專利名稱：基于慣性－摩擦原理的球基微操作器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高精度、微操作驅(qū)動(dòng)裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的微操作均要求專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)顯微鏡觀察到的情況進(jìn)行顯微操作。例如在生物工程領(lǐng)域?qū)?xì)胞的捕捉、細(xì)胞切割、DNA檢測(cè)、轉(zhuǎn)基因注射，在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域如微型零件的操作和裝配，在醫(yī)療領(lǐng)域如腦顯微外科手術(shù)、神經(jīng)外科手術(shù)、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(qiáng)度的工作，其工作效率低，同時(shí)也易受操作者當(dāng)時(shí)狀態(tài)的影響。所以顯微操作自動(dòng)化對(duì)提高效率、減輕操作者的工作強(qiáng)度顯得極為重要。對(duì)微操作系統(tǒng)的要求是1、系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的自由度，高的分辨率、定位精度與重復(fù)定位精度。2、系統(tǒng)應(yīng)占據(jù)較小的空間。3、系統(tǒng)應(yīng)具有較大的工作空間。4、系統(tǒng)為柔性系統(tǒng)，微操作工具隨著微操作對(duì)象的改變而易于更換。微操作器作為微夾持器的驅(qū)動(dòng)載體，其主要功能是給微夾持器提供足夠的運(yùn)動(dòng)自由度，并驅(qū)動(dòng)微夾持器，完成各種任務(wù)，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(shí)際應(yīng)用的微操作器均以并聯(lián)機(jī)構(gòu)形式為主，占據(jù)空間較大、工作空間有限，而且系統(tǒng)柔性差，微操作工具不易更換?，F(xiàn)有的球基微操作器有德國的Miniman系列，用三根壓電陶瓷管驅(qū)動(dòng)，其缺點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)線路多，系統(tǒng)不易小型化，日本電器工業(yè)大學(xué)開發(fā)的球基微操作器采用三根壓電堆陶瓷直立布置，大大減少了驅(qū)動(dòng)線路，但其直立布置導(dǎo)致在陶瓷的伸縮過程中切點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致球心振動(dòng)與陶瓷空走，因此工作時(shí)只能采用低頻與低壓驅(qū)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動(dòng)線路少、靈活性高、工作空間大的高精度、微操作驅(qū)動(dòng)裝置。本發(fā)明通過下述方案實(shí)現(xiàn)一種基于慣性—摩擦原理的球基微操作器，它由底座10、設(shè)置在底座10上并且向上方發(fā)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(nèi)側(cè)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(fā)明的微操作器在工作時(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)，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(zhǎng)，而雙極性壓電堆陶瓷2-3緩慢縮短時(shí)，摩擦頭3摩擦球體1，使其發(fā)生旋轉(zhuǎn)，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(zhǎng)時(shí)，由于慣性力的作用，球體1不轉(zhuǎn)動(dòng)，如此反復(fù)進(jìn)行，就完成了球體1一個(gè)旋向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同理可知，本發(fā)明的微操作器能完成球體1繞其水平大圓內(nèi)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)。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。由于球體1的旋轉(zhuǎn)角度直接與雙極性壓電堆陶瓷2上所施加的電壓脈沖個(gè)數(shù)相關(guān)，因此球體1的旋轉(zhuǎn)具有高的分辨率、高的定位精度和重復(fù)定位精度。該微操作器具有以下優(yōu)點(diǎn)1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小。2、驅(qū)動(dòng)機(jī)理新穎，靠金屬球的慣性和摩擦力在低速時(shí)的非線性完成驅(qū)動(dòng)。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(wěn)定。4、具有通用性，系統(tǒng)柔性好，可以根據(jù)不同的操作對(duì)象更換球體1和夾持器4。5、分辨率高，角度分辨率可達(dá)0.001度。6、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，而且根據(jù)驅(qū)動(dòng)電壓的不同頻率和幅值可以使操作器末端的速度可調(diào)。7、系統(tǒng)具有較大的工作空間，經(jīng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃后可以覆蓋整個(gè)球面。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式由底座10、設(shè)置在底座10上并且向上方發(fā)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(nèi)側(cè)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(zhì)，摩擦頭3粘接在雙極性壓電堆陶瓷2上。
具體實(shí)施方式
二下面結(jié)合圖1具體說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同點(diǎn)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(shè)置，由于雙極性壓電堆陶瓷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(yùn)動(dòng)方向互相垂直不相干涉，球體1運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)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(jì)算和選用。
權(quán)利要求
1.一種基于慣性—摩擦原理的球基微操作器，其特征是它由底座(10)、設(shè)置在底座(10)上并且向上方發(fā)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(nèi)側(cè)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于慣性—摩擦原理的球基微操作器，其特征是球體(1)是金屬球，摩擦頭(3)是陶瓷材質(zhì)，摩擦頭(3)粘接在雙極性壓電堆陶瓷(2)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于慣性—摩擦原理的球基微操作器，其特征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(fā)明公開一種高精度、微操作驅(qū)動(dòng)裝置——基于慣性—摩擦原理的球基微操作器。它由底座(10)、設(shè)置在底座(10)上并且向上方發(fā)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(nèi)側(cè)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(nèi)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)。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(yōu)點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小。2.驅(qū)動(dòng)機(jī)理新穎。3.兩摩擦表面始終保持相切，金屬球心穩(wěn)定。4.具有通用性。5.分辨率高。6.驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單。7.具有較大的工作空間。
文檔編號(hào)B81C3/00GK1562728SQ20041001370
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月20日
發(fā)明者孫立寧, 李滿天, 宋宇 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)