[發明專利]利用光纖布拉格光柵測量夾持力和夾爪位移的微夾鉗

有效

• 申請號: 201811157091.4
• 申請日: 2018-09-30
• 公開（公告）號: CN109366459B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 王代華;趙建宇
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: B25J7/00
• 分類號: B25J7/00;G01B11/02;G01L1/24
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

本發明涉及一種利用光纖布拉格光柵測量夾持力和夾爪位移的微夾鉗，以解決現有技術中的微夾鉗不能同時對夾持力和夾爪位移進行精確測量的問題。其技術方案包括：基座、固定于基座上的單片柔性機構、安裝于單片柔性機構上開設的空腔內的執行器、控制器、與控制器連接的FBG解調儀，以及與所述FBG解調儀連接的光纖布拉格光柵復用傳感器，單片柔性機構包括：位移放大機構、對稱設置的兩個夾持力傳感機構以及對稱設置的兩個夾爪，位移放大機構的輸入級與執行器相抵接，位移放大機構的兩個輸出級、兩個夾持力傳感機構和兩個夾爪一一對應，且位移放大機構的輸出級、夾持力傳感機構和夾爪依次連接。

技術領域

本發明涉及微操作和微裝配領域，具體是一種利用光纖布拉格光柵測量夾持力和夾爪位移的微夾鉗。

背景技術

隨著微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）的迅猛發展，加之傳統MEMS制造工藝不能制造出具有復雜三維幾何結構和由不同材料構成的微小零件，微裝配和微操作技術顯現出了舉足輕重的作用。微夾鉗是微裝配系統和微操作系統的末端執行器，直接與被操作的對象相接觸，對微裝配與微操作任務的完成起著決定性作用，廣泛應用于生物醫學、電子制造、航空航天和軍事等領域。

常用的微夾鉗驅動方式包括靜電驅動、電熱驅動、形狀記憶驅動、電磁驅動和壓電驅動等，相比于其他驅動方式，壓電驅動具有位移分辨率高、驅動力大、頻響范圍寬、響應速度快和動態性能好等優點，因而特別適合作為微夾鉗的驅動。

但由于壓電執行器的輸出位移量小，為了完成夾持任務，常常采用位移放大機構將執行器輸出的微小位移放大后傳遞給夾爪；同時由于壓電疊堆執行器驅動力大，而被夾持的對象小、壁薄易脆，而位移放大機構有縮小力的作用，因此采用位移放大機構將微執行器輸出的驅動力縮小后再傳遞給夾爪。對微夾鉗的位移放大機構的最基本要求是體積小、結構簡單、無間隙、無機械摩擦、運動靈敏度高、分辨率高、穩定的位移放大倍率和力縮小倍率。

并且，由于夾持對象的尺寸一般小于100 μm，且易發生變形、折斷等損壞，通常需要采用具有力反饋的可控微夾鉗完成操作，因此在微夾鉗上集成夾持力傳感器成為必需。夾持過程在微裝配空間中進行，要精確實現自動裝配任務，則必須獲取夾爪位移信息，因此需要在微夾鉗上集成夾爪位移傳感器。所以，微夾鉗的設計應保證可同時對夾持力和夾爪位移進行測量。本發明人（Wang D H, Yang Q, and Dong H M, A Monolithic CompliantPiezoelectric-Driven Microgripper: Design, Modeling, and Testing, IEEE/ASMETransactions on Mechatronics, Vol 18, No 1, 138-147, Feb 2013；王代華, 楊群,一種壓電致動微夾鉗及其開環位移特性, 納米技術與精密工程, Vol 8, No 1, 47-53,January 2010）報道了一種微夾鉗的結構，采用在微夾鉗上粘貼半導體應變片的方式實現夾持力和夾爪位移的傳感，但由于微夾鉗的夾持力和夾爪位移很小，應變片的輸出信號很微弱，而且不可避免電磁干擾，使得微小夾持力和夾爪位移的更高精度的測量受到了限制。

綜上所述，精度高、穩定性好、分辨力小、能避免電磁干擾，且能實現夾持力和夾爪位移同時傳感的微夾鉗成為了迫切需求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種利用光纖布拉格光柵測量夾持力和夾爪位移的微夾鉗，以解決現有技術中的微夾鉗不能同時對夾持力和夾爪位移進行測量的問題。

本發明的技術方案為：

本發明提供了一種利用光纖布拉格光柵測量夾持力和夾爪位移的微夾鉗，包括：基座、固定于所述基座上的單片柔性機構、安裝于所述單片柔性機構上開設的空腔內的執行器、控制器、與所述控制器連接的FBG解調儀，以及與所述FBG解調儀連接的光纖布拉格光柵復用傳感器，所述單片柔性機構包括：