PL213662B1

PL213662B1 - Rotating microset

Info

Publication number: PL213662B1
Application number: PL382739A
Authority: PL
Inventors: Prusak Daniel; Uhl Tadeusz
Original assignee: Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanislawa Staszica
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2013-04-30
Also published as: PL382739A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest mikrozespół obrotowy, znajdujący zastosowanie do budowy mikrourządzeń o wysokiej precyzji działania i o niewielkich wymiarach, takich jak: mikromanipulatory, mikroplatformy pozycjonujące, mikroroboty mobilne, mikrochwytaki.The subject of the invention is a rotating microchip, applicable to the construction of micro-devices with high precision and small dimensions, such as: micromanipulators, positioning microplatforms, mobile microrobots, micrappers.

Znany z polskiego zgłoszenia wynalazku nr P-363 254 przegub obrotowy, przeznaczony do połączenia trzech łańcuchów kinematycznych w mechanizmach przestrzennych, utworzony jest z wału oraz uchwytu głównego i dwóch uchwytów pomocniczych. Każdy z uchwytów posiada przyłącze obrotowe o 1-nym stopniu swobody, przy czym uchwyt główny połączony jest sztywno z wałem w jego części środkowej, natomiast uchwyty pomocnicze łożyskowane są na wale po obu stronach uchwytu głównego. W rozwiązaniu takim zmianie położenia ogniwa końcowego dowolnego z trzech łańcuchów kinematycznych towarzyszy odpowiednia korekta ich względnego położenia kątowego względem wspólnej osi wału, i równoległe przemieszczenie przestrzenne osi przegubu potrójnego.The swivel joint known from the Polish patent application No. P-363 254, intended for connecting three kinematic chains in spatial mechanisms, is made of a shaft, a main handle and two auxiliary handles. Each of the handles has a swivel joint with 1 degree of freedom, the main handle is rigidly connected to the shaft in its middle part, while the auxiliary handles are mounted on the shaft on both sides of the main handle. In such a solution, the change of the position of the end link of any of the three kinematic chains is accompanied by an appropriate correction of their relative angular position in relation to the common axis of the shaft, and a parallel spatial displacement of the axis of the triple joint.

Znane konstrukcje pracujące z mikrodokładnościami, manipulujące obiektami o mikrowymiarach lub posiadające mikrogabaryty zawierają mechaniczne elementy o litej budowie z wykonanymi przewężeniami, tworzącymi elastyczne przeguby złączowe zwane FLEXURES. Zapewniają one wysoką przewidywalność oraz precyzję ruchu rzędu ułamków nanometra, a ponadto charakteryzują się brakiem tarcia. Odpowiednio ukształtowane przewężenia w litym materiale elementu mechanicznego umożliwiają budowę układów napędowych o różnorodnej kinematyce, zapewniających ruch tylko w wybranych płaszczyznach lub zapewniających odpowiednią liczbę stopni swobody.Known structures working with micro-accuracy, manipulating objects with micro dimensions or having micro dimensions contain solid mechanical elements with constrictions made to form flexible joint joints called FLEXURES. They ensure high predictability and precision of movement in the order of fractions of a nanometer, and are also characterized by a lack of friction. Properly shaped narrowings in the solid material of the mechanical element enable the construction of drive systems with various kinematics, ensuring movement only in selected planes or ensuring the appropriate number of degrees of freedom.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji mikrozespołu, stanowiącego elastyczną głowicę obrotową o zwartej budowie, małych wymiarach i niewielkiej wadze, mającej trzy elementy, mogące się niezależnie obracać wzdłuż wspólnej osi w pewnym ograniczonym zakresie, do których można przyłączać zewnętrzne łańcuchy kinematyczne.The aim of the invention is to provide a structure of a micro-unit, which is a flexible rotary head with a compact structure, small dimensions and light weight, having three elements, able to rotate independently along a common axis to a limited extent, to which external kinematic chains can be connected.

Istotą mikrozespołu obrotowego mającego elastyczne przeguby złączowe jest to, że stanowią go co najmniej trzy kształtowe ramiona, stanowiące wycinki bryły, przy czym jedno z ramion stanowi element bazowy dla dwóch pozostałych ramion i łączy się z każdym z nich poprzez elastyczny przegub złączowy. Elastyczne przeguby złączowe umieszczone są jedne pod drugim wzdłuż wspólnej osi symetrii. Pomiędzy ramionami usytuowane są wzdłuż całej ich wysokości szczeliny, umożliwiające obracanie się ramion wzdłuż osi.The essence of the micro-rotary assembly having flexible joint joints is that it is made up of at least three shaped arms, constituting sections of a solid, with one of the arms being the base element for the other two arms and connected to each of them through a flexible joint joint. Flexible joint joints are arranged one below the other along a common axis of symmetry. Between the arms there are slots along their entire height, enabling the arms to rotate along the axis.

Ramiona usytuowane są jedne obok drugiego i mają wspólną oś, a od zewnętrznej strony mają identyczny kształt.The arms are located next to each other and have a common axis, and have an identical shape from the outside.

Każde z ramion ma kształtowe wycięcie, usytuowane na bocznej zewnętrznej ściance, służące do zamontowania zewnętrznego łańcucha kinematycznego. Ponadto każde z ramion ma wykonany na górnej powierzchni co najmniej jeden otwór.Each of the arms has a shaped cut on the side outer wall for mounting the outer kinematic chain. Moreover, each of the arms has at least one opening in its upper surface.

Zaletą urządzenia według wynalazku jest to, że zastosowanie elastycznych przegubów złączowych, jako połączeń z ramionami, umożliwia ich ruch w jednej wspólnej płaszczyźnie i względem wspólnej osi obrotu, będącej jednocześnie osią bryły, z której wykonany jest mikrozespół, przy czym ruch obrotowy jest precyzyjny i w pełni przewidywalny. Ponadto mikrozespół charakteryzuje się małymi wymiarami i niewielką wagą oraz zwartą budową.The advantage of the device according to the invention is that the use of flexible joint joints as connections with the arms enables their movement in one common plane and in relation to the common axis of rotation, which is also the axis of the body from which the micro-assembly is made, while the rotary movement is precise and fully predictable. Moreover, the micro-assembly is characterized by small dimensions, light weight and compact design.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest schematycznie na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia mikrozespół obrotowy w widoku z góry, fig. 2 - widok całego mikrozespołu w izomerii, a fig. 3 schemat kinematyczny mikrozespołu. Mikrozespół obrotowy składa się z trzech kształtowych ramion 1, 2 i 3, będących wycinkami walca, przy czym jedno z nich 3 stanowi element bazowy, z którym każde z pozostałych ramion 1 i 2 łączy się poprzez elastyczny przegub złączowy 4a i 4b. Ramię 1 łączy się z ramieniem 3 poprzez górny elastyczny przegub 4a, a ramię 2 - poprzez dolny elastyczny przegub 4b, przy czym oba przeguby 4a i 4b umieszczone są jedno pod drugim wzdłuż osi symetrii O. Pomiędzy ramionami 1, 2 i 3 usytuowane są wzdłuż całej ich wysokości szczeliny 5, stanowiące dystans między nimi, które umożliwiają obracanie się ramion 1, 2 i 3 wzdłuż osi symetrii O o pewien ograniczony kąt. Ponadto każde z ramion ma kształtowe wycięcie 6, usytuowane na bocznej zewnętrznej ściance i rozmieszczone po obwodzie mikrozespołu co 120°, do którego zamontowany jest zewnętrzny łańcuch kinematyczny np. ramię mikrorobota, nieuwidoczniony na rysunku. Każde z ramion 1, 2 i 3 ma wykonany na górnej powierzchni nagwintowany otwór 7, służący do zamocowania dodatkowych elementów np. mikrochwytaka, mikroprzyssawki lub dowolnego innego efektora. W środku wysokości mikrozespołu wykonane jest poziome nacięcie 8 o przekroju prostokątnym, przecinające jego konstrukcję, które dzieli przewężenie pomiędzy ramionami 1, 2 i 3 na dwa niezależneThe subject of the invention is schematically illustrated in the drawing, in which fig. 1 shows a top view of the rotating micro-assembly, fig. 2 - a view of the whole micro-assembly in isomerism, and fig. 3 - a kinematic diagram of the micro-assembly. The rotating micro-assembly consists of three shaped arms 1, 2 and 3, which are sections of a cylinder, one of them 3 being the base element with which each of the other arms 1 and 2 is connected by a flexible joint 4a and 4b. The arm 1 connects to the arm 3 through the upper flexible joint 4a, and the arm 2 - through the lower flexible joint 4b, both joints 4a and 4b are placed one below the other along the symmetry axis O. Between the arms 1, 2 and 3 are located along the length of all their height, the spacing of the slots 5 between them, which enable the arms 1, 2 and 3 to pivot along the axis of symmetry O by a certain limited angle. Moreover, each of the arms has a shaped cut 6, situated on the lateral outer wall and distributed along the perimeter of the micro-assembly every 120 °, to which an external kinematic chain, e.g. a micro-robot arm, is mounted, not shown in the drawing. Each of the arms 1, 2 and 3 has a threaded hole 7 on its upper surface, for mounting additional elements, e.g. a micro-catcher, micro-suction cup or any other effector. In the middle of the height of the micro-assembly, a horizontal incision 8 with a rectangular cross-section is made, crossing its structure, which divides the narrowing between the arms 1, 2 and 3 into two independent

PL 213 662 B1 elastyczne przeguby złączowe 4a i 4b. Taka konstrukcja powoduje, że każde z ramion 1, 2 i 3 obraca się tylko względem wspólnej osi O i tylko w jednej płaszczyźnie, która jest prostopadłą do osi O, przy czym dwa ramiona 1 i 2 osadzone są przy pomocy elastycznych przegubów złączowych 4a i 4b na wspólnym elemencie bazowym, który stanowi trzecie ramię 3. Powoduje to możliwość uzyskania trzech niezależnych ruchów obrotowych o kąt φ₁, φ₂ i φ₃ odpowiednio dla ramion 1, 2 i 3, ponieważ jedynym elementem je łączącym są elastyczne przeguby złączowe 4a i 4b.Flexible joint joints 4a and 4b. Such a construction causes that each of the arms 1, 2 and 3 rotates only in relation to the common axis O and only in one plane, which is perpendicular to the axis O, while the two arms 1 and 2 are seated by flexible joint joints 4a and 4b. on the common base element, which is the third arm 3. This results in the possibility of obtaining three independent rotational movements by the angle φ ₁ , φ ₂ and φ ₃ for the arms 1, 2 and 3, respectively, because the only connecting element are flexible joint joints 4a and 4b .

Głowica została wykonana metodą obróbki elektroerozyjnej z jednego kawałka materiału o kształcie walca o wysokości i średnicy wynoszącej 14 mm.The head was made by electro-erosion machining from a single piece of cylinder-shaped material with a height and diameter of 14 mm.

Mikrozespół porusza się w płaszczyźnie lub przestrzeni, stanowiąc głowicę lub platformę równoległego trójramiennego manipulatora o wysokiej precyzji działania.The micro-assembly moves in a plane or space, constituting a head or a platform of a three-armed parallel manipulator with high precision.

Wykaz oznaczeń na rysunkuList of symbols in the drawing

1, 2, 3 - kształtowe ramię1, 2, 3 - shape arm

4a, 4b - elastyczny przegub złączowy4a, 4b - flexible joint joint

- szczelina- gap

- kształtowe wycięcie- shaped cut

- otwór- hole

- nacięcie- incision

O - oś symetriiO - axis of symmetry

Claims

1. Rotary micro-assembly having flexible joint joints, characterized in that it is made up of at least three shaped arms (1, 2 and 3) constituting sections of the solid, with one of the arms (3) being the base element for the other two arms (1). and 2) and connects to each of them through a flexible joint joint (4a and 4b), whereby flexible joint joints (4a and 4b) are placed one below the other along a common axis of symmetry (O), and further between the arms (1, 2 and 3) are located along the entire height of the slots (5), enabling the arms (1, 2 and 3) to rotate along the axis (O).

2. Rotary micro-unit according to claim The method according to claim 1, characterized in that the arms (1, 2 and 3) are located next to each other and have a common axis (O), and have an identical shape from the outside.

3. Rotary micro-unit according to claim The method according to claim 1, characterized in that each of the arms (1, 2 and 3) has a shaped cutout (6) located on the side outer wall for mounting the outer kinematic chain.

4. The rotary micro-assembly according to claim A device according to claim 1, characterized in that each of the arms (1, 2 and 3) has at least one opening (7) in its upper surface.