CN117359515A - 一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳，涉及微夹钳技术领域，包括柔性微夹钳机构和旋转驱动机构，柔性微夹钳机构包括摆动部件，摆动部件两侧对称设置空间曲梁机构，空间曲梁机构一端连接摆动部件，另一端连接双稳态斜梁组，两双稳态斜梁组之间连接微夹钳主体；旋转驱动机构与摆动部件相连，旋转驱动机构用于带动摆动部件旋转以使柔性恒力微夹钳机构实现转动与直动耦合。本发明将空间曲梁机构和双稳态斜梁组组成的复合传动机构集成到微夹钳中，经过空间曲梁机构的形变，实现夹钳末端的夹持动作，实现旋转驱动和高精度恒力夹持运动的强耦合，以满足精密操作系统中大行程、高分辨率、低成本的恒力夹持需求。

Description

一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳

技术领域

本发明涉及微夹钳技术领域，尤其涉及一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳。

背景技术

微夹钳是一种用于处理微观物体的工具，通常用于微型操作，它可以被设计为机器人手臂的末端执行器，与各种多自由度驱动装置结合使用。现有技术中，存在恒力夹钳，能够实现恒力输出，且易于实现小型化，例如：

CN115805540A中公开了一种恒力微夹钳，包括直线驱动器，直线驱动器与位移放大机构连接，位移放大机构与恒力机构连接；其采用桥式位移放大机构实现行程范围的放大，但其夹钳的传动机制较为单一，基本是在平面内实现直动到直动的转换，并且结构相对复杂。CN108724147A中公开了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；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；该方案虽然能够实现恒力夹持，但仍然是在平面内的运动，在一定程度上影响执行效率。

同时平面结构多采用杠杆放大机构或复合放大机构等形式实现夹钳末端的执行操作，放大比依赖于杠杆动力臂的尺寸，放大比越大，动力臂越长，进而使整体结构的外接圆直径越大，不利于微夹钳整体机构小型化，尤其是在一些狭窄的空间工作时容易受限。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳，将空间曲梁机构和双稳态斜梁组组成的复合传动机构集成到微夹钳中，经过空间曲梁机构的形变，实现两夹钳臂同时向中间夹紧，最终实现夹钳末端的夹持动作，实现旋转驱动和高精度恒力夹持运动的强耦合，以满足精密操作系统中大行程、高分辨率、低成本的恒力夹持需求。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳，包括：

柔性微夹钳机构，包括摆动部件，所述摆动部件两侧对称设置空间曲梁机构，所述空间曲梁机构一端连接摆动部件，另一端连接双稳态斜梁组，两双稳态斜梁组之间连接微夹钳主体；

旋转驱动机构，与摆动部件相连，所述旋转驱动机构用于带动摆动部件旋转以使柔性恒力微夹钳机构实现转动与直动耦合。

作为进一步的实现方式，所述空间曲梁机构用于提供正刚度，双稳态斜梁组用于提供负刚度，所述空间曲梁机构和双稳态斜梁组能够提供微夹钳主体的恒力夹持范围。

作为进一步的实现方式，所述空间曲梁机构包括多个柔性空间曲梁，多个柔性空间曲梁沿摆动部件周向均匀分布。

作为进一步的实现方式，所述柔性空间曲梁呈螺旋状。

作为进一步的实现方式，所述双稳态斜梁组包括多个双稳态斜梁，各双稳态斜梁的一端连接至固定部。

作为进一步的实现方式，所述双稳态斜梁和固定部的连接处与竖直方向的夹角为锐角；

所述摆动部件的轴线方向垂直于竖直方向。

作为进一步的实现方式，所述双稳态斜梁组还包括支撑框架，双稳态斜梁和固定部安装于支撑框架内；

所述微夹钳主体与支撑框架固定连接。

作为进一步的实现方式，所述旋转驱动机构包括舵机，所述舵机连接于摆动部件中心位置。

作为进一步的实现方式，所述旋转驱动机构还包括摆臂，所述摆臂与舵机相连，所述摆动部件开设有与摆臂相适配的摆臂槽。

作为进一步的实现方式，所述微夹钳主体包括两个夹钳臂，两个夹钳臂之间形成钳口。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明由具备直线负刚度特性的双稳态斜梁组与具备扭转正刚度特性的空间曲梁机构并联集成，实现柔性微夹钳的准零刚度特性；通过空间曲梁机构实现旋转运动与夹钳夹持动作之间的转换，进而可以满足精密操作中高精度运动和恒力夹持的不同要求；与两侧固定部直接相连的双稳态斜梁组，会在夹钳臂夹紧运动时，输出负刚度位移，最终达到零刚度恒力作动的效果；

同时，本发明结构简单，易于加工制造且动作执行效率高；本发明通过非平面传动的机构实现微型机构的夹持动作，从三维空间构型的思路去设计微夹钳传动机构，扩大夹钳应用的范围。

(2)本发明恒力微夹钳的输入转角与夹钳位移的传动比可通过改变柔性空间曲梁的尺寸参数进行调节；通过增加柔性空间曲梁的数量来增加过约束效果，进而抑制非功能方向的寄生运动，达到提升微夹钳精度的目标。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的恒力微夹钳立体图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的恒力微夹钳主视图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的恒力微夹钳侧视图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的恒力微夹钳爆炸图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的恒力微夹钳装配图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的旋转驱动机构结构示意图；

图7是复合零刚度原理示意图；

图8是本发明根据一个或多个实施方式的恒力微夹钳有限元形变分析示意图。

其中，1-柔性微夹钳机构，101-柔性空间曲梁，102-双稳态斜梁，103-固定部，104-钳口，105-摆臂槽，106-摆动部件；2-旋转驱动机构，201-摆臂，202-舵机。

具体实施方式

实施例一：

本发明的一个典型实施例中，如图1-图5所示，给出一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳。

由于现有技术中的恒力微夹钳通常为平面传动机构，其传动精度限制导致执行效率不能满足要求；基于此，本实施例提供了一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳，将空间曲梁机构和双稳态斜梁组构成的复合传动机构集成于夹钳装置中，并通过旋转驱动机构2施加扭矩，实现中间摆动部件106的旋转，进而经过空间曲梁机构的形变实现两侧双稳态斜梁组及夹钳臂同时向中间夹紧，最终实现夹钳末端的夹持动作。

本实施例通过具备直线负刚度特性的双稳态斜梁组与具备扭转正刚度特性的空间曲梁机构并联集成，实现柔性微夹钳的准零刚度特性；从而通过转动-直动耦合，提供较高的传动精度。

下面，结合附图对上述恒力微夹钳进行详细说明。

如图1-图5所示，基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳包括柔性微夹钳机构1、旋转驱动机构2和微夹钳主体，旋转驱动机构2通过柔性微夹钳机构1连接微夹钳主体，能够将旋转运动转变为直线运动，从而实现微夹钳的夹持动作；其中，柔性微夹钳机构1采用复合传动机构。

具体地，柔性微夹钳机构1主要包括摆动部件106、空间曲梁机构、双稳态斜梁组，摆动部件106与旋转驱动机构2连接，用于带动其他部件摆动；摆动部件106的形式可以根据实际应用场景设置，在本实施例中，摆动部件106采用圆盘结构，并且以摆动部件106的轴线方向为水平方向，垂直于轴线方向为竖直方向。

旋转驱动机构2包括舵机202，舵机202连接摆动部件106，从而驱动摆动部件106转动。为了便于装置的拆装，并同时满足驱动要求，本实施例的旋转驱动机构2还包括摆臂201，摆臂201连接于舵机202的轴上，摆动部件106中心处开设有与摆臂201相适配的摆臂槽105，通过摆臂201与摆臂槽105插接实现二者配合。

如图6所示，摆臂201包括中间的圆柱段以及连接于圆柱段两侧的直板段，使摆臂201与摆臂槽105能够在旋转过程中锁紧固定，使摆动部件106随摆臂201同步转动。

舵机202是一种角度伺服的驱动器，适用于需要角度不断变化并可以保持的控制系统，相比于压电陶瓷，其成本大大降低。舵机202的工作原理是由接收机发出讯号给舵机202，经由电路板上的I C驱动无核心马达开始转动，通过减速齿轮将动力传至摆臂201，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。

摆动部件106轴向两侧对称设置空间曲梁机构，即共两组空间曲梁机构；空间曲梁机构连接于摆动部件106与双稳态斜梁组之间，每个双稳态斜梁组连接微夹钳主体的一个夹钳臂，两个夹钳臂之间形成钳口104，摆动部件106的旋转动作依次经空间曲梁机构、双稳态斜梁102传递至夹钳臂，从而实现转动-直动耦合。

由于空间曲梁机构具有正刚度扭转，双稳态斜梁组具有直线负刚度特性，二者并联，实现柔性微夹钳的准零刚度特性。空间曲梁机构包括多个柔性空间曲梁101，柔性空间曲梁101一端连接于摆动部件106侧面靠近边缘位置，且沿摆动部件106周向呈均匀分布，以便传输稳定动力。柔性空间曲梁101的数目可根据实际夹持要求设置，例如设置三个，通过合理增加柔性空间曲梁101的数量，能够实现过约束，能够更进一步抑制寄生运动的产生，进而提高微夹钳的运动精度。

柔性空间曲梁101采用柔性材质制成，在本实施例中，柔性空间曲梁101呈螺旋状；当然，在其他实施例中，柔性空间曲梁101也可以呈其他线型结构。柔性空间曲梁101通过尺寸参数的调整，可以实现大扭转角度输入到微直线位移输出的耦合。

双稳态斜梁组会在连接的夹钳臂夹紧运动时，输出负刚度位移，最终达到零刚度恒力作动的效果。双稳态斜梁组包括多个双稳态斜梁102，每组双稳态斜梁组中的各双稳态斜梁102由支撑框架支撑，并且通过固定部103衔接。如图5所示，本实施例的支撑框架采用中空的矩形框架，在支撑框架的中心位置设置有与其形状相适应的固定部103，即固定部103为矩形块，在固定部103和支撑框架之间连接双稳态斜梁102。

由于本实施例的支撑框架、固定部103为矩形结构，对应于矩形结构的各边连接双稳态斜梁102，即，共设置四个双稳态斜梁102。

可以理解的，在其他实施例中，支撑框架也可以为其他形状，例如为环形，其内侧的固定部103则为圆盘形，多个双稳态斜梁102沿环向均匀分布于支撑框架和固定部103之间。

双稳态斜梁102具有一定的倾斜角度，结合图1、图4和图5可以看出，双稳态斜梁102从与固定部103的连接端向与支撑框架的连接端倾斜，或者说，双稳态斜梁102与固定部103的连接处与竖直方向呈一定角度设置，该角度为锐角。

柔性空间曲梁101的数目、形状以及双稳态斜梁102的数目、倾斜角度需要综合考虑，二者需要协同作用，使微夹钳达到零刚度恒力作动的效果。

需要说明的是，双稳态结构能够实现从一个稳定状态到另一稳定状态切换，利用材料的弹性形变原理制成。本实施例中由于双稳态斜梁102一端固定在固定部103，另一端连接在可沿z轴移动的支撑框架处，因而可实现支撑框架结构从一稳定位置到另一稳定位置的切换，即称为双稳态，在切换过程的后半段会出现负刚度特性，因而可用于与空间螺旋梁正刚度的抵消，达到总体零刚度的目标，最终在这一微动过程实现恒力夹持。

当给定驱动电压信号时，舵机202通过摆臂201驱使摆动部件106，进而带动各柔性空间曲梁101、双稳态斜梁102实现转动-直动耦合，从而实现如图8所示的钳口104夹紧动作；根据如图7所示的复合零刚度原理，由柔性空间曲梁101提供正刚度，双稳态斜梁组提供负刚度，最终在等效范围实现恒力夹持操作。

本实施例采用空间偏转-恒力夹持的机构传动方案，通过空间曲梁机构实现旋转运动与微夹钳夹持动作之间的转换，进而可以满足精密操作中高精度运动和恒力夹持的不同要求，且结构简单，易于加工制造，动作执行效率高。

本实施例以成本相对低廉的舵机202或其他转动电机作为驱动器，可实现柔性空间曲梁101的轴向压缩和扭转；通过改变柔性空间曲梁101尺寸参数可以调节输入位移与输出转角的传动比，从而适应不同应用场景下的定位需求。

本实施例通过非平面传动的机构实现微型机构的夹持动作，从三维空间构型的思路去设计微夹钳传动机构，扩大夹钳应用的范围。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳，其特征在于，包括：

柔性微夹钳机构，包括摆动部件，所述摆动部件两侧对称设置空间曲梁机构，所述空间曲梁机构一端连接摆动部件，另一端连接双稳态斜梁组，两双稳态斜梁组之间连接微夹钳主体；

旋转驱动机构，与摆动部件相连，所述旋转驱动机构用于带动摆动部件旋转以使柔性恒力微夹钳机构实现转动与直动耦合。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳，其特征在于，所述空间曲梁机构用于提供正刚度，双稳态斜梁组用于提供负刚度，所述空间曲梁机构和双稳态斜梁组能够提供微夹钳主体的恒力夹持范围。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳，其特征在于，所述空间曲梁机构包括多个柔性空间曲梁，多个柔性空间曲梁沿摆动部件周向均匀分布。

4.根据权利要求3所述的一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳，其特征在于，所述柔性空间曲梁呈螺旋状。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳，其特征在于，所述双稳态斜梁组包括多个双稳态斜梁，各双稳态斜梁的一端连接至固定部。

6.根据权利要求5所述的一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳，其特征在于，所述双稳态斜梁和固定部的连接处与竖直方向的夹角为锐角；

所述摆动部件的轴线方向垂直于竖直方向。

7.根据权利要求5所述的一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳，其特征在于，所述双稳态斜梁组还包括支撑框架，双稳态斜梁和固定部安装于支撑框架内；

所述微夹钳主体与支撑框架固定连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳，其特征在于，所述旋转驱动机构包括舵机，所述舵机连接于摆动部件中心位置。

9.根据权利要求8所述的一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳，其特征在于，所述旋转驱动机构还包括摆臂，所述摆臂与舵机相连，所述摆动部件开设有与摆臂相适配的摆臂槽。

10.根据权利要求1所述的一种基于空间复合柔性单元的恒力微夹钳，其特征在于，所述微夹钳主体包括两个夹钳臂，两个夹钳臂之间形成钳口。