DE19717142A1 - Robotersystem zur Manipulation und/oder räumlichen Handhabung von Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Robotersystem zur Manipulation und/oder räumli­ chen Handhabung von Objekten, insbesondere von Kleinstobjekten, mit wenigstens einem Stellwegübersetzer, der einen Translations-Piezoaktor aufweist, der in Rich­ tung seiner Ausdehnungsrichtung eine Übertragungseinheit kinematisch antreibt, die eine weg übersetzte Linearbewegung ausführt, die zur Objektmanipulation dient.

Robotersysteme finden im industriellen Einsatz vielseitige Anwendung und werden zunehmend auch in Bereichen eingesetzt, in denen Manipulationen an Kleinstobjek­ ten durchzuführen sind. Robotersysteme, die in Medizin, Biotechnik, Feinmechanik und Optik, Mikroelektronik sowie Meß- und Analysetechniken eingesetzt werden und für die Handhabung und Manipulation von Objekten konzipiert sind, deren Objekt­ größen im Submillimeterbereich liegen, erfordern Roboterachsen, die höchstgenau ansteuerbar und um kleinste Weglängen gezielt verfahrbar sind.

Bekannt sind kartesische Roboter auf der Basis von Linearachsen mit Kugelgewin­ degetrieben oder Linearmotoren, die bis zu 3 Freiheitsgraden aufweisen und unter hohem technischen Aufwand Positioniergenauigkeiten im Nanometerbereich erzie­ len. Derartige kartesische Roboter sind jedoch in aller Regel reine Positioniersyste­ me und nicht zur Telemanipulation oder zum Greifen der Objekte geeignet.

Neben Kugelgewindegetrieben zur Wegverstellung von Roboterarmlängen werden Piezoaktoren bei Minirobotersystemen zunehmens eingesetzt. Realisierte Minirobo­ tersysteme bestehen meist aus einem kleinen Basiskörper mit Piezobeinchen, die durch entsprechende Spannungsbeaufschlagung durch Deformation zwei relativ zum Basiskörper geneigte Stellungen einnehmen, zwischen denen sie gesteuert hin und her springen. Durch koordiniertes Ansteuern der Piezobeinchen wird aufgrund der Reibung und der Massenträgheit des Basiskörpers eine Schrittbewegung erzeugt, die den Miniroboter mit einer sehr hohen Positionierauflösung auf einer ebenen Grundlage positioniert. Ein derartiges Beispiel ist in dem Artikel von J.-M. Breguet und Ph. Renaud, "4-degrees-of-freedom microrobot with nanometer resolution", Ro­ botica (1996), volume 14, pp. 199-203, beschrieben. Hierbei besteht der Basiskörper des Miniroboters aus einer Scheibe mit etwa 50 mm Durchmesser und 30 mm Dicke. Als Beinchen sind drei Piezoaktoren vorgesehen. Wird einer der Piezoaktoren lang­ sam vorwärtsbewegt, so schiebt dieser den Basiskörper des Roboters mit, wohinge­ gen bei einer schnellen Rückwärtsbewegung des Piezoaktors dieser aufgrund der Massenträgheit des Basiskörpers über den Boden gleitet, wobei der Roboter in Ruhe bleibt. Auf diese, in dem vorstehend genannten Artikel näher beschriebenen Weise, bewegt sich der Roboter mit einer Geschwindigkeit von bis zu 4 mm/s und einer Ein­ zelschrittauflösung von 10 nm. Ferner erlaubt eine am Basiskörper des Miniroboters angebrachte, über Piezoelemente angetriebene Vertikalachse die Erschließung ei­ nes 3-dimensionalen Arbeitsraumes von bis zu 4 cm³.

Der vorstehend beschriebene Miniroboter, der mit geeigneten Effektoren zur direkten Handhabung von Kleinstobjekten ausrüstbar ist, dient somit der relativen Positionie­ rung, wie es zum Beispiel bei einer Montage oder Untersuchung von Kleinstobjekten unter einem Mikroskop erforderlich ist.

Nachteilig bei derartigen Relativpositionier-Minirobotersystemen ist jedoch ihre be­ schränkte Telemanipulationsmöglichkeit sowie die Notwendigkeit, daß stets eine Be­ dienperson während des Betriebes des Roboters zugegen sein muß. Schließlich sind auch die zu erzeugenden Kräfte sowie die Robustheit derartiger Systeme be­ schränkt.

Zur Auslenkung der einzelnen Roboterachsen bei bekannten Minirobotersystemen werden Piezostellelemente verwendet, deren Längenausdehnungsbereich mit Hilfe geeigneter Stellwegübersetzer vergrößert werden können. Es ist möglich, die Stell­ weggrößen von piezoelektrischen Aktoren, die typischerweise unter 100 µm betra­ gen, mit Hilfe von Stellwegübersetzern mit typischen Übersetzungsverhältnissen von 1 : 20, bis in den Millimeterbereich zu vergrößern. Bekannte Stellwegübersetzer, die auf der Basis mechanischer Hebelkonstruktionen, hydraulischer Übersetzungsme­ chanismen sowie den Stellweg vergrößernde Kolbenanordnungen beruhen, um nur einige zu nennen, sind beispielsweise in den Artikeln von H.K. Tönshoff, Th. Laux, "Piezo-Aktuatoren für den mm-Bereich", VDI-Z Special Antriebstechnik, April 94, Seite 48-52 sowie D.J. Jendritza, "Festkörperaktoren für den Millimeterbereich", F & M 102, 1994, 10 Seite 516 bis 519, beschrieben.

Neben den zum Teil komplizierten Konstruktionen bekannter Stellwegübersetzer weisen jedoch alle diese Lösungen eingeschränkte Übersetzungsverhältnisse auf, wodurch der mit einer Roboterachse zu manipulierende Raumbereich sehr einge­ schränkt ist. Eine Stellwegvergrößerung kann nur durch vollständigen Ersatz eines Stellwegübersetzers durch einen größer dimensionierten Übersetzer erreicht werden, was wiederum mit großem arbeitsintensiven und konstruktiven Aufwand verbunden ist. So sind feste Übersetzungsverhältnisse, hoher Platzbedarf sowie geringe Wir­ kungsgrade, bspw. aufgrund hoher Lagerreibungen, als weitere Nachteile zu nennen.

Neben dem Wunsch, einen möglichst großen Manipulationsraum in möglichst kleinskaligen Auflösungsbereichen mit einem Miniroboterarm anzusteuern, sollen auch Robotergreifersysteme zum Ergreifen kleinster Objekte für die räumliche Mani­ pulation sowie Montage von Kleinstobjekten einsetzbar sein. Ein besonderes Au­ genmerk bei bekannten Greifersystemen, die mit Piezoaktoren betrieben werden, wird darauf gerichtet, daß die mit den Greifersystemen erzeugbaren Greifkräfte nicht über die Belastbarkeitsgrenzen der einzelnen, zu ergreifenden Kleinstobjekten an­ wachsen. Ebenso sollen jedoch genügend große Greifkräfte erzeugbar sein, um auch stabilere und schwerere Kleinstobjekte sicher ergreifen zu können.

Aus der DE 40 37 883 A1 geht eine Vorrichtung zum Greifen von Werkstücken her­ vor, die einen mechanisch betätigbaren Scherenmechanismus aufweist, an deren gegenüberliegenden Schereninnenseiten je ein Piezoaktor angebracht ist, wovon der eine als Feineinstellelement und der andere als druckempfindlicher Sensor betrieben wird.

Ferner geht aus der US 4 610 475 ein piezoelektrischer Mikromanipulator hervor, der aus zwei parallel gegenüberliegenden Piezogreifbacken besteht. Jede einzelne Pie­ zogreifbacke weist in Sandwich-Bauweise zwei in ihrer Polarisierung entgegenge­ setzt verlaufende Piezomaterialschichten auf. Durch entsprechende Spannungsbe­ aufschlagung bewegen sich die Greifarmenden aufgrund der unterschiedlichen Län­ genausdehnung der Sandwich-Materialien aufeinander zu bzw. voneinander weg.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Robotersystem zur Manipulation und/oder räumlichen Handhabung von Objekten, wie beispielsweise Bearbeiten, Montieren, Handhaben, Messen oder Prüfen von Kleinstobjekten, mit wenigstens einem Stellwegübersetzer, der einen Translations-Piezoaktor aufweist, der in Rich­ tung seiner Ausdehnungsrichtung eine Übertragungseinheit kinematisch antreibt, die eine weg übersetzte Linearbewegung ausführt, die zur Objektmanipulation dient, der­ art auszugestalten, daß zum einen der konstruktive Aufwand der Übertragungsein­ heit minimiert wird. Zum anderen soll das Robotersystem innerhalb eines möglichst großen Manipulationsbereiches mit hoher Wegauflösung regelbar positioniert werden können. Trotz kleiner Baugröße des Robotersystems soll das System mit einfachen Handgriffen an unterschiedliche Stellwegübersetzungsverhältnisse angegepaßt wer­ den können. Die Auslenkung der Roboterachsen soll dabei weg- oder kraftgeregelt erfolgen. Ferner soll das Robotersystem zur Handhabung und Manipulation der Kleinstobjekte ein Greifersystem aufweisen, das möglichst einfach im Aufbau ein kraftgeregeltes Ergreifen der Kleinstobjekte ermöglicht. Auch das Greifersystem soll durch einfache Maßnahmen variabel an die unterschiedlichsten Objektgrößen und -gewichte anpaßbar sein.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 sowie Anspruch 9 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merk­ male sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist ein Robotersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 der­ art weitergebildet, daß die Übertragungseinheit entlang einer senkrecht zur Ausdeh­ nungsrichtung des Translations-Piezoaktors orientierten Achse beweglich gelagert ist. Der Translations-Piezoaktor wirkt durch seine Längenausdehnung auf eine Kon­ taktfläche der Übertragungseinheit ein, die derart orientiert ist, daß die Kontaktfläche zur Ausdehnungsrichtung des Translations-Piezoaktors um einen Winkel α geneigt ist, für den gilt:

0° < α < 90° 90° < α < 180°.

Hierdurch führt eine Längenausdehnung des Translations-Piezoaktors um die Strecke x zu einer Auslenkung y der Übertragungseinheit senkrecht zur Ausbreitungs­ richtung des Translations-Piezoaktors, die der folgenden Beziehung entspricht:

y = x.tan(α).

Die Übertragungseinheit weist somit relativ zum Translations-Piezoaktor eine schiefe Ebene auf, an der der Translations-Piezoaktor, vorzugsweise über ein Linearlager, das ausschließlich eine Linearbewegung zwischen Translations-Piezoaktor und Übertragungseinheit zu läßt, aufgleitet. Je nach Einstellung des Winkels α kann das Übersetzungsverhältnis fast beliebig eingestellt werden. Nähert sich jedoch der Win­ kel α dem 90°-Winkel, so ist die weg übersetzte Linearbewegung durch die physika­ lisch begrenzten Gleiteigenschaften des Linearlagers begrenzt.

In einer vorteilhaften Ausbildung ist der Translations-Piezotaktor mit einem Kopfteil bzw. einem Achsschlitten fest verbunden, der parallel zur Ausdehnungsrichtung des Translations-Piezoaktors beweglich geführt ist. Die Stirnfläche des Kopfteils ist dabei derart ausgestaltet, daß sie eine zur Kontaktfläche der Übertragungseinheit korre­ spondierende Größe und Neigung vorsieht und gleitend mit der Kontaktfläche der Übertragungseinheit in Wirkverbindung steht. Wie bereits vorstehend geschildert, ist die Wirkverbindung durch ein Linearlager realisiert, das als Kugellager ausgebildet ist und zwei sich gegenüberliegende, im Querschnitt jeweils V-förmig ausgebildete Schienen aufweist, zwischen denen die Kugeln eingebracht sind.

Der in x-Richtung durch die Ausdehnung des Translations-Piezoaktors ausgelenkte Kopfteil schiebt die als schiefe Ebene ausgebildete Übertragungseinheit um eine entsprechend vergrößerte Wegstrecke senkrecht zur Ausdehnungsrichtung des Translations-Piezoaktors aus.

Durch die vorstehend genannte Übersetzungsbeziehung ist es möglich, bei Verwen­ dung von Piezotranslatoren, die eine Nennausdehnung von ca. 1 Promill der Aktor­ länge aufweist, einen übersetzten Stellweg von bis zu 2 mm zu realisieren.

Durch entsprechend, jeweils orthogonal zueinander gerichtete Kombinationen aus den erfindungsgemäßen Stellwegübersetzern ist es möglich, kartesische Minirobo­ tersysteme zu bauen, die 3 und mehr Freiheitsgrade besitzen. Eine genauere Be­ schreibung der erfindungsgemäßen Stellwegübertragungseinheit sowie mehrachsi­ ger Robotersysteme wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren darge­ stellt.

Zum kraftgeregelten Ergreifen und Manipulieren von Kleinstobjekten wird erfin­ dungsgemäß ein Greifersystem vorgeschlagen, das aus wenigstens einem, vor­ zugsweise zwei getrennt kraftgeregelten Biegepiezoaktoren besteht. Die Biegepie­ zoaktoren sind dabei gegenüberstehend angeordnet, so daß sich bei entsprechender Betätigung der Piezoaktoren die Greiferbacken der Greifereinheit aufeinander zu bewegen. Im Falle der Verwendung nur eines einzigen Biegepiezoaktors ist dieser einem festen Gegenlager, bspw. einer fest angeordneten, starren Greiferbacke, anzuordnen.

Die an sich bekannten Biegepiezoaktoren bestehen aus einem Translations- Piezoelement, das auf einem Plättchen meist aufgeklebt ist. Legt man eine elektri­ sche Spannung an das Piezoelement an, so dehnt sich dieses aus, wird jedoch auf der Seite, mit der es an dem Plättchen, das vorzugsweise aus Keramik gefertigt ist, aufgeklebt ist, gegen seine Längenausdehnung fest gehalten. Das hierdurch entste­ hende mechanische Spannungsmoment wirkt sich auf das Plättchen derart aus, daß das Plättchen in eine Vorzugsrichtung verbogen wird. Bei entsprechender gegen­ überstehender Kombination zweier Biegepiezoaktoren kann ein kraftgeregeltes, fein dosierbares Greifersystem realisiert werden. Je nach Länge der Plättchen, die vor­ zugsweise länger als die Translations-Piezoelemente ausgebildet sind, können Bie­ geauslenkungen von typischerweise 1,5 mm erreicht werden.

Eine kraftgeregelte Greiferbackenauslenkung erfolgt derart, daß der durch eine, auf das Piezoelement wirkende äußere Kraft entstehende Polarisierungsstrom durch Messen des an einem Widerstand R auftretenden Spannungsabfall U erfaßt werden kann. Dieser Spannungsabfall ist proportional zur Kraft, die auf das Piezoelement selbst einwirkt. Ein zur Auswertung vorgesehener Mikrocontroller errechnet, basie­ rend auf dieser Spannung, einen Stellbefehl für einen Hochspannungsverstärker, der die elektrische Steuerspannung für die Ausdehnung des Translations- Piezoelementes entsprechend verändert. Auf diese Weise arbeitet das Translations- Piezoelement im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises sowohl als Kraftsensor als auch als Stellwegaktor.

Der vorstehend beschriebene Regelkreis zur Messung des aktuell an dem Transla­ tions-Piezoaktor anliegenden Kraft innerhalb des Greiferelementes kann jedoch auch auf die in den Stellwegübersetzern vorgesehenen Translations-Piezoelementen an­ gewendet werden. Auf diese Weise ist es möglich, das gesamte Robotersystem kraftgeregelt zu betreiben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug­ nahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisierte Darstellung einer Piezoachsen-Weg-Übersetzung,

Fig. 2 Schaltplan zur Ansteuerung eines kraftgeregelten Translations-Piezoaktors,

Fig. 3 Greifereinheit, bestehend aus zwei Biege-Piezo-Aktoren, sowie

Fig. 4 perspektivische Prinzipdarstellung eines Minirobotersystems.

Der in Fig. 1 dargestellte Translations-Piezoaktor 1, der einseitig fest an einer Raumfesten 2 angebracht ist, wird mit einer elektrischen Versorgungsspannung U, die beispielsweise von einem nicht dargestellten Hochspannungsverstärker angebo­ ten wird, versorgt. Bei entsprechender elektrischer Kontaktierung dehnt sich der Translations-Piezoaktor 1 in x-Richtung aus. Das bewegliche Ende des Translations- Piezoaktors ist mit einem Kopfteil 3 verbunden, das als Achsschlitten an zwei gegen­ überliegenden Raumfesten 4 gleitend geführt ist. Die gleitende Führung des Achs­ schlittens 3 sowie auch die im weiteren zu beschreibenden gleitenden Führungen sind als Kugellager ausgebildet, die vorzugsweise als Linearlager ausgeführt sind. Die Stirnseite des Achsschlittens 3 wirkt über ein Linearlager 5 auf eine Übertra­ gungseinheit 6, die eine in der dargestellten Weise schiefe Ebene 6' aufweist. Auf der, der schiefen Ebene 6' gegenüberliegenden Seite der Übertragungseinheit 6 ist ebenfalls ein Gleitlager 7 vorgesehen, das eine Bewegung senkrecht zur Ausdeh­ nungsrichtung x des Translations-Piezoaktors 1 ermöglicht.

Das Arbeitsprinzip der erfindungsgemäßen Übertragungseinheit kann wie folgt be­ schrieben werden: Der Translations-Piezoaktor 1 schiebt bei Anlegen einer elektri­ schen Spannung den Achsschlitten 3 um eine Wegstrecke x nach rechts, wobei die Übertragungseinheit 6 um eine Wegstrecke y, die über die schiefe Ebene durch die Einstellung des Winkels α vergrößert wird, senkrecht zur Bewegungsrichtung x ge­ mäß der Bilddarstellung nach unten. Die Wegvergrößerung ergibt sich durch die geometrische Beziehung: y = tan(α).x. Die maximale Größe der Wegübersetzung, die sich bei α∼90° ergeben würde, ist jedoch durch die Reibung der verwendeten Linearlager begrenzt.

Durch die Einstellung des Winkels α in der Übertragungseinheit 6 kann das We­ gübersetzungsverhältnis eingestellt werden. Durch den in der Fig. 1 entnehmbaren modularen Aufbau des Stellwegübersetzers kann je nach gewünschtem Überset­ zungsverhältnis die Übertragungseinheit 6 durch weitere Übertragungseinheiten mit unterschiedlichen Winkeln α ausgetauscht werden. Auf diese Weise kann ohne gro­ ßen konstruktiven und arbeitstechnischen Aufwand der Stellwegübersetzer individu­ ell an die gewünschten Übersetzungsverhältnisse angepaßt und verändert werden.

Neben der elektrischen Spannungsversorgung des Translations-Piezoaktors zur de­ finierten Wegauslenkung kann als Regelgröße die auf den Translations-Piezoaktor 1 einwirkende Kraft verwendet werden. Ein diesbezügliches Schaltbild zur Ansteue­ rung eines Translations-Piezoaktors ist in Fig. 2 dargestellt. Der Translations- Piezoektor 1 wird mit Hilfe einer Hochspannungsquelle U mit elektrischer Spannung versorgt, wodurch sich dieser ausdehnt. Durch die Längenausdehnung des Transla­ tions-Piezoaktors erfährt dieser durch ein nicht in der Fig. 2 dargestelltes Gegenlager eine auf den Piezoaktor 1 einwirkende Kraft, die in diesem einen Polarisationsstrom hervorruft, der aufgrund eines Widerstandes R zu einem Spannungsabfall U₁ führt. Der durch die Krafteinwirkung verursachte Spannungsabfall U₁ wird von einem di­ gitalen Signalprozessor erfaßt, der einen entsprechenden Stellbefehl ermittelt, der an die Spannungsquelle U, die als Hochspannungsverstärker ausgebildet ist, weiterge­ leitet wird. Durch diesen geschlossenen Regelkreis arbeitet der Translations- Piezoaktor 1 sowohl als Kraftsensor als auch als Stellwegaktor.

In der gleichen Weise wie der in Fig. 2 dargestellte Translations-Piezoaktor in einem aktiven Regelkreis betrieben wird, können die Translations-Piezoaktoren 1 und 1' in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, die als Biege-Piezoaktoren 8 und 9 ausge­ bildet sind, betrieben werden. Die Biege-Piezoaktor 8, 9 bestehen jeweils aus einem länglich ausgebildeten Plättchen 10, das in Fig. 3 in der Seitenansicht dargestellt ist.

Das länglich ausgebildete Plättchen 10, das vorzugsweise als Keramikplättchen ge­ fertigt ist, wird an seinem unteren Bereich mit einem Translations-Piezoaktor 1 kle­ befest verbunden. Wird der Translations-Piezoaktor 1, 1' mit elektrischem Strom be­ aufschlagt, so dehnt sich dieser aus. Da der Piezoaktor jedoch einseitig mit dem steifen Plättchen fest verbunden ist, führt die Längenausdehnung des Piezoaktors zu einer Biegung des gesamten Plättchens, die am Endbereich des Plättchens die größte Auslenkung erfährt.

Werden die Biege-Piezoaktoren, wie in Fig. 3 dargestellt, einseitig in einem festen Block B eingespannt und mit einer Mikroprozessor basierten Kraftregelung 11 betrie­ ben, so entsteht ein kraftgeregelter Greifer, mit dem es möglich ist, Kleinstobjekte zwischen Greiferbacken GB der Biege-Piezoaktoren zu ergreifen. Die Mikroprozes­ sor basierte Kraftregelung entspricht dabei dem Schaltungsgrundaufbau der in Fig. 2 dargestellten Anordnung.

In Fig. 4 ist ein Minirobotersystem dargestellt, das die vorstehend genannten Einzel­ komponenten aufweist. Verbindet man 3 kraftgeregelte, weg übersetzte Piezolinear­ achsen, von denen ein Beispiel in Fig. 1 bildlich dargestellt ist, daß jede der Achsen in eine andere kartesische Raumrichtung zeigt, so entsteht ein drei-achsiger kartesi­ scher Roboter. Als Endeffektor kann beispielsweise der kraftgeregelte Biege- Piezogreifer gemäß Fig. 3 angebracht werden. Selbstverständlich kann das Miniro­ botersystem durch Integration weiterer rotatorischer Achsen, z. B. mit Hilfe von Schrittmotoren auf volle sechs Freiheitsgrade erweitert werden.

Zur besseren Verständlichkeit ist in Fig. 4 unter der perspektivischen Darstellung des Minirobotersystems M die Darstellung gemäß Fig. 1 eingezeichnet. Die Achse 1 des Minirobotersystems entspricht der räumlichen Lage des Translations-Piezoaktors 1, der sich im gezeigten Beispiel in der Zeichenebene in horizontaler Richtung aus­ dehnt. Die Übertragungseinheit 6, die im Minirobotersystem als erster Achsschlitten A1 eingezeichnet ist, bewegt sich senkrecht zur Ausdehnungsrichtung des Transla­ tions-Piezoaktors weitgehend senkrecht zur Zeichenebene. Auf dem ersten Achs­ schlitten A1 ist eine zweite Achse vorgesehen, in der der Translations-Piezoaktor eines zweiten Stellwegübersetzers angeordnet ist. Auch der zweite Stellwegüberset­ zer weist einen zweiten Achsschlitten A2 auf, der senkrecht zur zweiten Achse aus­ lenkbar ist (siehe hierzu Pfeil A2). Schließlich ist auf dem zweiten Achsschlitten eine dritte Achse A3 angeordnet, die in der Zeichenebene vertikal verläuft, in der ein drit­ ter Translations-Piezoaktor vorgesehen ist. Auf dem dritten Achsschlitten A3, der mit dem dritten Translations-Piezoaktor zusammenwirkt, ist schließlich ein Piezo- Biegegreifer BG vorgesehen, der zur Manipulation und zum Ergreifen von Kleinstob­ jekten vorgesehen ist.

Je nach Anwendung und Einstellgrößen können die im Minirobotersystem verwen­ deten Übertragungseinheiten unterschiedliche Neigungswinkel aufweisen.

Das erfindungsgemäße Minirobotersystem kann in einer höchst kompakten Bauwei­ se ausgebildet werden, das die Manipulation von biologischen oder technischen Ob­ jekten, wie beispielsweise Zellen oder technische Strukturen unter einem Mikroskop ermöglichen. Durch die kraftgeregelte Ansteuerung jedes einzelnen Translations- Piezoaktors, der in dem Minirobotersystem integriert ist, kann eine hochaufgelöste, feinjustierbare und höchst sensibel ansteuerbare Handhabung von Kleinstobjekten durchgeführt werden.

Claims (12)

1. Robotersystem zur Manipulation und/oder räumlichen Handhabung von Ob­ jekten, insbesondere von Kleinstobjekten, mit wenigstens einem Stellwegübersetzer der einen Translations-Piezoaktor aufweist, der in Richtung seiner Ausdehnungsrich­ tung eine Übertragungseinheit kinematisch antreibt, die eine weg übersetzte Linear­ bewegung ausführt, die zur Objektmanipulation dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinheit entlang einer senkrecht zur Ausdehnungsrichtung des Translations-Piezoaktors orientierten Achse beweglich gelagert ist, und daß der Translations-Piezoaktor durch Längenausdehnung auf die Übertragungs­ einheit über eine Kontaktfläche der Übertragungseinheit einwirkt, die derart orientiert ist, daß die Kontaktfläche zur Ausdehnungsrichtung des Translations-Piezoaktors um einen Winkel α geneigt ist, für den gilt:
0° < α < 90° 90° < α < 180°,
so daß eine Längenausdehnung des Translations-Piezoaktors um die Strecke x zu einer Auslenkung y der Übertragungseinheit senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Translations-Piezoaktors führt mit
y = x.tan(α).

2. Robotersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Translations-Piezoaktor und der Kontaktflä­ che der Übertragungseinheit ein Linearlager vorgesehen ist, das ausschließlich eine Linearbewegung zwischen Translations-Piezoaktor und Übertragungseinheit zuläßt.

3. Robotersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinheit zwischen dem Translations- Piezoaktor und einem festen Gegenlager gleitend gelagert ist.

4. Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Translations-Piezoaktor fest mit einem Kopfteil verbunden ist, der eine Stirnfläche aufweist, die eine zu der Kontaktfläche der Über­ tragungseinheit korrespondierende Größe und Neigung vorsieht und gleitend mit der Kontaktfläche der Übertragungseinheit in Wirkverbindung steht.

5. Robotersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfteil parallel zur Ausdehnungsrichtung des Translations-Piezoaktors beweglich geführt ist.

6. Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Lagerung Kugellager vorgesehen sind, die zwei sich gegenüberliegende, im Querschnitt jeweils V-förmig ausgebildete Schienen aufweisen, zwischen denen Kugeln eingebracht sind.

7. Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß drei Stellwegübersetzer derart kombiniert sind,
daß der Translations-Piezoaktor des ersten Stellwegübersetzers räumlich fest ange­ ordnet ist,
daß der Translations-Piezoaktors des zweiten Stellwegübersetzers in seiner Aus­ dehnungsrichtung parallel zur Auslenkungsrichtung der ersten Übertragungseinheit an dieser angebracht ist,
daß der Translations-Piezoaktor des dritten Stellwegübersetzers in seiner Ausdeh­ nungsrichtung vertikal zur Auslenkungsrichtung der zweiten Übertragungseinheit an dieser angebracht ist.

8. Robotersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der dritten Übertragungseinheit eine ansteuerbare Greifereinheit angebracht ist.

9. Robotersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der An­ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Übertragungseinheit eine Greifereinheit ange­ bracht ist, die wenigstens einen, vorzugsweise zwei, getrennt kraftgeregelte Biege- Piezoaktoren aufweist, die sich derart gegenüberstehen, daß ein Ergreifen eines Objektes möglich ist.

10. Robotersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Biege-Piezoaktor einen Translations-Piezoaktor aufweist, der auf ein elastisch verformbares Plättchen aufgebracht ist, dessen Plätt­ chenlänge größer als die Länge des Translations-Piezoaktors ist.

11. Robotersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der den Translations-Piezoaktor überragende Plätt­ chenabschnitt einer Greiferbacke der Greifereinheit entspricht.

12. Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kraftregelungseinheit für den Betrieb der Piezo­ aktoren vorgesehen ist, die den durch eine Deformation des Piezoaktors verursach­ ten elektrischen Strom erfaßt, der der an dem Piezoaktor angreifenden, die Defor­ mation verursachenden Kraft entspricht, und in Abhängigkeit davon eine Steuer­ spannung ermittelt, die mittels einer regelbaren Spannungsquelle zur Einstellung der Ausdehnung des Piezoaktors an diesen anlegbar ist.