基於慣性－摩擦原理的球基微操作器的製作方法

2023-10-26 01:37:57 2

專利名稱：基於慣性－摩擦原理的球基微操作器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高精度、微操作驅動裝置。
背景技術：
傳統的微操作均要求專業技術人員根據顯微鏡觀察到的情況進行顯微操作。例如在生物工程領域對細胞的捕捉、細胞切割、DNA檢測、轉基因注射，在微機電系統(MEMS)領域如微型零件的操作和裝配，在醫療領域如腦顯微外科手術、神經外科手術、心血管搭橋、病理切片顯微分析等等都需要操作者大量的、高強度的工作，其工作效率低，同時也易受操作者當時狀態的影響。所以顯微操作自動化對提高效率、減輕操作者的工作強度顯得極為重要。對微作業系統的要求是1、系統應具有足夠的自由度，高的解析度、定位精度與重複定位精度。2、系統應佔據較小的空間。3、系統應具有較大的工作空間。4、系統為柔性系統，微操作工具隨著微操作對象的改變而易於更換。微操作器作為微夾持器的驅動載體，其主要功能是給微夾持器提供足夠的運動自由度，並驅動微夾持器，完成各種任務，這要求微操作單元具有很高的精度和高度的靈活性。目前實際應用的微操作器均以並聯機構形式為主，佔據空間較大、工作空間有限，而且系統柔性差，微操作工具不易更換。現有的球基微操作器有德國的Miniman系列，用三根壓電陶瓷管驅動，其缺點在於驅動線路多，系統不易小型化，日本電器工業大學開發的球基微操作器採用三根壓電堆陶瓷直立布置，大大減少了驅動線路，但其直立布置導致在陶瓷的伸縮過程中切點會發生變化，導致球心振動與陶瓷空走，因此工作時只能採用低頻與低壓驅動。

發明內容
本發明的目的就是提供一種結構緊湊、驅動線路少、靈活性高、工作空間大的高精度、微操作驅動裝置。本發明通過下述方案實現一種基於慣性—摩擦原理的球基微操作器，它由底座10、設置在底座10上並且向上方發散狀沿伸的三根雙極性壓電堆陶瓷2、球體1和摩擦頭3組成，球體1支承在三根雙極性壓電堆陶瓷2的上端內側表面上，雙極性壓電堆陶瓷2與球體1接觸處固定有摩擦頭3。本發明的微操作器在工作時，通過在雙極性壓電堆陶瓷2的電源端分別施加不同相位的鋸齒波電壓，使其中的雙極性壓電堆陶瓷2-1、雙極性壓電堆陶瓷2-2先緩慢伸長再快速縮短，雙極性壓電堆陶瓷2-3先緩慢縮短再快速伸長，雙極性壓電堆陶瓷2-1和雙極性壓電堆陶瓷2-2緩慢伸長，而雙極性壓電堆陶瓷2-3緩慢縮短時，摩擦頭3摩擦球體1，使其發生旋轉，雙極性壓電堆陶瓷2-1和雙極性壓電堆陶瓷2-2快速縮短，雙極性壓電堆陶瓷2-3快速伸長時，由於慣性力的作用，球體1不轉動，如此反覆進行，就完成了球體1一個旋向的旋轉運動。同理可知，本發明的微操作器能完成球體1繞其水平大圓內三個轉動軸的旋轉。在球體1的表面上固定微夾持器4等操作元件就能完成許多微操作。由於球體1的旋轉角度直接與雙極性壓電堆陶瓷2上所施加的電壓脈衝個數相關，因此球體1的旋轉具有高的解析度、高的定位精度和重複定位精度。該微操作器具有以下優點1、結構簡單，體積小。2、驅動機理新穎，靠金屬球的慣性和摩擦力在低速時的非線性完成驅動。3、壓電堆陶瓷斜置，使兩摩擦表面始終保持相切，金屬球心穩定。4、具有通用性，系統柔性好，可以根據不同的操作對象更換球體1和夾持器4。5、解析度高，角度解析度可達0.001度。6、驅動簡單，而且根據驅動電壓的不同頻率和幅值可以使操作器末端的速度可調。7、系統具有較大的工作空間，經運動規劃後可以覆蓋整個球面。


圖1是本發明的結構示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1具體說明本實施方式，本實施方式由底座10、設置在底座10上並且向上方發散狀沿伸的三根雙極性壓電堆陶瓷2、球體1和摩擦頭3組成，球體1支承在三根雙極性壓電堆陶瓷2的上端內側表面上，雙極性壓電堆陶瓷2上與球體1接觸處固定有摩擦頭3。球體1是金屬球，摩擦頭3是陶瓷材質，摩擦頭3粘接在雙極性壓電堆陶瓷2上。
具體實施方式
二下面結合圖1具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式一的不同點是，雙極性壓電堆陶瓷2-1、雙極性壓電堆陶瓷2-2和雙極性壓電堆陶瓷2-3之間在空間上互成90°夾角。如此設置，由於雙極性壓電堆陶瓷2-1、雙極性壓電堆陶瓷2-2和雙極性壓電堆陶瓷2-3的運動方向互相垂直不相干涉，球體1運動穩定，運動精度也高。另外雙極性壓電堆陶瓷2的電源電壓波形也較容易計算和選用。
權利要求
1.一種基於慣性—摩擦原理的球基微操作器，其特徵是它由底座(10)、設置在底座(10)上並且向上方發散狀沿伸的三根雙極性壓電堆陶瓷(2)、球體(1)和摩擦頭(3)組成，球體(1)支承在三根雙極性壓電堆陶瓷(2)的上端內側表面上，雙極性壓電堆陶瓷(2)上與球體(1)接觸處固定有摩擦頭(3)。
2.根據權利要求1所述的基於慣性—摩擦原理的球基微操作器，其特徵是球體(1)是金屬球，摩擦頭(3)是陶瓷材質，摩擦頭(3)粘接在雙極性壓電堆陶瓷(2)上。
3.根據權利要求1所述的基於慣性—摩擦原理的球基微操作器，其特徵是雙極性壓電堆陶瓷(2-1)、雙極性壓電堆陶瓷(2-2)和雙極性壓電堆陶瓷(2-3)之間在空間上互成90°夾角。
全文摘要
本發明公開一種高精度、微操作驅動裝置——基於慣性—摩擦原理的球基微操作器。它由底座(10)、設置在底座(10)上並且向上方發散狀沿伸的三根雙極性壓電堆陶瓷(2)、球體(1)和摩擦頭(3)組成，球體(1)支承在三根雙極性壓電堆陶瓷(2)的上端內側表面上，雙極性壓電堆陶瓷(2)上與球體(1)接觸處固定有摩擦頭(3)。它通過在雙極性壓電堆陶瓷(2)的電源端分別施加不同相位的鋸齒波電壓，能完成球體(1)繞其水平大圓內三個轉動軸的旋轉。在球體(1)的表面上固定微夾持器(4)等操作元件就能完成許多微操作。優點1.結構簡單，體積小。2.驅動機理新穎。3.兩摩擦表面始終保持相切，金屬球心穩定。4.具有通用性。5.解析度高。6.驅動簡單。7.具有較大的工作空間。
文檔編號B81C3/00GK1562728SQ20041001370
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月20日 優先權日2004年4月20日
發明者孫立寧, 李滿天, 宋宇 申請人:哈爾濱工業大學