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仿生超疏水表面在微夹持器钳口端面的应用研究

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中国激光 2022年第10期49卷 217-230页

作者：杨成娟杨雪王蒙王福军时贝超朱鑫垚天津大学机械工程学院天津300072 天津大学机械工程学院机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300072

微夹持器是微操作系统的重要组成部分。作为微操作系统末端执行器,微夹持器钳口端面在工作过程中容易出现磨损、吸附杂质、结冰或结霜等问题,而且目前微夹持器大多是一体化加工而成,整体更换将造成资源浪费。本文设计了一种可拆卸式微... 详细信息

微夹持器是微操作系统的重要组成部分。作为微操作系统末端执行器,微夹持器钳口端面在工作过程中容易出现磨损、吸附杂质、结冰或结霜等问题,而且目前微夹持器大多是一体化加工而成,整体更换将造成资源浪费。本文设计了一种可拆卸式微夹持器,利用中心波长为1064 nm的纳秒激光器,在执行操作的钳口端面上加工出粗糙的微纳结构,使用无毒害的硬脂酸溶液浸泡改性,获得仿生超疏水表面。通过电化学实验,测试了仿生超疏水表面在酸、盐和碱环境中的耐腐蚀性能,通过自清洁、抗结冰和抗菌实验测试了该表面的防污、防冻和防菌性能。实验结果表明:仿生超疏水表面能够有效抵抗酸、盐和碱环境中的腐蚀,具有良好的防腐性能;有效防止灰尘、水滴和细菌等杂质粘附于钳口端面,保证钳口端面的清洁与卫生;在低温环境中,有效防止端面结霜或结冰,使微夹持器能够在恶劣环境中正常工作。

关键词：激光技术表面加工仿生超疏水表面微夹持器耐腐蚀自清洁抗结冰抗菌

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压电柔顺x-y微夹持器的设计与分析

压电柔顺x-y微夹持器的设计与分析

作者：宋帅官宁波大学

学位级别：硕士

微纳米领域的快速发展,对微夹持器性能不断提出新需求和挑战。为了满足多种微操作和微装配任务的不同需求,微夹持器需具有高位移放大倍数、多自由度、高固有频率和结构紧凑等优点。本文利用压电驱动器和柔顺机构设计了一种x-y双自由度... 详细信息

微纳米领域的快速发展,对微夹持器性能不断提出新需求和挑战。为了满足多种微操作和微装配任务的不同需求,微夹持器需具有高位移放大倍数、多自由度、高固有频率和结构紧凑等优点。本文利用压电驱动器和柔顺机构设计了一种x-y双自由度单压电柔顺微夹持器,并对该微夹持器的各项性能进行了研究和测试,各个部分内容如下:本文首先给出了微夹持器的应用背景、研究现状和意义。分别介绍了微夹持器的驱动方式、柔顺机构以及控制方式,提出微夹持器的设计目标,并简述全文的主要工作。基于有限元法设计并建立了压电柔顺x-y微夹持器的结构以及理论模型。说明了微夹持器的工作原理,并利用有限元法对微夹持器的静、动力学性能进行了分析,主要包括微夹持器在x、y方向上的位移放大倍数和固有频率。利用ANSYS Wokbench软件对压电微夹持器进行仿真分析,并与理论计算的结果相比较。通过静力学仿真分析得到微夹持器在x、y方向上的位移放大倍数和最大应力值,同时验证夹头两端的平动性能。对微夹持器进行模态分析,得到固有频率的仿真结果。搭建了微夹持器的实验测试平台,对压电柔顺x-y微夹持器的位移放大倍数、夹持力、固有频率和夹持性能的开环性能进行测试,并验证了理论分析和有限元仿真的准确性。由实验结果可知,微夹持器在x、y方向上的位移放大倍数分别为30.8和8.6,一阶固有频率分别为123.3 Hz和546.9 Hz。在10μm的输入下,x、y方向上的操作范围分别为0～616.6μm和0～51.0μm,可提供的夹持力范围为0～25.8 m N,可保持17.5 m N的夹持恒力,实验结果验证了压电微夹持器的理论建模和仿真分析的准确性。对微夹持器系统进行参数辨识和H控制器的设计。辨识了微夹持器在x、y方向输出和夹持力的系统模型,基于H理论在x、y方向输出和夹持力的控制上分别设计了三组权重系数W（s）、W（s）、W（s）和相应的H控制器K（s）,并通过实验验证所设计控制器的有效性。在设计的H控制器下,微夹持器在常规、变幅和变频的三角波和正弦波信号下,x方向的平均迟滞率分别降至1.0%、1.3%和3.8%,y方向平均迟滞率降至0.5%、0.7%和3.7%,夹持力的平均迟滞率分别降至0.8%、1.5%和4.5%,所设计的控制器可以有效补偿迟滞非线性。最后对本文的主要研究工作进行总结,并展望未来待研究问题。

关键词：微夹持器柔顺机构压电驱动多自由度输出位移

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基于电磁驱动的微夹持器设计与实验研究

基于电磁驱动的微夹持器设计与实验研究

作者：潘磊苏州大学

学位级别：硕士

微夹持器作为微操作系统中直接接触被夹持物的末端执行机构,其性能对于微纳操作技术有着重要意义。为了满足微纳操作技术越来越多的需求,设计结构紧凑、体积较小、位移精度高的微夹持器是一个重要的研究方向。而电磁微夹持器有着可靠性... 详细信息

微夹持器作为微操作系统中直接接触被夹持物的末端执行机构,其性能对于微纳操作技术有着重要意义。为了满足微纳操作技术越来越多的需求,设计结构紧凑、体积较小、位移精度高的微夹持器是一个重要的研究方向。而电磁微夹持器有着可靠性高、原理简单和便于控制等优势,但往往受限于线圈尺寸导致其体积较大,难以微型化。本文针对目前电磁微夹持器难以小型化的缺点和生物医学、微装配等领域对微纳操作更精准化的需求,对传统的电磁驱动进行改进,创新性的将微型线圈与光固化3D打印相结合,制备了新型的电磁驱动微夹持器。首先对微型电磁驱动的原理以及可行性进行了分析。因为随着宏观尺度的不断减小,需要考虑到缩小器件尺度所带来的驱动力减小的物理后果,分析微型化在物理上是否可行。通过对电磁驱动原理以及尺度效应的分析可知,选择合理的受力结构可以削弱驱动力随尺度减小所带来的不利影响,从而为下文设计电磁驱动微夹持器提供了基础。其次,分别针对空气中物体的操作问题及液体中细胞的操作问题提出了平面线圈电磁微夹持器和推杆式电磁微夹持器的设计。平面线圈电磁微夹持器采用柔性电路板工艺和光固化3D打印工艺实现了线圈和夹持结构的微型化,成功缩减了电磁微夹持器的体积。推杆式电磁微夹持器加长了夹持臂并更改了驱动结构以使得其可以在培养液中对细胞进行夹持动作。两款电磁微夹持器尺寸设计分别为15mm×5mm×3mm和9mm×5mm×3mm,达成了电磁微夹持器小型化的目标。制作完成之后对两款微夹持器的性能进行测试,包括驱动力测试、夹持末端位移量测试和夹持器疲劳测试,实验结果表明所设计的微夹持器位移量和线性度等性能均满足设计目标。最后,分别为平面线圈电磁微夹持器和推杆式电磁微夹持器搭建了整体系统和实验平台,并对其进行了微装配实验和生物微操作实验。微装配实验使用平面线圈电磁微夹持器完成了矢量传感器的装配,生物微操作实验使用推杆式电磁微夹持器完成了小鼠卵母细胞的夹持操作。实验结果验证了两款电磁驱动微夹持器在缩小体积的同时可以顺利完成微纳操作流程,具有实际应用价值。本文所研制的电磁微夹持器将微型线圈与光固化3D打印技术相结合,成功实现了电磁微夹持器的小型化并进行了微纳操作实验,体现了新型电磁驱动微夹持器在生物医学和微装配等领域的应用价值,对电磁微夹持器技术的发展起到了积极的推动作用。

关键词：电磁驱动微夹持器微纳操作 3D打印

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集成位置/力传感器的桥式压电微夹持器

机器人 2015年第6期37卷 655-662页

作者：杨依领傅雷田埂娄军强魏燕定浙江大学机械工程学院浙江省先进制造技术重点实验室浙江杭州310027 宁波大学机械工程与力学学院浙江宁波315211

针对微操作和微装配任务中起着至关重要作用的微夹持器的设计问题,考虑其对大行程、平动夹持和集成位置/夹持力检测的要求,采用桥式放大机构和平形四边形机构,设计了一种柔顺压电微夹持器.根据机械原理和柔顺机构学,推导了微夹持器的理... 详细信息

针对微操作和微装配任务中起着至关重要作用的微夹持器的设计问题,考虑其对大行程、平动夹持和集成位置/夹持力检测的要求,采用桥式放大机构和平形四边形机构,设计了一种柔顺压电微夹持器.根据机械原理和柔顺机构学,推导了微夹持器的理论放大倍数、固有频率和输出耦合比.然后通过ANSYS软件,对微夹持器的放大倍数、固有频率和输出耦合比进行了仿真,最后建立了实验测控系统来验证该微夹持器的性能.实验结果表明:该微夹持器的夹持范围为0.345μm^328.2μm,放大倍数为16.4,固有频率为157.5 Hz,ANSYS仿真与实验测得的放大倍数和固有频率的相对误差分别为17.7%和12.9%,实验结果验证了理论模型和有限元仿真的正确性,实现了大行程、平动夹持和集成位置/力传感器的设计目标.

关键词：微夹持器压电致动器柔性铰链桥式机构

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压电驱动微夹持器特性分析

仪器仪表学报 2019年第7期40卷 224-232页

作者：林超李坪洋沈忠磊余江郑山重庆大学机械传动国家重点实验室

针对微夹持器的大行程、低耦合等要求,采用桥式机构和杠杆机构设计了一种新型三级放大微夹持器。根据柔性机构学、弹性力学和动力学原理,优化了桥式机构的固定位置提高微夹持器的动态特性,建立了微夹持器的理论位移放大模型、耦合误差... 详细信息

针对微夹持器的大行程、低耦合等要求,采用桥式机构和杠杆机构设计了一种新型三级放大微夹持器。根据柔性机构学、弹性力学和动力学原理,优化了桥式机构的固定位置提高微夹持器的动态特性,建立了微夹持器的理论位移放大模型、耦合误差模型和动力学模型,获得了微夹持器的输出位移特性与动态特性。应用3D打印和线切割加工技术加工出微夹持器实体,通过理论、仿真和实验数据对比验证了理论模型的正确性,微夹持器的位移放大倍数达到了19. 7倍,固有频率为223 Hz,与实验数据的误差均在10%以内波动,工作行程达到了750μm同时耦合误差仅为工作行程的0. 35%,实现了微夹持器大行程、高精度、低耦合和良好的动态特性。

关键词：微夹持器固定约束耦合误差大行程 3D打印

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复合式MEMS微夹持器的研制

光学精密工程 2009年第8期17卷 1928-1934页

作者：陈立国刘柏旭哈尔滨工业大学机器人研究所黑龙江哈尔滨150001

为实现对亚毫米微小构件稳定夹取及可靠释放等操作,研制了一种复合式微夹持器。采用有限元软件分析了微夹持器的机构及动力特性。应用MEMS体硅工艺将静电梳齿驱动与气动吸放集成构成复合式驱动,气动吸放的引入改善了微夹持器的操作性能,... 详细信息

为实现对亚毫米微小构件稳定夹取及可靠释放等操作,研制了一种复合式微夹持器。采用有限元软件分析了微夹持器的机构及动力特性。应用MEMS体硅工艺将静电梳齿驱动与气动吸放集成构成复合式驱动,气动吸放的引入改善了微夹持器的操作性能,S形柔性梁结构的设计将梳齿驱动的直线运动转化成末端夹爪的转动实现了夹持操作。两种不同尺寸的微夹持器,有效扩展了微夹持器的夹持范围。根据微夹持器的操作控制需求,设计了微夹持器静电驱动控制系统以及气压控制系统。在80V的驱动电压下,微夹持器末端夹爪位移可达25μm。针对100～200μm的小球进行了微操作实验,实验结果表明,静电梳齿驱动结合真空吸附能够使夹取操作更加稳定,基于闭环控制的气路正压力能有效克服小球与夹爪之间的粘附力,实现可靠的释放操作。微夹持器基本满足100～200μm微小构件的操作需求。

关键词：微机电系统微操作微夹持器静电梳齿驱动气动吸放

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两级位移放大微夹持器的研究

压电与声光 2005年第3期27卷 300-302页

作者：陈海初王振华李满天孙立宁哈尔滨工业大学机器人研究所黑龙江哈尔滨150001

微夹持器是完成微操作、微装配作业任务的重要工具,其体积、质量、张合量、微夹持力等是微夹持器设计过程中的重要指标。利用压电陶瓷作为微驱动元件设计了一种具有两级位移放大的微夹持器,并采用有限元软件对其进行张合量、微夹持力的... 详细信息

微夹持器是完成微操作、微装配作业任务的重要工具,其体积、质量、张合量、微夹持力等是微夹持器设计过程中的重要指标。利用压电陶瓷作为微驱动元件设计了一种具有两级位移放大的微夹持器,并采用有限元软件对其进行张合量、微夹持力的分析。经实验测试,验证了所设计的微夹持器的合理性和实用性。

关键词：微操作微夹持器压电陶瓷有限元法有限元分析

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基于体硅工艺的微夹持器设计

清华大学学报（自然科学版） 2003年第5期43卷 655-658页

作者：李勇李玉和李庆祥訾艳阳清华大学精密仪器及机械学系北京100084

为克服静电致动微夹持器夹持力小、运动范围小的弱点,设计并研制了一种基于体硅工艺的微夹持器。建立了S形柔性夹持臂力学模型,借助有限元方法进行结构优化、夹持臂模态分析以及静电驱动器对微操作对象影响的估算。研制成一种大深宽比... 详细信息

为克服静电致动微夹持器夹持力小、运动范围小的弱点,设计并研制了一种基于体硅工艺的微夹持器。建立了S形柔性夹持臂力学模型,借助有限元方法进行结构优化、夹持臂模态分析以及静电驱动器对微操作对象影响的估算。研制成一种大深宽比梳状静电驱动微夹持器,释放了等效长度达5.470mm的柔性夹持臂。该夹持器采用了导电型并接地连接的柔性微夹持臂,可防止静电对操作的影响,柔性结构有效解决了静电力小与硅材料的弹性模量高之间的矛盾,使微夹持器的夹持力输出大大增加。

关键词：体硅工艺微夹持器有限元方法 S形柔性夹持臂机械设计

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集成三维力传感器的微夹持器设计与试验

上海交通大学学报 2012年第6期46卷 972-976,983页

作者：虞启凯游有鹏韩江义南京航空航天大学精密与微细制造技术重点实验室南京210016 南京化工职业技术学院机械系南京210048 江苏大学汽车与交通工程学院江苏镇江212013

设计了一种集成三维力传感器微夹持器,通过压电陶瓷堆驱动和柔性铰链放大来实现夹持动作.微夹持器的弹性体为2个L型结构,对L型结构进行了优化设计和受力仿真分析,在2个L型结构的相应敏感部位分别粘贴3组应变片对空间三维力进行测量.通... 详细信息

设计了一种集成三维力传感器微夹持器,通过压电陶瓷堆驱动和柔性铰链放大来实现夹持动作.微夹持器的弹性体为2个L型结构,对L型结构进行了优化设计和受力仿真分析,在2个L型结构的相应敏感部位分别粘贴3组应变片对空间三维力进行测量.通过试验验证了微夹持器的合理性和实用性.

关键词：三维微力传感器微夹持器压电驱动有限元分析