双晶片微夹钳 【技术领域】
本发明属于机器人技术和微机电技术领域，具体地说，它是一种微操作机器人的末端执行器。
背景技术
近年来，微电子机械技术发展迅速，对微操作系统和装置的需求越来越大。微夹钳作为一种典型的微执行机构，不仅可作为微操作机械手的手爪，而且在微机械零件的加工、装配、生物工程和光学工程等领域均有很好的应用前景。因此，微夹钳及其相关的研究已成为国内外微操作机器人和微机电研究领域的一个前沿课题。
目前，国内外正在研究的微夹钳种类较多，根据能量供给、驱动方式和制作材料的不同，大体上有静电式、电磁式、压电式、液体(真空)吸附式、形状记忆合金、以及光捕获式微夹钳(光钳)等。如日本Nagoya大学的F.Arai等人研究的“用于微操作的粘着型微型末端执行器”，提出了一种用于微操作的新型拾放方法，该方法基于微型孔内温度变化而产生的压力变化，使末端执行器表面地吸附力改变而拾起和放下物体。瑞士联邦技术学院的W.Zesch等人研究的“借助纳米机器人搬运微型物体的真空工具”，研究了一种由玻璃吸管和计算机控制的真空源组成的真空夹持工具，并将该工具集成到瑞士联邦技术研究所的机器人(Namo Robot)上进行测试，它可抓取尺寸为100μm的金刚石晶体，并把它放置到任意位置。日本东京大学的Hideki Miyazaki等人研究的“微粒物体三维结构的机械装配”，分析了微粒物体间的动力学及其操作原理与实验方法。国内由华中科技大学黄心汉等研制的“适用于亚毫米级微小物体操作的真空拾放装置”已成功应用于微装配机器人系统中，该装置由真空单元、控制单元和吸管构成，通过调节吸管尖端的正负气压，实现对亚毫米级微小物体和零件的可靠吸附、释放和搬运操作。
从上面介绍的技术背景来看，国内外虽然对微夹钳的研究取得了一些进展，但还存在如下问题：有些方法在原理上可行，但响应速度慢，不能满足实时操作的要求；大多数装置对操作对象的形状有一定要求，不能适应异形零件和物体的操作，使其应用范围受到限制或不具有通用性。
瑞典Uppsala大学的Greger Thomell等人所提出的文献：GregerThomell，Mats Bexell，Jan-Ake Schweitz and Stefan Johansson.TheDesign and Fabrication of a Gripping Tool for Micomanipulation.The8th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators，and Eurosensors IX，Stockholm，Sweden.June 25-29，1995，PP.388-391。选用强度高、重量轻和耐腐蚀耐高温的铝钒钛合金材料加工成微夹钳，采用压电陶瓷块驱动，通过机械(结构)放大，使钳口的张开与闭合满足对微型物体和零件的可靠夹取与放置。该微夹钳属间接驱动方式，结构比较复杂，体积和外形尺寸较大，难以应用在基于显微视觉的微操作系统中；对材料和加工工艺要求很高，难以推广应用。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种结构简单、体积小、重量轻、操作方便，且具有钳夹弯曲形变检测功能的直接驱动式双晶片微夹钳，能对不同形状和材质的亚毫米级微小物体和零件进行可靠抓取、释放和搬运，为微操作机器人系统和微机电系统提供一种有效实用的末端执行器装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种双晶片微夹钳由第一双晶片、第二双晶片、固定件、驱动电源、形变检测单元、上位机、全桥电路及其桥路电源组成；第一双晶片和第二双晶片的一端固定在固定件一端的侧面，另一端悬空；驱动电源为直流电源，为双晶片提供驱动电压，双晶片在驱动电压的作用下产生弯曲形变，其输出电压的大小和极性由上位机控制；全桥电路由四片应变片构成，第一应变片和第二应变片分别粘贴在第一双晶片的外表面和内表面，第三应变片和第四应变片分别粘贴在第二双晶片的外表面和内表面，全桥电路的输出与形变检测单元的输入端连接；形变检测单元用来检测双晶片的弯曲形变，再将弯曲形变信号反馈给上位机。
所述形变检测单元可由信号放大器、滤波器、A/D转换器和单片机组成，并依次连接。
所述驱动电源与第一双晶片、第二双晶片的连接，全桥电路与桥路电源及形变检测单元的连接均可通过固定件上的接线端子。
本发明的优点在于：
(1)采用压电陶瓷双晶片直接驱动方式，结构简单，易于实现；
(2)可根据操作对象的大小选用不同长度和宽度的双晶片；
(3)具有双晶片弯曲形变检测功能，可为微操作系统提供钳夹弯曲形变反馈信号；
(4)体积小、重量轻、操作方便，可广泛适用于微操作机器人系统和微机电系统。
【附图说明】
图1为本发明一种实施例的结构示意图。
图2为图1中固定件和双晶片的右视图。
图3为图1中双晶片与驱动电源的接线图。
图4为图1中应变片全桥电路的连接图和形变检测单元的电路图。
图5为图1中双晶片工作状态示意图，其中图5(a)表示初始状态，
图5(b)表示加正压状态，图5(c)表示加负压状态。
【具体实施方式】
由图1～图4所示，本发明由第一双晶片1、第二双晶片2、固定件3、驱动电源4、形变检测单元5、上位机6、全桥电路7和桥路电源8组成。
第一双晶片1和第二双晶片2为压电陶瓷晶片，第一双晶片1、第二双晶片2的一端分别固定在固定件3一端的侧面，最好呈中心对称，而另一端悬空，处于自由状态，形成手指状，两片双晶片作为微夹钳的钳夹。固定件3的另一端与微操作机械手连接，固定件3由绝缘材料加工而成，其横截面为长方形。当然，也可为正方形、圆形等其它形状。
驱动电源4为直流驱动电源，可通过RS232接口与上位机6连接，上位机6可为PC机或工控机，驱动电源4输出电压的大小和极性由上位机6控制，输出电压可通过固定件3上的接线端子与第一双晶片1和第二双晶片2连接，为双晶片1和2提供合适大小和极性的驱动电压，双晶片在驱动电压的作用下会产生弯曲形变。
驱动电源4与第一双晶片1和第二双晶片2的连接方式如图3所示，驱动电源4的输出电压一端通过固定件3上的接线端子与第一双晶片1的中间金属片14和第二双晶片2的二片压电陶瓷晶片16和18的外表面连接，驱动电源4的输出电压另一端通过固定件3上的接线端子与第二双晶片2的中间金属片17和第一双晶片1的二片压电陶瓷晶片13和15的外表面连接，改变驱动电源4输出电压的大小和极性，第一双晶片1和第二双晶片2的弯曲形变的程度和方向就会发生相应变化。
全桥电路7由第一应变片R1、第二应变片R2、第三应变片R3和第四应变片R4构成，第一应变片R1和第二应变片R2分别粘贴在第一双晶片1的外表面和内表面，第三应变片R3和第四应变片R4分别粘贴在第二双晶片2的外表面和内表面，第一应变片R1与第四应变片R4的连接点、第二应变片R2与第三应变片R3的连接点为全桥电路7的电源输入端，第一应变片R1与第二应变片R2的连接点、第三应变片R3和第四应变片R4的连接点为全桥电路7的检测信号输出端。全桥电路7的电源输入可经固定件3上的接线端子与桥路电源8连接，桥路电源8为全桥电路7提供直流电源，全桥电路7的输出可经固定件3上的接线端子与形变检测单元5的输入端连接。
形变检测单元5用来检测双晶片弯曲形变的大小，其输出可通过USB接口与上位机6连接，将双晶片的弯曲形变信号反馈给上位机6。
形变检测单元5可由信号放大器9、滤波器10、A/D转换器11和单片机12组成，并依次连接。信号放大器9的两个输入端连接全桥电路7的两个输出端，单片机12经USB接口与上位机6连接。
当施加在双晶片上的驱动电压为0V时，双晶片处于初始状态(常态)，不发生弯曲形变；当驱动电压为正时，两片双晶片同时向内弯曲，弯曲程度由驱动电压大小决定；当驱动电压为负时，两片双晶片同时向外弯曲，弯曲程度由驱动电压大小决定。通过控制驱动电源4输出驱动电压的大小和极性，可改变双晶片弯曲的程度和方向，即调整微夹钳的开闭程度，达到可靠抓取或释放不同尺寸的微小物体和零件的目的。
当双晶片处于常态不发生弯曲形变时，全桥电路7输出为0。当双晶片发生弯曲形变时，全桥电路7输出与双晶片弯曲形变的大小和方向有关的微弱信号，该信号经信号放大器9进行放大，然后由滤波器10进行滤波，再由A/D转换器11进行模拟-数字转换，最后经过单片机12进行数据采集，将所得到的双晶片弯曲形变的数值信号送给上位机6。
以下对照图5(a)～图5(c)说明双晶片的工作状态。
第一双晶片1、第二双晶片2为两片相同的长方形薄片，其长可为3000μm、宽可为250μm(见图2)，两片双晶片构成微夹钳上下钳夹(手指)，将两片双晶片1和2的一端分别安装在固定件3一端的侧面插口内，另一端处于自由状态，插口间隙(即双晶片手指在常态时的开口距离)为500μm，固定件3的另一端与微操作机械手连接。驱动电源4可为3646A型可编程直流电源，提供0～70V直流电压。压电陶瓷双晶片1和2在合适电压的作用下(通常为0～70V直流电压)会产生弯曲形变。当电源电压为0V时，微夹钳处于图5(a)所示的初始状态(常态)；当驱动电源电压为+70V时，微夹钳处于图5(b)所示的闭合状态；当驱动电源电压为-70V时，微夹钳处于图5(c)所示的全张开状态，微夹钳末端开口的变化范围为0～1000μm，可适应亚毫米级微小物体和零件的抓取、释放和搬运。
如果要满足毫米级物体的抓取、释放和搬运，只需调整驱动电源4的输出电压范围、改变双晶片的长度或初始状态的间隙。