[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

摘要

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。

主权项

一种基于柔性铰链的压电驱动三爪仿生微尺寸夹持机构，其特征在于：包括压电式加载单元、柔性铰链传动单元、仿生夹持单元、夹持力检测单元、高温加载单元、可拆卸支撑单元，其中，柔性铰链传动单元中的柔性铰链转动副移动端（3）、柔性铰链球面副移动端（4）、柔性铰链基座（5）及爪趾夹持端实为一体，柔性铰链基座（5）中设有与多载荷封装式压电叠堆（1）宽度一致的沟槽，多载荷封装式压电叠堆（1）嵌入式安装于所述沟槽内，并通过压电叠堆预紧块（2）预紧；柔性铰链基座（5）通过M3螺栓（6）、M3螺母（10）与组合式基座（7）刚性连接，双轴基座（8）通过M2螺栓（9）与组合式基座（7）刚性连接；高温加载单元中的卤素加热灯（14）通过螺纹连接方式与组合式基座（7）刚性连接；所述压电式加载单元包括三个多载荷压电驱动器、三个柔性铰链球面副移动端（4）、三个柔性铰链转动副移动端（3），每个多载荷压电驱动器由压电叠堆预紧块（2）、多载荷封装式压电叠堆（1）组成；三个多载荷压电驱动器呈120°内包络式环形分布，安装于柔性铰链基座（5）的卡槽内；未对多载荷封装式压电叠堆（1）施加电压时，其受厚度可调的压电叠堆预紧块（2）作用，处于压缩状态；施加电压时，其轴向伸长，且长方体形状的多载荷封装式压电叠堆（1）具有输出位移自检测功能；所述柔性铰链传动单元是：多载荷封装式压电叠堆（1）的输出位移通过下层柔性铰链（17）转动副移动端的面内扩张及以内层柔性铰链（16）的柔性铰链球面副移动端（4）为支点的压杆弯曲传递至爪趾夹持端；三个柔性铰链转动副移动端（2）、三个柔性铰链球面副移动端（4）及三个爪趾夹持端呈120°环形对称分布，确保夹持轴线与材料轴线重合；所述仿生夹持单元为三个爪趾夹持端，每个爪趾夹持端由生物非光滑表面（11）及土壤动物的爪趾构形（12）组成，多载荷封装式压电叠堆（1）的输出位移通过柔性铰链转动副移动端（3）及柔性铰链球面副移动端（4）传递至爪趾夹持端，使爪趾夹持端产生形变实现对试件的夹持；爪趾夹持端具有的生物非光滑表面（11）及爪趾构形（12）使爪趾夹持端与被夹持物间摩擦增大，从而实现对微小尺寸、难以夹持试件的夹持；所述夹持力检测单元是：电阻应变片（15）直接黏附于爪趾夹持端的爪趾构形（12）处，当爪趾构形（12）与被夹持微试件（13）接触实现夹持时，爪趾构形（12）尖端处形变最大，此处即为力传感单元的位置，电阻应变片（15）的应变直接反应夹持力的大小；所述可拆卸支撑单元由组合式基座（7）、双轴基座（8）及螺栓（9）组成，当组合式基座（7）单独与柔性铰链基座（5）通过螺栓（6）、螺母（10）刚性连接时，实现对材料的单轴力学测试功能；双轴基座（8）通过螺栓（9）与组合式基座（7）相连，通过（6）螺栓、螺母（10）与柔性铰链基座（5）相连，实现双轴力学测试功能；所述高温加载单元包括组合式基座（7）及卤素加热灯（14），组合式基座（7）中心处具有环形凹槽结构，卤素加热灯（14）直接内嵌于组合式基座（7）中心，光源焦点即为被夹持微试件（13）中心处。