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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Je nach Anstellwinkel der schrägen Fläche des
Schubkeils kann das Wegübersetzungsverhältnis zwischen
Wegauslenkung des Betätigungsorgans 20 und
Vertikalauslenkung des Bolzens 28 eingestellt werden.
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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.
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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.
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Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden
Aufgabe ist im Anspruch 1 sowie Anspruch 9 angegeben. Den Erfindungsgedanken
vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 schematisierte
Darstellung einer Piezoachsen-Weg-Übersetzung,
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2 Schaltplan
zur Ansteuerung eines kraftgeregelten Translations-Piezoaktors,
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3 Greifereinheit,
bestehend aus zwei Biege-Piezo-Aktoren, sowie
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4 perspektivische
Prinzipdarstellung eines Minirobotersystems.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Je nach Anwendung und Einstellgrößen können die
im Minirobotersystem verwendeten Übertragungseinheiten unterschiedliche
Neigungswinkel aufweisen.
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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.