[发明专利]一种具有力传感器的柔性微夹钳

说明书

本发明公开一种具有力传感的柔性微夹钳，其包括微夹钳本体、控制器、静电驱动器、电容式力传感器，其中，微夹钳本体包括一对夹臂、柔性传动机构、柔性导向部件和基座，一对夹臂通过柔性传动机构分别与静电驱动器和电容式力传感器相连接。本发明实现了在两个互相垂直方向上的对夹持力和环境接触力的测量，提高了夹持的精度，并且整体结构紧凑，降低了制造成本。

技术领域

本发明涉及微型自动机械技术领域，具体是一种具有力传感的柔性微夹钳。

背景技术

基于柔性机构的微夹钳具有无摩擦、无磨损、无需润滑、运动精度高、结构简易等优点。作为典型的微执行器，微夹钳在微操作技术、微装配系统、生物工程等领域中具有广泛应用。微夹钳的设计形式多种多样，主要由夹钳的结构形式和工作特点而决定。现有的微夹钳具有多种驱动方式，如静电驱动、电热驱动、压电驱动、形状记忆合金驱动等方式。与其他驱动方式相比，静电驱动具有响应快、无迟滞非线性、与IC制造工艺兼容等优点。

由于微夹钳一般用于对微小物体的夹取，为了避免对被夹持物体造成损坏，需要对微夹钳的夹持力(沿X轴方向)进行传感与反馈。另外，为避免微夹钳与环境接触时造成微夹钳本身的损坏，还需要对环境的接触力(沿Y轴方向)进行传感。

微夹钳采用的力传感器有多种形式，如电热式、压阻式、电容式、压电式等等。现有的具有力传感的微夹钳大都只能实现对夹持力进行测量，例如中国专利 CN101407060 B，CN2352945 Y，CN101327592 B等，很少能够实现对环境的接触力的测量。为了同时实现对夹持力和接触力的测量，美国专利US8317245 B2提出了一种采用两个力传感器的电热驱动微夹钳，但是该微夹钳具有结构复杂、难于加工制造、尺寸大、成本高等缺点。目前，基于柔性机构的微夹钳大都只能实现一维的夹持力传感，需要采用两个传感器才能实现二维的力传感。这就造成了微夹钳结构复杂、制造成本高。发明内容

针对现有技术中出现的问题，克服现有微夹钳的缺点，本发明提供一种具有力传感的柔性微夹钳，其能够对夹持和接触两个方向上的力进行传感。

具体地，本发明提供一种具有力传感的柔性微夹钳，其包括微夹钳本体、控制器、静电驱动器、电容式力传感器，其中，微夹钳本体包括一对夹臂、柔性传动机构、柔性导向部件和基座，一对夹臂通过柔性传动机构分别与静电驱动器和电容式力传感器相连接。

作为优选，一对夹臂中的第一夹臂通过柔性传动机构中的第一连接铰链与静电驱动器相连接，第二夹臂通过柔性传动机构中的第二连接铰链与电容式力传感器相连接。

作为优选，第一夹臂和第二夹臂分别通过柔性传动机构中的第一转动铰链和第二转动铰链与基座联接。

作为优选，柔性导向部件包括驱动器柔性导向梁和传感器导向梁，其中，驱动器柔性导向梁与静电驱动器相连接，通过施加驱动电压，以输出横向位移，传感器柔性导向梁与电容式力传感器相连接，以产生竖向运动。

作为优选，控制器包括高压运放芯片和电容-电压转换芯片，高压运放芯片配置地用于产生电压并施加给静电驱动器，电容-电压转换芯片配置地用于将电容式力传感器8的电容变化信号转换为输出电压信号。

作为优选，高压运放芯片采用PA69或者OPA454芯片，电容-电压转换芯片采用AD7746或MS3110芯片。

作为优选，电容式力传感器由竖向梳齿对组成，静电驱动器由横向梳齿对组成。

作为优选，第二夹臂、第二转动铰链和第二连接铰链的刚度相应地大于第一夹臂、第二转动铰链和第二连接铰链的刚度。

作为优选，第一转动铰链和第一连接铰链采用折叠式柔性铰链形式，第二转动铰链和第二连接铰链采用单一柔性梁形式。

作为优选，第一转动铰链和第一连接铰链之间距离d1与第二转动铰链和第二连接铰链之间的距离d2不相等。