[發明專利]一種兩自由度超精密微細物體操作器及其激勵方法

有效

• 申請號: 201910280940.3
• 申請日: 2019-04-09
• 公開（公告）號: CN109980989B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 劉英想;于洪鵬;陳維山;張仕靜;王良
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/04;H02N2/06;H02N2/10;H02N2/12;H02N2/14
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 安琪

1.一種兩自由度超精密微細物體操作器，其特征在于，所述操作器包括末端卡爪(1)、驅動足(2)、壓電陶瓷管(3)以及基座(4)；

所述末端卡爪(1)上設置有中心套或中心軸，所述基座(4)上設置有中心軸或中心套，所述末端卡爪(1)通過中心套固定套裝于所述基座(4)的中心軸上，或所述末端卡爪(1)通過中心軸上固定套裝于所述基座(4)的中心套內，并且只能做繞中心軸或中心套軸線方向的旋轉運動以及沿中心軸或中心套軸線方向的直線運動；

所述基座(4)保持固定，所述末端卡爪(1)輸出沿自身軸線方向的直線運動和繞自身軸線方向的旋轉運動；

所述壓電陶瓷管(3)的上端面與驅動足(2)固定連接，所述壓電陶瓷管(3)的下端面與基座(4)固定連接；

所述壓電陶瓷管(3)由圓管形壓電陶瓷組成；

所述壓電陶瓷管(3)的內柱面為單個不分區電極五(3-5)，用于連接激勵電壓信號的參考端；

所述壓電陶瓷管(1)的外柱面包括上下兩部分，其中所述外柱面下部分為單個不分區電極六(3-6)，其中所述外柱面上部分包括均勻等分的分區電極一(3-1)、分區電極二(3-2)、分區電極三(3-3)和分區電極四(3-4)，其中，分區電極一(3-1)和分區電極四(3-4)位置相對而不相鄰，分區電極二(3-2)和分區電極三(3-3)位置相對而不相鄰；

所述外柱面不分區電極六(3-6)為軸向伸縮電極，施加激勵電壓信號后產生沿壓電陶瓷管(3)軸線方向的伸縮變形，進而帶動驅動足(2)沿壓電陶瓷管(3)軸線方向的直線運動；所述分區電極一(3-1)和分區電極四(3-4)為一對切向彎曲電極，施加激勵電壓信號后壓電陶瓷管(3)產生偏離其軸線方向的彎曲變形，進而帶動驅動足(2)沿與末端卡爪(1)的接觸點的切線方向的擺動運動；

所述分區電極二(3-2)和分區電極三(3-3)為一對徑向彎曲電極，施加激勵電壓信號后壓電陶瓷管(3)產生偏離其軸線方向的彎曲變形，進而帶動驅動足(2)沿與末端卡爪(1)的接觸點的徑向方向的擺動運動。

2.根據權利要求1所述的微細物體操作器，其特征在于，所述末端卡爪(1)上設置有與自身軸線平行的圓柱體或圓筒體結構；

所述壓電陶瓷管(3)的軸線與所述末端卡爪(1)的軸線平行；

所述驅動足(2)套置于所述末端卡爪(1)的內側，或者，所述驅動足(2)整體置于所述末端卡爪(2)的外側；

當所述驅動足(2)套置于所述末端卡爪(1)的內側時，驅動足(2)壓緊在末端卡爪(1)圓筒體結構的內柱面；

當所述驅動足(2)整體置于所述末端卡爪(2)的外側時，驅動足(2)壓緊在末端卡爪(1)圓筒體或圓柱體的外柱面；

在以上兩種安裝方式下，所述驅動足(2)均通過摩擦力驅動末端卡爪(2)的超精密運動。

3.根據權利要求1所述的微細物體操作器，其特征在于，所述驅動足(2)和壓電陶瓷管(3)的個數為大于0的整數，增加驅動足(2)和壓電陶瓷管(3)的數量實現所述微細物體操作器負載能力的倍增。

4.根據權利要求1所述的微細物體操作器，其特征在于，所述末端卡爪(1)上設置有卡緊機構，用以連接末端執行器，所述末端執行機構包括微細物體操作鉗、微細物體注射管、微細物體穿刺針以及微細物體切割刀。

5.根據權利要求1所述的微細物體操作器，其特征在于，所述驅動足(2)的末端質點在其運動范圍內實現任意閉合軌跡運動，所述任意閉合軌跡運動包括往復直線運動、往復圓弧線運動、往復多邊形運動和往復橢圓形運動。

6.一種權利要求1所述兩自由度超精密微細物體操作器的激勵方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：末端卡爪(1)沿自身軸線方向做正方向直線運動；

步驟二：末端卡爪(1)沿自身軸線方向做反方向直線運動；

步驟三：末端卡爪(1)繞自身軸線方向做順時針旋轉運動；

步驟四：末端卡爪(1)繞自身軸線方向做逆時針旋轉運動。