基于光致形变材料的光驱动微夹钳

摘要/Abstract

摘要：

摘要：针对目前微夹钳存在的一些问题，提出了一种基于光致形变材料镧改性锆钛酸铅(PLZT)双晶片的光驱动微夹钳.首先对光微夹钳中的核心部件PLZT陶瓷的光致形变特性进行了研究，建立了PLZT陶瓷的新型光致伸缩模型；其次对PLZT双晶片式悬臂梁结构的驱动特性进行了分析；最后对柔性铰链放大结构进行了设计，并对其柔性铰链的承载能力进行了理论计算.计算结果表明，柔性铰链的承载能力满足使用要求，光微夹钳可实现远程光控而不受电磁干扰，可自主控制夹持与释放动作，其放大机构的放大倍数为24倍，且最大钳口距离可达3.880 mm，基本满足大部分微型零件的操作需求，具有很好的通用性和适用性.

关键词: 光致形变材料, 微夹钳, 光驱动, 数学模型

Abstract:

Abstract： The microgripper is widely used in microassembly and microoperation application. Aiming at the problem of the existent microgripper, an optical microgripper based on the PLZT bimorph cantilever structure was presented. As the core component of optical microgripper, the photostrictive effect of PLZT ceramic was studied and a novel photostrictive mathematical model was established. Besides, the drive characteristic of PLZT bimorph was derived. Furthermore, the flexible hinged magnifying mechanism was designed and the theoretical calculation of the loading capacity of flexure hinge was conducted. The calculation results show that the carrying capacity of flexure hinges can meet the operating requirements. The optical microgripper can provide wireless remote optically control without electromagnetic disturbance and can pick and place controlled by the illumination. A displacement amplification of 24 and a maximum stroke of 3.880 mm are achieved, which can satisfy the operating requirement of most microobjects.

Key words: photostrictive material, microgripper, opticallydriven, mathematical model

中图分类号:

TP 241.3

黄家瀚，王新杰，王炅. 基于光致形变材料的光驱动微夹钳[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2014, 48(12): 1681-1687.

HUANG Jiahan,WANG xinjie,WANG Jiong. An Optically Driven Microgripper Based on Photostrictive Materials[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2014, 48(12): 1681-1687.

参考文献

［1］Agnus J, Nectoux P, Chaillet N. Overview of microgrippers and design of a micromanipulation station based on a MMOC microgripper ［C］//Proceedings of 2005 IEEE International Symposium on Computational Intelligence in Robotics and Automation. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2005: 117123.

［2］Menciassi A, Eisinberg A, Izzo I, et al. From macro to micro manipulation: models and experiments ［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2004, 9(2): 311320.

［3］Volland B E, Heerlein H, Rangelow I W. Electrostatically driven microgripper ［J］. Microelectronic Engineering, 2002, 6162: 10151023.

［4］CHEN Tao, SUN Lining, CHEN Liguo, et al. A hybridtype electrostatically driven microgripper with an integrated vacuum tool ［J］. Sensors and Actuators A: Physical, 2010, 158(2): 320327.

［5］王代华, 杨群. 一种压电致动微夹钳及其开环位移特性［J］. 纳米技术与精密工程, 2010, 8(1): 4753.

WANG Daihua, YANG Qun. A piezoelectrically driven microgripper and its openloop displacement characteristics ［J］. Nanotechnology and Precision Engineering, 2010, 8(1): 4753.

［6］Zubir M N M, Shirinzadeh B, Tian Y L. A new design of piezoelectric driven compliantbased microgripper for micromanipulation ［J］. Mechanism and Machine Theory, 2009, 44(12): 22482264.

［7］虞启凯, 游有鹏, 韩江义. 集成三维力传感器的微夹持器设计与试验［J］. 上海交通大学学报, 2012, 46(6): 972976.

YU Qikai, YOU Youpeng, HAN Jiangyi. Development and application of microgripper integrating triaxial force sensor ［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2012, 46(6): 972976.

［8］席文明, 钟辉. 电磁力驱动的微夹持技术［J］. 纳米技术与精密工程, 2008, 6(3): 195198.

XI Wenming, ZHONG Hui. Microtweezer technology driven by electromagnetic force ［J］. Nanotechnology and Precision Engineering, 2008, 6(3):195198.

［9］Kim D H, Lee M G, Kim B, et al. A superelastic alloy microgripper with embedded electromagnetic actuators and piezoelectric force sensors: numerical and experimental study ［J］. Smart Materials and Structures, 2005, 14(6):12651272.

［10］Andersen K N, Carlson K, Petersen D H, et al. Electrothermal microgrippers for pickandplace operations ［J］. Microelectronic Engineering, 2008, 85(56): 11281130.

［11］Ivanova K, Ivanov T, Badar A, et al. Thermally driven microgripper as a tool for micro assembly ［J］. Microelectronic Engineering, 2006, 83(49):13931395.

［12］Kyung J H, Ko B G, Ha Y H, et al. Design of a microgripper for micromanipulation of microcomponents using SMA wires and flexible hinges ［J］. Sensors and Actuators A: Physical, 2008, 141(1): 144150.

［13］Vasudev A, Jagtiani A, Du L, et al. A lowvoltage droplet microgripper for microobject manipulation ［J］. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2009, 19(7): 075005.

［14］Liang L, Wang S P, Cao F. Characteristics of photomechanical device using PLZT wafer ［C］//Proceedings of the 2nd IEEE/ASME International Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2006: 14.

［15］Saitoh S, Kametani M. Photostrictive device［P］. United State: 5585961. 19961217.

［16］Poosanaas P. Photovoltaic and photostrictive effects in LanthanumModified Lead Zirconate Titanate ceramics ［D］. PA, USA: Pennsylvania State University, 1999.

［17］中田毅,曹东辉，森川泰，等, 光サーボシステムの基礎的研究: PLZT素子を用いたバイモルフ形光アクチュエータの動特性推定［J］. 日本機械学会論文集：C編, 1993, 59(564): 24702476.

［18］吴鹰飞，周兆英．柔性铰链设计计算［J］. 工程力学，2002, 19(6): 136140.

WU Yingfei, ZHOU Zhaoying. Design of flexure hinges ［J］. Engineering Mechanics, 2002, 19(6):136140.

［19］王新杰. PLZT光致伸缩特性及光电层合回转薄壳主动控制的研究［D］. 哈尔滨:哈尔滨工业大学机电学院，2011.

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[1]	王泽坤, 张福曦. 3D电子封装锡晶须建模与实验验证[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(11): 1445-1452.
[2]	王伟, 李奥特, 于军力. 基于目标流量拟合的微型燃烧室流量分配设计方法[J]. 上海交通大学学报, 2020, 54(9): 1000-1006.
[3]	张维凯，胡鹏. 异重流水卷吸经验式不确定性对层平均数学模型的影响[J]. 上海交通大学学报, 2020, 54(1): 35-42.
[4]	梁笑阳,马宁,刘晗,顾解忡. 回转体潜器在循环水槽中垂直面大攻角操纵性试验[J]. 上海交通大学学报, 2019, 53(12): 1395-1403.
[5]	胡明，王炅，范一清. 磁流变液孔口出流数学模型[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(9): 1065-1070.
[6]	吴利杰, 于娟, 石建省, 王成敏, 毕志伟, 郭娇. 长尺度气候变化下土壤钾素演变规律的研究——以泾河中游将军村黄土剖面为例[J]. 上海交通大学学报(农业科学版), 2016, 34(1): 69-73.
[7]	朱志夏. 非结构化网格嵌套波浪数值模拟[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2016, 50(01): 152-157.
[8]	陈侠，张婧，徐光延. 移动威胁下的无人机三维航迹规划[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2014, 48(10): 1400-1405.
[9]	方继华,谷波,张杰. 转轮式全热回收器的数学模型与变工况性能分析[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2014, 48(06): 809-815.
[10]	姜文英, 林焰, 陈明, 于雁云. 变量化船舶型线表达与设计方法[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2013, 47(02): 323-328.
[11]	贾文华 , 殷晨波. 一种压力补偿阀的建模及稳定性分析[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2011, 45(04): 561-564.
[12]	朱志夏1, 李蓓2. 上海南汇嘴控制工程波浪潮流数学模型[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2011, 45(04): 590-596.
[13]	倪何,程刚，孙丰瑞. 基于演化参数辨识的流体网络建模 [J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2011, 45(02): 208-0213.
[14]	沈伟，施光林. 一种三自由度气动人工肌肉并联平台动态数学模型 [J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2011, 45(02): 219-0224.
[15]	倪何,程刚，孙丰瑞. 船用冷凝系统的键合图建模与仿真研究[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2010, 44(04): 571-0577.