一种压电致动微夹钳及其开环位移特性

　　微装配(microassembly)与微操作(micromanipula-tion)[1-2]是指对微小器件的装配和对细胞与生物组织的操作,是MEMS的关键技术之一.近年来,微装配与微操作系统成为国内外的一个研究热点,在微小器件装配及生物医学领域[3]有着越来越广泛的应用.微装配和微操作的对象尺寸一般小于100μm,且易折断损坏,通常需要采用具有力反馈的微机械手完成操作[4-6].微夹钳直接与被操作对象相接触,需要在不损坏微小物体的情况下夹持和操作物体,对微装配与微操作任务的完成起着决定性作用.因此,研究和开发高性能的微夹钳对于实现微装配与微操作系统有着重要的意义.

　　微夹钳的结构主要包括以下部分:位移传递/放大机构、夹爪、驱动器、力反馈传感器和基座.大多数情况下位移传递/放大机构和夹爪为一体.用于微夹钳驱动器的驱动方式主要有静电、电热、形状记忆合金(SMA)、压电、电磁等[7-10].静电驱动微夹钳的主要优点是可与IC工艺兼容,体积可以做得很小,但夹持力很有限[11-12].热驱动微夹钳可以得到较大的夹持力,但这类夹钳响应时间较长,不利于快速操作与装配[13-16]. SMA微夹钳响应速度也较慢,且形变呈阶跃性变化[17-18].电磁驱动微夹钳的夹持力与体积始终是一对不可调和的矛盾[19-20].压电驱动微夹钳具有响应速度快、分辨率高、控制精度高、驱动力大等优点,因此成为微夹钳最常见的驱动方式之一[21-24].

　　以上述驱动方式实现的微夹钳驱动器的位移分辨率高但是位移量小,因此常常采用位移传递/放大机构将执行器输出的微小位移放大再传递给夹爪.为了与被操作对象相适应,微夹钳的一个特点是尺寸很小,在设计微夹钳的位移传递/放大机构时通常采用柔顺机构[25-27].柔顺机构有体积小、无间隙、无机械摩擦、运动灵敏度和分辨率高等优点,而且由于柔顺机构依赖于柔性构件的变形,其能量便以应变能的形式储存在柔性构件中,利用储存在柔性构件中的应变能可实现微夹钳钳口闭合后的自动张开或张开后的自动闭合.常见的用于微夹钳的柔顺机构的位移传递/放大机构主要有基于杠杆原理的一级放大机构[17]、基于杠杆原理的二级杠杆放大机构[4, 6]和平面四杆机构[24]等.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,夹钳作用在被夹持物上的力在纵向上产生一个分力,增大了被夹持物脱落的可能性.如果两个夹持臂平行移动便可以解决上述问题[24].因此,微夹钳的夹爪具有平行移动的特点对微夹钳可靠完成夹持功能具有重要意义.

　　本文中介绍了一种采用压电致动的微夹钳的工作原理、结构组成及实验原型,该微夹钳采用一种基于双边和单边直圆柔性铰链的柔顺机构实现微位移传递/放大功能,同时保证微夹钳夹持臂平行移动.针对本文研究和开发的一种压电致动微夹钳的原型建立了实验装置并进行了开环位移特性测试.