[发明专利]一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳

说明书

本发明公开了一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳，它解决了现有技术中实现恒力输出的夹钳机构结构复杂的问题，具有能实现夹钳的夹持力为恒力输出，且输出恒力大小可以实现调整的有益效果，其方案如下：一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳，包括设于基座的静夹钳机构，静夹钳机构内设置直线驱动电机，直线驱动电机端部与动夹钳机构连接，动夹钳机构包括刚体，刚体的一侧设置与静夹钳机构连接的导向机构，刚体内侧与调节机构固连，且调节机构的输出端与正刚度机构的一端连接，正刚度机构另一端通过动夹钳钳臂与负刚度机构相并联在一起，直线驱动电机推动动夹钳机构，在导向机构的作用下，来完成动夹钳钳臂趋向静夹钳机构运动实现夹取。

技术领域

本发明涉及维纳操作领域，特别是涉及一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳。

背景技术

微夹钳是微纳定位操作技术中的一部分，是微机电系统中的一种典型的微执行器。微夹钳的诞生和应用实现了微米级的物体甚至纳米级的物体的定位和操作，比如生物细胞的操作、半导体蚀刻、微装配等。由于其重要性及广泛引用，近年来它已经成为微纳米领域的研究热点。

微夹钳以微小目标为研究对象，可实现的操作类型有移动、组装等，是微夹持系统的执行器，它在运行时发挥的好坏是影响整个系统性能的直接因素。因此，安全、高精度定位夹持是微夹钳设计的一个重要问题。为了避免夹钳在夹取物体时作用在精密/易碎物体的夹持力过大而导致物体损坏，需要解决和平衡好力和位移之间的关系。很多夹钳设计都是通过位移控制和力控制的策略来克服上述问题。虽然，通过精准的控制策略可以达到输出力范围的控制，但是建立控制系统非常复杂，而且需要高成本和高投入，因此需要其他的方式来简化控制策略。

解决夹钳夹持力问题的另一种方法，就是引入一种零刚度机构。零刚度的含义就是dF/dx＝0，即随着位移的增加，输出力是恒定的，也就是一种恒力机构。所以说，零刚度柔性夹钳能够提供在一定的位移范围中提供恒力输出，能够很好的解决上述问题，而且它的结构简单、成本低、易于制造。

零刚度机构的设计在很早就已经出现，有很多不同的方法去实现。很多零刚度机构都是用恒力弹簧，但是恒力弹簧自身无法改变恒定力的大小，除非更换弹簧；也有使用双滑块机构或者变截面变形板簧，但存在的不足是设计结构复杂，不便于推广。

因此，需要对一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳进行新的研究设计。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳，不仅可以实现夹钳的夹持力为恒力输出，且输出恒力大小能够可调。

一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳的具体方案如下：

一种夹持力输出为恒力且可调的柔性微夹钳，包括设于基座的静夹钳机构，静夹钳机构内设置直线驱动电机，直线驱动电机端部与动夹钳机构连接，动夹钳机构包括刚体，刚体的一侧设置与静夹钳机构连接的导向机构，刚体内侧与调节机构固连，且调节机构的输出端与正刚度机构的一端连接，正刚度机构另一端通过动夹钳钳臂与负刚度机构相并联在一起，正刚度机构和负刚度机构二者发生相同的位移，当它们的刚度大小相等、符号相反时，它们就形成了一种零刚度机构，只有当在夹持物体时，施加在物体上的夹持力反作用给夹钳时才会形成恒定力，直线驱动电机推动动夹钳机构，在导向机构的作用下，来完成动夹钳钳臂趋向静夹钳机构运动实现夹取，即夹取的动作。

上述微夹钳机构，通过正刚度机构与负刚度机构的并联，使二者刚度的大小相等、方向相反，就能构成一个零刚度机构，从而输出恒力，通过调节机构的设置，输入位移施加给正刚度机构，正刚度机构就会在工作之前受到一个与工作方向相反的预载位移，这样可以使正负刚度结合形成的恒定力大小发生变化，整个机构通过直线驱动电机推动动夹钳机构，在导向机构的帮助下，来完成动夹钳靠近静夹钳，即夹取的动作。那么随着动夹钳越来越靠近静夹钳时，会使被夹持物发生变形，当变形范围进入零刚度区域时，即恒力区域时，被夹持物在这段范围受到的夹持力将保持不变，也就完成了恒力夹取的目的。