[實(shí)用新型]一種由多極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201120501355.0
• 申請(qǐng)日: 2011-12-06
• 公開（公告）號(hào): CN202406060U
• 公開（公告）日: 2012-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏燕定;婁軍強(qiáng);陳德坤;楊宇峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/02
• 分類號(hào): H02N2/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林懷禹

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種多自由度微操作器，尤其是涉及一種由多極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作器。

背景技術(shù)

隨著微納米技術(shù)的迅速發(fā)展，“微/納米”尺度上的操作技術(shù)變得越來越重要。微操作器作為微操作系統(tǒng)中的核心部件，受到國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的細(xì)胞分割、移植、細(xì)胞轉(zhuǎn)基因、探刺與注射，微機(jī)電裝配領(lǐng)域內(nèi)微小零件的加工、定位，以及半導(dǎo)體加工等領(lǐng)域。因此對(duì)微操作器的研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。微操作器直接作用于微操作對(duì)象，完成微操作任務(wù)。因此要求微操作器既要具有高精度、高分辨率的微動(dòng)定位能力；還要具有多個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)能力；同時(shí)要體積小、質(zhì)量輕，適應(yīng)于某些特殊的狹小場合如顯微鏡下的有限作業(yè)空間。

由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、分辨率高、頻響高、控制簡單，易實(shí)現(xiàn)微納米級(jí)的驅(qū)動(dòng)控制，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)技術(shù)已成為微操作器的主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)。目前研究發(fā)現(xiàn)，壓電陶瓷材料的變形形式和變形量跟所加的電場大小、方向以及壓電陶瓷材料本身的極化方式有著密切的關(guān)系。根據(jù)壓電材料的極化方向與所加電場方向關(guān)系不同，常見的變形形式有三種：基于壓電應(yīng)變常數(shù)d₃₃的厚度伸縮變形，基于壓電應(yīng)變常數(shù)d₃₁的長度伸縮變形和基于壓電應(yīng)變常數(shù)d₁₅的厚度剪切變形。利用這三種不同極化方式下的變形原理制成的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器就可以驅(qū)動(dòng)微操作器產(chǎn)生伸縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)微操作器高精度的多自由度運(yùn)動(dòng)。

目前，基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作臂有兩種常見的結(jié)構(gòu)形式：一類是基于經(jīng)典的Stewart平臺(tái)或其變種的并聯(lián)六自由度微操作臂的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這類微操作臂具有剛度高、慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊、誤差積累小、固有頻率高等優(yōu)點(diǎn)，可分別實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)的平動(dòng)和繞X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的擺動(dòng)，但由于其運(yùn)動(dòng)是由多條運(yùn)動(dòng)支鏈連接耦合的，因此其控制計(jì)算量大、難度高，另外這種結(jié)構(gòu)制造要求高，成本也相對(duì)較大。另一類是將相似結(jié)構(gòu)的一維或二維的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組裝起來的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)盡量使每維運(yùn)動(dòng)間互不耦合，簡化了模型建立和運(yùn)動(dòng)控制問題，但是由于同一結(jié)構(gòu)中基本上是同一種類型的壓電驅(qū)動(dòng)器，平臺(tái)的互相疊加組裝使得實(shí)現(xiàn)微操作器的微小型化變得困難。并且在大多數(shù)的微操作臂中轉(zhuǎn)動(dòng)自由度都是通過擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，造成轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的控制比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)精度也相對(duì)較低。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)目前的微操作器在實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)、高精度定位驅(qū)動(dòng)控制、微小型化等方面存在的一系列問題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種由多極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多自由度微操作器，利用不同極化方式的壓電驅(qū)動(dòng)器可產(chǎn)生不同的變形驅(qū)動(dòng)機(jī)理，并吸取現(xiàn)有微操作器的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，在不同極化方式壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)微操作器的多自由度、高精度的運(yùn)動(dòng)控制，并實(shí)現(xiàn)微操作器的小型化，同時(shí)提高微操作器的運(yùn)動(dòng)控制精度和操作效率。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：

本實(shí)用新型包括基座，兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)，嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)，Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)；兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)稱垂直的固定在基座的兩側(cè)，嵌套的X、Y軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩端分別與各自的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)通過其下部法蘭與嵌套的X、Y軸微動(dòng)機(jī)構(gòu)中的X向運(yùn)動(dòng)臺(tái)相連，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過其安裝法蘭與Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)上部法蘭相連。?

所述的兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的Z軸平動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)均為矩形金屬塊，在矩形金屬塊上部的兩側(cè)對(duì)稱的開有三組矩形槽，其中下部矩形槽的上面兩個(gè)角開有兩個(gè)向上凸出的乳狀直通槽，上部矩形槽的上端開到矩形金屬塊的頂端，上部矩形槽下面兩個(gè)角開有兩個(gè)向下凸出的乳狀直通槽，中部矩形槽的四個(gè)角均開有對(duì)稱的向外凸出的乳狀直通槽，并分別與上、下兩個(gè)矩形槽的乳狀直通槽相對(duì)應(yīng)；形成?8個(gè)Z向柔性鉸鏈、4個(gè)Z向柔性鉸鏈臂和Z向運(yùn)動(dòng)臺(tái)，在矩形金屬塊的底部中心開有安裝壓電驅(qū)動(dòng)器矩形凹槽，基于壓電應(yīng)變常數(shù)d₃₃的Z向壓電驅(qū)動(dòng)器安裝在底部凹槽中，并用底部預(yù)緊螺釘預(yù)緊。