[發(fā)明專利]一種兩自由度超精密微細(xì)物體操作器及其激勵方法

有效

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• 申請日: 2019-04-09
• 公開（公告）號: CN109980989B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉英想;于洪鵬;陳維山;張仕靜;王良
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 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(yuǎn)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 安琪

本發(fā)明公開了一種兩自由度超精密微細(xì)物體操作器及其激勵方法，屬于壓電驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域。解決了目前的微細(xì)物體操作器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、行程不足和自由度單一的技術(shù)問題。所述微細(xì)物體操作器由末端卡爪、驅(qū)動足、壓電陶瓷管以及基座組成，其中壓電陶瓷管為主要驅(qū)動元件，用以產(chǎn)生彎曲變形和伸縮變形，進(jìn)而通過驅(qū)動足驅(qū)動末端卡爪的運(yùn)動。本發(fā)明中的操作器可以通過多種激勵方法產(chǎn)生末端卡爪沿自身軸線和繞自身軸線的超精密直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。基于不同的激勵方法和工作場合，壓電陶瓷管和驅(qū)動足的數(shù)量可以做出變化。本發(fā)明中的微細(xì)物體操作器結(jié)構(gòu)緊湊、布置靈活，激勵方法靈活多樣、可靠性高，便于應(yīng)用在需要進(jìn)行微細(xì)物體操作的技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于壓電驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種兩自由度超精密微細(xì)物體操作器及其激勵方法。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對于微細(xì)物體的操作能力逐漸達(dá)到了亞微米乃至納米尺度，這為人類的生產(chǎn)和生活帶來了巨大的影響，顯微手術(shù)、超高密度芯片、細(xì)胞操作、光纖對接與傳輸以及基因診斷等領(lǐng)域都需要對及其微細(xì)的物體進(jìn)行操作和控制。利用逆壓電效應(yīng)，壓電材料可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高的定位精度，因此壓電驅(qū)動在這些領(lǐng)域中得到了十分廣泛的應(yīng)用。但是現(xiàn)有的壓電驅(qū)動微細(xì)物體操作器普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動范圍小、僅可實(shí)現(xiàn)單自由度運(yùn)動以及激勵方法單一等不足，因此發(fā)明一種可以實(shí)現(xiàn)大尺度和納米級分辨力的超精密微細(xì)物體操作器對于生命科學(xué)、微納米技術(shù)以及超精密領(lǐng)域具有十分重要的意義，它也受到了廣泛的關(guān)注和研究。

要實(shí)現(xiàn)微細(xì)物體的精準(zhǔn)操作，往往不需要操作器具有很大的驅(qū)動力，但是精準(zhǔn)的定位、緊湊的結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定的激勵方法卻是其所必需的，結(jié)合大尺度和納米級分辨力的驅(qū)動要求，本發(fā)明利用壓電陶瓷管作為主要驅(qū)動元件，提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、布置靈活多樣的微細(xì)物體操作器的結(jié)構(gòu)，并針對這種結(jié)構(gòu)提出了多種不同的激勵方法，用以滿足不同的性能指標(biāo)和應(yīng)用條件，可以在一定程度上解決現(xiàn)有微細(xì)物體操作器所存在的一些弊端，在涉及微細(xì)物體操作的技術(shù)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景，也會對擴(kuò)展壓電驅(qū)動的應(yīng)用范圍以及支持相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有微細(xì)物體操作器普遍存在的行程不足、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)多自由度驅(qū)動以及激勵方法單一的技術(shù)問題，從而提出了一種兩自由度超精密微細(xì)物體操作器及其激勵方法。所采取的技術(shù)方案如下：

一種兩自由度超精密微細(xì)物體操作器，所述操作器包括末端卡爪1、驅(qū)動足2、壓電陶瓷管3以及基座4；所述末端卡爪1上設(shè)置有中心套或中心軸，所述基座4上設(shè)置有中心軸或中心套，所述末端卡爪1通過中心套或中心軸固定套裝于所述基座4的中心軸或中心套上，并且只能做繞中心軸或中心套軸線方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以及沿中心軸或中心套軸線方向的直線運(yùn)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(yùn)動和繞自身軸線方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；所述壓電陶瓷管3的上端面與驅(qū)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。

進(jìn)一步地，所述末端卡爪1上設(shè)置有與自身軸線平行的圓柱體或圓筒體結(jié)構(gòu)；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(qū)動足2套置于所述末端卡爪1的內(nèi)側(cè)，或者，所述驅(qū)動足2整體置于所述末端卡爪2的外側(cè)；當(dāng)所述驅(qū)動足2套置于所述末端卡爪1的內(nèi)側(cè)時(shí)，驅(qū)動足2壓緊在末端卡爪1圓筒體結(jié)構(gòu)的內(nèi)柱面；當(dāng)所述驅(qū)動足2整體置于所述末端卡爪2的外側(cè)時(shí)，驅(qū)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(qū)動足2均通過摩擦力驅(qū)動末端卡爪2的超精密運(yùn)動。

進(jìn)一步地，所述驅(qū)動足2和壓電陶瓷管3的個(gè)數(shù)為大于0的整數(shù)，增加驅(qū)動足2和壓電陶瓷管3的數(shù)量實(shí)現(xiàn)所述微細(xì)物體操作器負(fù)載能力的倍增。

進(jìn)一步地，所述末端卡爪1上設(shè)置有卡緊機(jī)構(gòu)，用以連接末端執(zhí)行器，所述末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括微細(xì)物體操作鉗、微細(xì)物體注射管、微細(xì)物體穿刺針以及微細(xì)物體切割刀。