DE19717142B4 - Robotersystem zur Manipulation und/oder räumlichen Handhabung von Objekten - Google Patents

Robotersystem zur Manipulation und/oder räumlichen Handhabung von Objekten Download PDF

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Robotersystem zur Manipulation und/oder räumlichen Handhabung von Objekten, insbesondere von Kleinstobjekten, mit wenigstens einem Stellwegübersetzter, der einen Translations-Piezoaktor aufweist, der in Richtung seiner Ausdehnungsrichtung eine Übertragungseinheit kinematisch antreibt und eine wegübersetzte Linearbewegung 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 Übertragungseinheit über eine Kontaktfläche der Übertragungseinheit einwirkt, die derart orientiert ist,
daß die Kontakfläche 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),daß zwischen Translations-Piezoaktor und der Kontaktfläche der Übertragungseinheit ein Linearlager vorgesehen ist, das ausschließlich eine Linearbewegung zwischen Translations-Piezoaktor und...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Robotersystem zur Manipulation und/oder räumlichen Handhabung von Objekten, insbesondere von Kleinstobjekten, mit wenigstens einem Stellwegübersetzter, der einen Translations-Piezoaktor aufweist, der in Richtung seiner Ausdehnungsrichtung eine Übertragungseinheit kinematisch antreibt, die eine wegübersetzte 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 Objektgrößen 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 Kugelgewindegetrieben oder Linearmotoren, die bis zu 3 Freiheitsgraden aufweisen und unter hohem technischen Aufwand Positioniergenauigkeiten im Nanometerbereich erzielen. Derartige kartesische Roboter sind jedoch in aller Regel reine Positioniersysteme und nicht zur Telemanipulation oder zum Greifen der Objekte geeignet.
  • Neben Kugelgewindegetrieben zur Wegverstellung von Roboterarmlängen werden Piezoaktoren bei Minirobotersystemen zunehmend eingesetzt. Realisierte Minirobotersysteme 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", Robotica (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 langsam vorwärtsbewegt, so schiebt dieser den Basiskörper des Roboters mit, wohingegen 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 Einzelschrittauflösung von 10 nm. Ferner erlaubt eine am Basiskörper des Miniroboters angebrachte, über Piezoelemente angetriebene Vertikalachse die Erschließung eines 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 Positionierung, wie es zum Beispiel bei einer Montage oder Untersuchung von Kleinstobjekten unter einem Mikroskop erforderlich ist.
  • Nachteilig bei derartigen Relativpositionier-Minirobotersystemen ist jedoch ihre beschränkte Telemanipulationsmöglichkeit sowie die Notwendigkeit, daß stets eine Bedienperson während des Betriebes des Roboters zugegen sein muß. Schließlich sind auch die zu erzeugenden Kräfte sowie die Robustheit derartiger Systeme beschränkt.
  • Zur Auslenkung der einzelnen Roboterachsen bei bekannten Minirobotersystemen werden Piezostellelemente verwendet, deren Längenausdehnungsbereich mit Hilfe geeigneter Stellwegübersetzer vergrößert werden können. Es ist möglich, die Stellweggrößen von piezoelektrischen Aktoren, die typischerweise unter 100 um betragen, 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 Übersetzungsmechanismen 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 Übersetztungsverhältnisse auf, wodurch der mit einer Roboterachse zu manipulierende Raumbereich sehr eingeschränkt 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 Wirkungsgrade, 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 Manipulation sowie Montage von Kleinstobjekten einsetzbar sein. Ein besonderes Augenmerk 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 anwachsen. 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 hervor, 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 A ein piezoelektrischer Mikromanipulator hervor, der aus zwei parallel gegenüberliegenden Piezogreifbacken besteht. Jede einzelne Piezogreifbacke weist in Sandwich-Bauweise zwei in ihrer Polarisierung entgegengesetzt verlaufende Piezomaterialschichten auf. Durch entsprechende Spannungsbeaufschlagung bewegen sich die Greifarmenden aufgrund der unterschiedlichen Längenausdehnung der Sandwich-Materialien aufeinander zu bzw. voneinander weg.
  • Aus der DE 35 39 978 A1 , die inhaltsgleich mit der DE 85 31 859.0 U1 ist, geht eine Vielzahl unterschiedlich ausgestalteter Mikro-Manipulatoren hervor, von denen ein Ausführungsbeispiel ein sogenanntes Keilgetriebe (s. hierzu Fig. 10 der Druckschrift) aufweist. Über ein längs bewegliches Betätigungsorgan 20 wird ein Schubkeil in Richtung der Längsbeweglichkeit des Betätigungsorgans 20 ausgelenkt, auf dessen schräge Fläche ein Bolzen 28 angeordnet ist, der mittels einer Feder 36 gegen diese schräge Fläche angedrückt und bei Längserstreckung senkrecht zur Längsbeweglichkeit des Betätigungsorgans 20 ausgelenkt wird.
  • Je nach Anstellwinkel der schrägen Fläche des Schubkeils kann das Wegübersetzungsverhältnis zwischen Wegauslenkung des Betätigungsorgans 20 und Vertikalauslenkung des Bolzens 28 eingestellt werden.
  • Der in der vorstehend beschriebenen Druckschrift dargestellte Mikro-Manipulator ist jedoch aufgrund seiner konstruktiven Auslegung nicht dazu geeignet mit der für Kleinstobjekte geforderten Präzision Positionier- und Haltearbeiten zu verrichten. Insbesondere beim Einsatz von Piezoaktoren als aktive Stellglieder gilt es die durch die Längenausdehnung generierbaren Aktionskräfte höchst genau und präzise auf die Greifereinrichtung zu übertragen. Versuche haben gezeigt, daß hierzu ein erhöhter Aufwand an toleranzfreier Lagerung der einzelnen, für die Wegübersetzung erforderlichen Komponenten der Übertragungseinheit erforderlich ist. Um die Wegübersetzung zudem möglichst verlustfrei an Reibungskräften zu gestalten, ist eine präzise Führung des Verstellteils relativ zum Piezostellelement erforderlich.
  • 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 Richtung seiner Ausdehnungsrichtung eine Übertragungseinheit kinematisch antreibt, die eine wegübersetzte Linearbewegung ausführt, die zur Objektmanipulation dient, derart auszugestalten, daß zum einen der konstruktive Aufwand der Übertragungseinheit 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 angepaßt werden 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 Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß ist ein Robotersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weitergebildet, 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 Übertragungseinheit 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° und 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).
  • Ferner ist zwischen dem Translations-Piezoaktor und der Kontaktfläche der Übertragungseinheit ein Linearlager vorgesehen, das ausschließlich eine Linearbewegung zwischen Translations-Piezoaktor und Übertragungseinheit zuläßt, wobei die Übertragungseinheit zwischen dem Translations-Piezoaktor und einem festen Gegenlager gleitend gelagert ist und der Translations-Piezoaktor fest mit einem Kopfteil verbunden ist, das eine Stirnfläche aufweist, die eine zu der Kontaktfläche der Übertragungseinheit korrespondierende Größe und Neigung vorsieht und gleitend mit der Kontaktfläche der Übertragungseinheit in Wirkverbindung steht, und daß das Kopfteil parallel zur Ausdehnungsrichtung des Translations-Piezoaktors beweglich geführt ist.
  • Die Übertragungseinheit weist somit relativ zum Translations-Piezoaktor eine schiefe Ebene auf, an der der Translations-Piezoaktor über ein Linearlager, das ausschließlich eine Linearbewegung zwischen Translations-Piezoaktor und Übertragungseinheit zuläßt, aufgleitet. Je nach Einstellung des Winkels α kann das Übersetzungsverhältnis fast beliebig eingestellt werden. Nähert sich jedoch der Winkel α dem 90°-Winkel, so ist die wegübersetzte Linearbewegung durch die physikalisch begrenzten Gleiteigenschaften des Linearlagers begrenzt.
  • Die zwischen der Stirnfläche des Kopfteils und der Übertragungseinheit herrschende Wirkverbindung ist 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 Verwendung von Piezotranslatoren, die eine Nennausdehnung von ca. 1 Promille der Aktorlänge 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 Minirobotersysteme zu bauen, die 3 und mehr Freiheitsgrade besitzen. Eine genauere Beschreibung der erfindungsgemäßen Stellwegübertragungseinheit sowie mehrachsiger Robotersysteme wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt.
  • Zum kraftgeregelten Ergreifen und Manipulieren von Kleinstobjekten wird erfindungsgemäß ein Greifersystem vorgeschlagen, das aus wenigstens einem, vorzugsweise 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 elektrische 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 entstehende mechanische Spannungsmoment wirkt sich auf das Plättchen derart aus, daß das Plättchen in eine Vorzugsrichtung verbogen wird. Bei entsprechender gegenüberstehender Kombination zweier Biegepiezoaktoren kann ein kraftgeregeltes, fein dosierbares Greifersystem realisiert werden. Je nach Länge der Plättchen, die vorzugsweise länger als die Translations-Piezoelemente ausgebildet sind, können Biegeauslenkungen 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, basierend 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 Translations-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 Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • 1 schematisierte Darstellung einer Piezoachsen-Weg-Übersetzung,
  • 2 Schaltplan zur Ansteuerung eines kraftgeregelten Translations-Piezoaktors,
  • 3 Greifereinheit, bestehend aus zwei Biege-Piezo-Aktoren, sowie
  • 4 perspektivische Prinzipdarstellung eines Minirobotersystems.
  • Der in 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 angeboten 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 gegenüberliegenden Raumfesten 4 gleitend geführt ist. Die gleitende Führung des Achsschlittens 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 Übertragungseinheit 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 Ausdehnungsrichtung x des Translations-Piezoaktors 1 ermöglicht.
  • Das Arbeitsprinzip der erfindungsgemäßen Übertragungseinheit kann wie folgt beschrieben werden: Der Translations-Piezoaktor 1 schiebt bei Anlegen einer elektrischen 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 gemäß 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 ~ 0° ergeben würde, ist jedoch durch die Reibung der verwendeten Linearlager begrenzt.
  • Durch die Einstellung des Winkels α in der Übertragungseinheit 6 kann das Wegübersetzungsverhältnis eingestellt werden. Durch den in der 1 entnehmbaren modularen Aufbau des Stellwegübersetzers kann je nach gewünschtem Übersetzungsverhältnis die Übertragungseinheit 6 durch weitere Übertragungseinheiten mit unterschiedlichen Winkeln α ausgetauscht werden. Auf diese Weise kann ohne großen konstruktiven und arbeitstechnischen Aufwand der Stellwegübersetzer individuell an die gewünschten Übersetzungsverhältnisse angepaßt und verändert werden.
  • Neben der elektrischen Spannungsversorgung des Translations-Piezoaktors zur definierten Wegauslenkung kann als Regelgröße die auf den Translations-Piezoaktor 1 einwirkende Kraft verwendet werden. Ein diesbezügliches Schaltbild zur Ansteuerung eines Translations-Piezoaktors ist in 2 dargestellt. Der Translations-Piezoektor 1 wird mit Hilfe einer Hochspannungsquelle U mit elektrischer Spannung versorgt, wodurch sich dieser ausdehnt. Durch die Längenausdehnung des Translations-Piezoaktors erfährt dieser durch ein nicht in der 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 digitalen Signalprozessor erfaßt, der einen entsprechenden Stellbefehl ermittelt, der an die Spannungsquelle U, die als Hochspannungsverstärker ausgebildet ist, weitergeleitet wird. Durch diesen geschlossenen Regelkreis arbeitet der Translations-Piezoaktor 1 sowohl als Kraftsensor als auch als Stellwegaktor.
  • In der gleichen Weise wie der in 2 dargestellte Translations-Piezoaktor in einem aktiven Regelkreis betrieben wird, können die Translations-Piezoaktoren 1 und 1' in dem Ausführungsbeispiel gemäß 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 3 in der Seitenansicht dargestellt ist. Das länglich ausgebildete Plättchen 10, das vorzugsweise als Keramikplättchen gefertigt ist, wird an seinem unteren Bereich mit einem Translations-Piezoaktor 1 klebefest verbunden. Wird der Translations-Piezoaktor 1, 1' mit elektrischem Strom beaufschlagt, 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 3 dargestellt, einseitig in einem festen Block B eingespannt und mit einer Mikroprozessor basierten Kraftregelung 11 betrieben, so entsteht ein kraftgeregelter Greifer, mit dem es möglich ist, Kleinstobjekte zwischen Greiferbacken GB der Biege-Piezoaktoren zu ergreifen. Die Mikroprozessor basierte Kraftregelung entspricht dabei dem Schaltungsgrundaufbau der in 2 dargestellten Anordnung.
  • In 4 ist ein Minirobotersystem dargestellt, das die vorstehend genannten Einzelkomponenten aufweist. Verbindet man 3 kraftgeregelte, wegübersetzte Piezolinearachsen, von denen ein Beispiel in 1 bildlich dargestellt ist, daß jede der Achsen in eine andere kartesische Raumrichtung zeigt, so entsteht ein drei-achsiger kartesischer Roboter. Als Endeffektor kann beispielsweise der kraftgeregelte Biege-Piezogreifer gemäß 3 angebracht werden. Selbstverständlich kann das Minirobotersystem durch Integration weiterer rotatorischer Achsen, z.B. mit Hilfe von Schrittmotoren auf volle sechs Freiheitsgrade erweitert werden.
  • Zur besseren Verständlichkeit ist in 4 unter der perspektivischen Darstellung des Minirobotersystems M die Darstellung gemäß 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 ausdehnt. Die Übertragungseinheit 6, die im Minirobotersystem als erster Achsschlitten A1 eingezeichnet ist, bewegt sich senkrecht zur Ausdehnungsrichtung des Translations-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 Stellwegübersetzer weist einen zweiten Achsschlitten A2 auf, der senkrecht zur zweiten Achse auslenkbar 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 dritter 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 Kleinstobjekten vorgesehen ist.
  • Je nach Anwendung und Einstellgrößen können die im Minirobotersystem verwendeten Übertragungseinheiten unterschiedliche Neigungswinkel aufweisen.
  • Das erfindungsgemäße Minirobotersystem kann in einer höchst kompakten Bauwveise ausgebildet werden, das die Manipulation von biologischen oder technischen Objekten, 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 (8)

  1. Robotersystem zur Manipulation und/oder räumlichen Handhabung von Objekten, insbesondere von Kleinstobjekten, mit wenigstens einem Stellwegübersetzter, der einen Translations-Piezoaktor aufweist, der in Richtung seiner Ausdehnungsrichtung eine Übertragungseinheit kinematisch antreibt und eine wegübersetzte Linearbewegung 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 Übertragungseinheit über eine Kontaktfläche der Übertragungseinheit einwirkt, die derart orientiert ist, daß die Kontakfläche 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),daß zwischen Translations-Piezoaktor und der Kontaktfläche der Übertragungseinheit ein Linearlager vorgesehen ist, das ausschließlich eine Linearbewegung zwischen Translations-Piezoaktor und Übertragungseinheit zuläßt, daß die Übertragungseinheit zwischen dem Translations-Piezoaktor und einem festen Gegenlager gleitend gelagert ist, daß der Translations-Piezoaktor fest mit einem Kopfteil verbunden ist, das eine Stirnfläche aufweist, die eine zu der Kontaktfläche der Übertragungseinheit korrespondierende Größe und Neigung vorsieht und gleitend mit der Kontaktfläche der Übertragungseinheit in Wirkverbindung steht, und daß das Kopfteil parallel zur Ausdehnungsrichtung des Translations-Piezoaktors beweglich geführt ist.
  2. Robotersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die bewegliche Lagerung Kugellager vorgesehen sind, die zwei sich gegenüberliegende, im Querschnitt jeweils V-förmig ausgebildete Schienen aufweisen, zwischen denen Kugeln eingebracht sind.
  3. Robotersystem nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß drei Stellwegübersetzer derart kombiniert sind, daß der Translations-Piezoaktor des ersten Stellwegübersetzers räumlich fest angeordnet ist, daß der Translations-Piezoaktors des zweiten Stellwegübersetzers in seiner Ausdehnungsrichtung parallel zur Auslenkungsrichtung der ersten Übertragungseinheit an dieser angebracht ist, daß der Translations-Piezoaktor des dritten Stellwegübersetzers in seiner Ausdehnungsrichtung vertikal zur Auslenkungsrichtung der zweiten Übertragungseinheit an dieser angebracht ist.
  4. Robotersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der dritten Übertragungseinheit eine ansteuerbare Greifereinheit angebracht ist.
  5. Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Übertragungseinheit eine Greifereinheit angebracht ist, die wenigstens einen, vorzugsweise zwei, getrennt kraftgeregelte Biege-Piezoaktoren aufweist, die sich derart gegenüberstehen, daß ein Ergreifen eines Objektes möglich ist.
  6. Robotersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Biege-Piezoaktor einen Translations-Piezoaktor aufweist, der auf ein elastisch verformbares Plättchen aufgebracht ist, dessen Plättchenlänge größer als die Länge des Translations-Piezoaktors ist.
  7. Robotersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der den Translations-Piezoaktor überragende Plättchenabschnitt einer Greiferbacke der Greifereinheit entspricht.
  8. Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kraftregelungseinheit für den Betrieb der Piezoaktoren vorgesehen ist, die den durch eine Deformation des Piezoaktors verursachten elektrischen Strom erfasst, der der an dem Piezoaktor angreifenden, die Deformation verursachenden Kraft entspricht, und in Abhängigkeit davon eine Steuerspannung ermittelt, die mittels einer regelbaren Spannungsquelle zur Einstellung der Ausdehnung des Piezoaktors an diesen anlegbar ist.
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