摘 要

本文是针对压电微夹钳微力检测单元进行的设计。设计中将压电微夹钳的夹爪，简化成悬臂梁进行受力分析。同时采用了等效替代的方法，将应变片的应变等效成悬臂梁的应变。以达到根据电阻应变片的输出电压,计算出悬臂梁的应变的效果。接着，根据对悬臂梁建立的受力模型进行受力分析，得到了将悬臂梁的应变转化成应力的方法。根据应力就可以得到悬臂梁的受力情况。即压电微夹钳检测的微力大小。在测量电阻应变片的电压上，采用了惠斯通半桥电路，对电阻应变片的输出电压进行后续处理上，主要采用放大、滤波的调理电路，最后将调理过后的信号，通过AD采样电路和串口通信电路上传到上位机上。

关键词：压电微夹钳；微力检测；应变片；单片机

Abstract

This paper is aimed at the design of piezoelectric micro gripper force detection unit. The micro gripper design of the piezoelectric micro gripper, simplified as the cantilever beam stress analysis. At the same time by using the method of equivalent strain, equivalent strain sheet into strain of the cantilever beam. According to the output voltage of the resistance strain gauge. The calculated strain of the cantilever beam effect. Then, by analyzing the force according to the force model of the cantilever beam, has been transformed into strain of the cantilever beam stress method. According to the stress can be obtained by force of the cantilever beam. The piezoelectric micro gripper test micro force. In the voltage measuring the resistance strain piece, Wheastone used the full bridge circuit, the output voltage of the resistance strain chip processing, mainly uses the amplification, filter conditioning circuit, signal conditioning will last after the sampling circuit and the serial communication by AD The circuit is uploaded to the host computer.

Key Words: Piezoelectric micro gripper; micro-force sensing ; electric resistance strain gauge；SCM

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及背景 1

1.2 研究的现状 1

1.3 研究内容与章节安排 3

第2章 压电微夹钳模型的建立 5

2.1 压电微夹钳的基本工作原理 5

2.2 基于压电双晶片的悬臂梁受力模型分析 6

2.3 压电微夹钳应变片的布片 8

2.4 本章小结 9

第3章 硬件电路设计 10

3.1 设计任务与总体方案 10

3.2 测量电路的设计 11

3.3 调理电路设计 13

3.3.1 放大电路设计 13

3.3.2 滤波电路设计 14

3.4 单片机接口电路设计 17

3.4.1 单片机最小系统的设计 17

3.4.2 AD采样电路设计 17

3.4.3 通信电路设计 19

3.5 本章小结 20

第4章 程序设计 21

4.1 AD采样模块 22

4.2 串口通信模块 23

4.3 本章小结 25

第5章 硬件电路实物 26

第6章 总结 28

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

1.1 研究的目的及背景

当今世界光学、传感技术高速发展，让人们将停留在宏观世界的眼光投向了一个新的世界，微观世界。微观世界不是人们在视觉上的尺寸的缩小,而是有着自己独立的研究体系。要想实现在微观世界对微物体进行操作就需要有相应的技术和工具，比如纳米技术的发展。至于对工具的要求，就使得对微机器人的研究被提上了研究的行程。

微机器人从字面上就可以看出来，这种机器人肯定是在微观世界中进行工作的，与在宏观世界中进行工作的机器人有着很大的区别。微机器人可以根据外形、尺寸和用途的不同，分为微型机器人和微操作机器人两大类。虽然，微型机器人和微操作机器人在外形和尺寸上有很大的区别，但是它们都可以实现在微小空间中进行可控操作的目的。在微操作体系中，两类机器人的操作范围和精度可以高达纳米级。微操作不是宏操作在尺寸上的简单缩小，它具有自己独特的特点与规律^[1]。微机器人和微操作机器人都需要末端执行器对自己所需要完成的工作进行操作。

压电微夹钳是一种典型的末端执行机构，将它应用在微操作机器人的手爪上可以实现对微对象的加工和装配，同时还可以将它运用在别的领域中。当前对压电微夹钳和他相关的研究已经开始成为世界微机械研究领域中最前沿的课题之一^[2-6] 。

对压电微夹钳的微力检测同样有着重要的作用。因为压电微夹钳是对夹持对象进行操作，而夹持力的大小在夹持过程中就会起着至关重要的作用。夹持力过大会对夹持对象的表面造成损坏，夹持力过小不足以夹持住对象。同样，对压电微夹钳进行微力检测可以根据微力的大小及时的对微夹钳的夹持状态进行调整，从而达到夹取、搬运微对象的目的。

1.2 研究的现状

当代，世界上正在研究的微夹钳多种多样。根据能量供给和驱动方式可以分为静电、电热、形状记忆合金(SMA)、压电、电磁等^[7-9]。微夹钳的主要功能就是实现对微小物体的抓取和搬运。由于微对象一般都是比较薄小，柔软的，因此就需要对微夹钳夹持微对象的力的大小进行检测，从而能够实现对夹持对象的保护。

对微对象的抓取和搬运主要有吸附和夹取两种方式。吸附和夹取的方式各自有着自己的特点，相比较对被抓取的对象来说吸附式对微对象有着具体的相关要求，而夹取的方式基本上对所有的微对象都可适用。微夹钳的种类多种多样，按照不同的方式有着不同的方法。下面按照驱动方式对一些典型的微夹钳进行介绍。

首先是对静电式微夹钳的介绍。静电式微夹钳主要是依靠侧向的平行板电容产生吸引力完成对物体的夹持操作。当对微夹钳接通直流电源时，平行板电容器会产生侧向的吸引力，这种吸引力会使微夹钳的钳口闭合从而实现对微对象的夹持操作。当断开直流电源时，侧向平行电容器会产生放电现象，之前产生的夹持力就会消失，同时微夹钳的夹爪依靠其材料的弹性，回复到之前的位置，这样就实现了对夹持住的微对象的释放操作。静电式微夹钳容易实现微型化，但是很难产生较大的位移，因此对夹持对象的范围比较小，同时由于侧向电容的放电作用，将会导致夹爪不能立刻完成对微夹持对象的释放操作。