需的夹持力通常很小，信号处理的难度很大。

常力机构利用屈曲双稳机构的负刚度效应，可以在一定的变形范围内提供近似恒定的输出力，对操作对象的安全性和可靠性有着重要的影响。相比于前者，基于常力机构的微夹钳一方面通过一体化加工减小结构整体尺寸，避免为集成力传感器预留位置；另一方面无需复杂的控制算法，降低硬件成本。因此，常力输出微夹钳具有广泛的应用和较好的前景。

澳门大学的Qingsong Xu等人制作的一级常力输出微夹钳，其常力值为0.72N，有效行程为1.8mm，夹持动作由音圈电机驱动，进行旋转夹持。夹持器在有效行程内仅能实现一级常力输出，难以适应多尺寸微操作对象，并且旋转夹持与平行夹持相比稳定性较差。

现有的微夹钳的研制存在不足：其一，集成微力传感器的微夹钳方案成本较高、控制复杂且对小批量、多尺寸的装配对象适应性差；其二，基于常力输出柔顺机构的微夹钳研究尚不完善，难以满足小批量、多尺寸的微装配对象的操作需求。

因此，为满足多尺寸、多形状操作对象的需求，在连续两行程内输出两级常力的柔顺微夹钳具有重要的研究意义。

发明内容

本发明旨在提供一种面向微操作的两级常力微夹钳，它分别在两段行程内输出两级常力，可应用于微电子集成电路制造、光导纤维装配、MEMS系统零件装配等多尺寸、小批量零件的微操作。

本发明采用以下技术方案。

一种连续两行程两级常力输出微夹钳，其特征在于，包括双稳态负刚度梁A、双稳态负刚度梁B、双稳态负刚度梁C、双稳态负刚度梁D，梭杆a、梭杆b，杠杆，夹爪和基座：所述双稳态负刚度梁A、双稳态负刚度梁B一端同时与连接梭杆a连接，另一端同时与基座连接；所述双稳态负刚度梁C、稳态负刚度梁D一端同时与梭杆b连接，另一端同时与基座连接，所述梭杆a始端连接致动器，末端连接杠杆，所述梭杆b始端连接杠杆，末端为夹爪，致动器的输入位移传递到梭杆a，经由杠杆部分被放大再传递到梭杆b至夹爪。

在上述的连续两行程两级常力输出微夹钳，夹爪包括可移动的梭杆b末端和不可移动的基座末端；所述梭杆b与杠杆部分，即基于柔性铰链的伪四杆机构连接，连接杆的平行端与基座连接，因此夹爪表现出平行夹持的特点，可靠性良好。

在上述的连续两行程两级常力输出微夹钳，杠杆部分是基于柔性铰链的伪四杆机构，其中柔性铰链包括1个半圆形柔性铰链和4个直圆形柔性铰链，表现出线性正刚度。

连续两行程两级常力输出微夹钳的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1：致动器的输入位移传递到梭杆a，其连接的双稳态负刚度梁A和B并联，表现出一级负刚度；