一种电热驱动柔性微夾钳

技术领域  本发明一种电热驱动柔性微夾钳，属于微机电系统领域中的微执行器类。

 背景技术  微夾钳是微机电系统领域中的一个关键器件。在一些微小的机械零件、电子元件、生物细胞等的微操作和微装配中，所用的器件都是微夾钳。目前，微夾钳的钳体结构主要有两大类：即刚性结构和柔性结构，采用传统的刚性结构作为钳体，一般体积较大，制作麻烦，装配比较困难，而柔性结构正好可以克服刚性结构的不足，并且可以借助于微工艺技术实现钳体的微制造，能够进行批量生产和实现驱动单元的集成化制造，而在柔性结构的设计方面更多集中在采用一些功能材料，如压电材料、形状记忆合金、磁致伸缩材料等；微夾钳的驱动有多种形式，包括：静电驱动、压电驱动、电磁驱动、气压驱动、电热驱动等，电热驱动方式与其它方式比起来是最简洁的，并能提供大的输出力，易于集成。

现有的柔性微夾钳结构较多集中在使用功能材料，但往往受到材料制备的限制。电热驱动的柔性微夾钳大多具有复杂的几何结构，结构的细微差别就会产生不同的效果。有关电热驱动微夾钳方面的研究，在中国专利中未发现相关文献。国外专利中，日本专利静电驱动式微夾钳(专利号JP7052072)，虽然输入是电压，但其驱动力是电极之间的静电力，本发明的驱动力是钳体受焦耳热产生的热应变。Young Seek Oh等人在国际学术会议(2003 ASME International Mechanical Engineering Congress)的论文中发表了拓扑优化设计并进行修改的微夾钳结构，并加上电热驱动，驱动器为V形梁阵列，该文献中提到的微夾钳夹持物体时容易产生变形，在驱动电压为5v时，钳口位移仅为10um左右，位移小。E.V.Bordatchev等人在国际学术会议(Proceedings of the International Conference onMEMS，NANOand Smart Systems，2003)的论文中发表了基于电热原理设计，并加工的镍材料的微夾钳，其热驱动的温度高，驱动电压大，并且结构尺寸较大。

发明内容  本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构精巧细微，控制简单，易于集成；输出效率高，钳口位移大的电热驱动柔性微夾钳。

本发明采用的技术方案是一种电热驱动柔性微夾钳，由驱动和钳体部分组成，驱动部分为V形梁阵列9。微夹钳结构为一整体柔性结构，它由钳体固定部分1a和1b、电极2a和2b、柔性铰3a和3b、柔性铰4a和4b、连接杆5a和5b、柔性铰6a和6b、钳臂7a和7b、夹持端8a和8b、V形梁阵列9、钳体中间上部11、下部12不同的几何形体构成，无需任何装配。V形梁阵列9为电热驱动部分，它的固定端1a和1b也是钳体的固定端。钳臂7a和7b为流线型，它的前端是夹持端8a和8b，后端由柔性杆3a和3b与钳体固定部分1a和1b相连，同时通过柔性铰4a和4b与连接杆5a和5b的一端相连；连接杆5a和5b的另一端通过柔性铰6a和6b与钳体中间上部11相连。钳体中间上部和钳体中间下部12相连，钳体中间下部与驱动部分9相连；电极2a和2b位于1a和1b的表面上。柔性铰3a和3b、4a和4b、6a和6b的几何形状为细长杆状结构，钳体中间上部11由两个半圆环状通过三条筋板状结构相连并与杆状钳体中间下部12相连。

柔性微夹钳的钳体中间上部11可以是半圆形结构15，可以是三角形结构17，可以是两个或多个三角形形成的环状结构14，可以是矩形结构，也可以是上弦形等多种形状的具有一定刚性的结构；钳体中间下部可以是矩形16，可以是凸多边形12，也可以是几个凸多边形组合起来的能够传递运动的刚性结构。

柔性微夾钳的V形梁阵列的数目可以从一个到多个变化，V形梁阵列的方向也可以改变，当为正“V”形13时，夹持端实现的是闭合动作，当V形梁阵列的方向为倒“V”形9时，夹持端实现的是张开的动作，夹持端的距离L应视夹持物体大小而定，但必须L≥0。

本发明的效果是使用电热方式驱动微夾钳，控制简单、易行，并且微夹钳的钳体部分与驱动部分为一柔性整体，无需装配，制作简单，能够应用于微机电系统领域、微机器人技术领域等进行微操作、微装配等。

附图说明  图1是微夾钳的结构图。其中：1a、1b-钳体固定端，2a、2b-电极，3a、3b-柔性杆，4a、4b-柔性铰，5a、5b-连接杆，6a、6b-柔性铰，7a、7b-钳臂，8a、8b-夹持端；9-V形电热驱动部分，10-驱动部分的输出端，11-钳体中间部分一，12-钳体中间部分二。

图2是微夾钳钳体结构的等效机构简图。其中：A和A′-铰链、B和B′-铰链、D和D′-铰链，ABC和A′B′C′-构件，BD和B′D′-构件，DED′-构件，FG-构件，H-移动副。

图3是输入电压与夹持端(单侧)的夹持方向位移的关系曲线图。

图4是夹持端(单侧)的位移与夹持力的关系曲线图。

图5是输入电压与微夾钳最高表面温度的关系曲线图。

图6是微夹钳的正“V”形梁阵列的结构图，其中：13-正“V”形梁阵列。

图7是微夹钳钳体中间上部为三角环形的结构图，其中：14-三角环形钳体中间上部。

图8是微夹钳的钳体中间上部为半圆形、中间下部为矩形的结构图，其中：15-半圆形钳体中间上部；16-矩形钳体中间下部。

图9是微夹钳的钳体中间上部为三角形、中间下部为组合多边形的结构图，其中：15-三角形钳体中间上部；16-组合多边形钳体中间下部。