RO127385A0

RO127385A0 - Compliant minigripper with piezoelectric actuator

Info

Publication number: RO127385A0
Application number: ROA201101354A
Authority: RO
Inventors: Simona Noveanu; Iosif Vencel Csibi; Dan Mândru; Dan Cristian Noveanu; Ion Lungu
Original assignee: Universitatea Tehnică Din Cluj-Napoca
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2012-05-30
Also published as: RO127385B1

Abstract

The invention relates to a compliant minigripper () with piezoelectric actuator () meant for the precise manipulation of various size objects, in applications specific to fine mechanics. According to the invention, the minigripper () is conceived as a monoblock structure, with some flexible couples () obtained by thinning the section of some symmetrically arranged kinematic elements () in the structure, the compliant minigripper body () containing ten flexible couples () which transmit the movement and the force, by the elastic deformation of the material they are made of, by means of the kinematic elements (), at the outlet of the piezoelectric actuator (), to some fastening elements () which carry out the manipulation, by modifying the geometric shape of the flexible couples () (elliptical, rectangular, parabolic, circular or rectangular with various transition radii), selecting the material that the compliant minigripper () is made of (steel, brass, polymethylmethacrylate, polytetrafluoroethylene etc.) as well as by the variation of the supply voltage of the piezoelectric actuator (), there being ensured a wider range of dimensions of the objects to be manipulated as well as the use thereof in various media.

Description

Invenția se referă la un minigriper compliant cu cuple flexibile, realizat ca structură monobloc, cu actuator piezoelectric, nepoluant, silențios, destinat manipulării precise a obiectelor de dimensiuni variate, în aplicații specifice mecanicii fine și mecatronicii.The invention relates to a minigripper compliant with flexible couplings, made as a monobloc structure, with piezoelectric, non-polluting, silent actuator, intended for precise handling of objects of various dimensions, in specific applications of fine mechanics and mechatronics.

In scopul manipulării unor obiecte, se cunosc numeroase soluții de realizare a minigriperelor. Unele din acestea sunt proiectate cu cuple clasice, astfel că, datorită montajului și a jocurilor din cuple, în timpul funcționării apar erori relativ mari și implicit imprecizii în ceea ce privește operația de prindere. Alte variante de minigripere au în structură actuatori pneumatici, hidraulici sau electrici (US4226459, US5046773). în general, aceste soluții nu permit miniaturizarea, au gabaritul și masa relativ mari, produc vibrații și zgomot în funcționare.In order to manipulate some objects, there are numerous solutions for making minigrips. Some of them are designed with classic couplings, so that, due to the assembly and the sets of couplings, relatively large errors and implicit inaccuracies in the clamping operation occur during operation. Other variants of minigrips have pneumatic, hydraulic or electrical actuators (US4226459, US5046773). In general, these solutions do not allow miniaturization, have relatively large dimensions and mass, produce vibration and noise in operation.

Brevetul US 4900078 prezintă un minigriper cu un actuator pe bază de aliaje cu memoria formei, care prezintă dezavantajul acționării controlate doar a închiderii, deschiderea fiind asigurată de elemente elastice, temperatura mediului înconjurător influențând semnificativ funcționarea actuatorului. De asemenea unele minigripere au doar două poziții de funcționare, respectiv închis-deschis fără a avea poziții intermediare (sunt bistabile), ceea ce restricționează gama de dimensiuni a obiectelor manipulate.US Patent 4900078 presents a mini-gripper with an actuator based on shape memory alloys, which has the disadvantage of only controlled closing operation, the opening being provided by elastic elements, the ambient temperature significantly influencing the actuator operation. Also some minigrips have only two operating positions, respectively closed-open without having intermediate positions (they are bistable), which restricts the size range of the manipulated objects.

Se cunosc numeroase soluții de realizare a unor minigripere acționate cu actuatori piezoelectrici. în scopul realizării unei manipulări precise, este cunoscut un minigriper, la care actuatorul piezoelectric este atașat direct brațului de prindere (US20030056364), ceea ce conduce la deplasări mici. De asemenea, un alt minigriper este caracterizat de faptul că, are realizat controlul în buclă deschisă, ceea ce duce la imprecizie de prindere. Conform brevetului US4537557, un minigriper are în structură și cuple clasice, astfel că rezultă o precizie de manipulare mică. în același scop, sunt cunoscute minigriperele care sunt realizate cu actuatori piezoelectrici de tip bandă, ceea ce determină o forță de prindere mică.There are many solutions for making minigrips operated with piezoelectric actuators. In order to achieve precise handling, a minigripper is known, to which the piezoelectric actuator is directly attached to the clamping arm (US20030056364), which leads to small displacements. Also, another minigripper is characterized by the fact that it has the open loop control, which leads to inaccuracy of the catch. According to patent US4537557, a minigripper has the classic structure and couplings, thus resulting in low handling accuracy. For the same purpose, the minigrips are known which are made with piezoelectric band-type actuators, which causes a small clamping force.

Dezavantajul major al acestor minigripere este reprezentat de faptul că sunt concepute pentru o anumită aplicație, fiind limitate posibilitățile de modificare a parametrilorThe major disadvantage of these minigrips is that they are designed for a particular application, being limited the possibilities of changing the parameters

Λ-2 Ο 1 1 - Ο 1 3 5 4 - Ο 8 -12- 2011Λ-2 Ο 1 1 - Ο 1 3 5 4 - Ο 8 -12- 2011

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția de față constă în realizarea unui minigriper compliant, în construcție monobloc, cu conectare facilă a actuatorului piezoelectric atât la mecanismul compliant cât și la sistemul de alimentare, comandă și control, care asigură prinderea obiectelor de diferite dimensiuni cu o precizie ridicată într-un spațiu de lucru cât mai mare și care se pretează la miniaturizare.The technical problem solved by the present invention consists in the accomplishment of a compliant minigripper, in monobloc construction, with easy connection of the piezoelectric actuator both to the compliant mechanism and to the supply, command and control system, which ensures the grasping of objects of different dimensions with a high precision in a large workspace and suitable for miniaturization.

Minigriperul compliant cu actuator piezoelectric, conform invenției, este realizat ca structură monobloc, cu cuple flexibile, obținute prin subțiere de secțiune în anumite zone ale elementelor cinematice, care asigură mișcarea dorită prin deformare elastică (sunt reversibile și se mențin în limita de valabilitate a legii lui Hooke). Cuplele flexibile sunt dispuse simetric pe structura minigriperului, astfel încât la acționarea actuatorului piezoelectric să permită închiderea elementelor de prindere și un spațiu de lucru cât mai mare. Cuplele flexibile, în funcție de materialul din care sunt realizate precum și în funcție de geometria profilului ales (dreptunghic cu racordare, circular, parabolic, hiperbolic), pot modifica spațiul de lucru și parametri de funcționare ai minigriperului compliant. In timpul deformării cuplelor flexibile, traiectoriile, în general necirculare ale anumitor puncte, îndeplinesc rolul curbelor suport. Numărul parametrilor necesari pentru definirea acestor curbe este superior aceluia care definesc un cerc suport, astfel că la minigriperul compliant se impun un număr mare de poziții față de cel al minigriperelor cu cuple clasice existente, rezultând simplitate structurală și poziții mai exacte, ceea ce înlătură dezavantajele soluțiilor prezentate.The minigripper compliant with the piezoelectric actuator, according to the invention, is made as a monobloc structure, with flexible couplings, obtained by thin sections in certain areas of the kinematic elements, which ensure the desired movement by elastic deformation (they are reversible and are kept within the validity of the law Hooke). The flexible couplings are arranged symmetrically on the structure of the minigripper, so that the actuation of the piezoelectric actuator allows the closing of the clamping elements and a maximum working space. Flexible couples, depending on the material from which they are made and according to the geometry of the chosen profile (rectangular with connection, circular, parabolic, hyperbolic), can change the working space and operating parameters of the compliant minigripper. During the deformation of the flexible couples, the trajectories, generally non-circular of certain points, play the role of the support curves. The number of parameters required to define these curves is higher than the one that defines a support circle, so that the compliant minigripper imposes a large number of positions compared to the minigrip with existing classical couplings, resulting in structural simplicity and more accurate positions, which eliminates the disadvantages. of the solutions presented.

Ideea inovatoare este pusă în evidență la maxim prin faptul că, stabilirea poziției cuplelor flexibile în cadrul structurii minigriperului compliant se face astfel încât să asigure o amplitudine cât mai mare la capătul elementelor de prindere.The innovative idea is emphasized to the maximum by the fact that the position of the flexible couples within the structure of the compliant minigripper is made in such a way as to ensure a maximum amplitude at the end of the fastening elements.

Actuatorul piezoelectric, are o schemă de comandă și control care permite aplicarea unor valori diferite de tensiune la intrarea acestuia, obținându-se o gamă variată de parametri de ieșire la elementele de prindere a minigriperului compliant, asigurându-se astfel adaptarea la cerințele diferitelor aplicații. Actuatorii piezoelectrici își bazează funcționarea pe efectul piezoelectric invers, deformându-se sub acțiunea unui câmp electric. Se cunoaște faptul că au curse mici, precizie ridicată și generează forțe mari. Schema electronică are la bază un microcontroler care comandă actuatorul piezoelectric prin impulsuri modulate în lățime, iarThe piezoelectric actuator, has a control and control scheme that allows the application of different voltage values at its input, obtaining a varied range of output parameters to the fastening elements of the compliant minigripper, thus ensuring the adaptation to the requirements of different applications. Piezoelectric actuators base their operation on the reverse piezoelectric effect, deforming under the action of an electric field. They are known to have small strokes, high accuracy and generate large forces. The electronic scheme is based on a microcontroller that controls the piezoelectric actuator by pulse width modulated, and

semnalele de comandă pot fi: treaptă, rampă sau sinus. Conform acestei invenții, revenireaJ_a poziția inițială a elementelor de prindere se realizează prin scăderea tensiunii apli încetarea alimentării la actuator.the control signals can be: step, ramp or sinus. According to this invention, the return position J_a to the initial position of the fasteners is achieved by lowering the voltage to stop the supply to the actuator.

\-2Ο 1 1 - 0 1 3 5 4 - Ο 8 -12- 2011\ -2Ο 1 1 - 0 1 3 5 4 - Ο 8 -12- 2011

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu figurile 1, 2, 3 și 4, care reprezintă:The following is an example of an embodiment of the invention, in connection with Figures 1, 2, 3 and 4, which represents:

- figura 1, vedere 3D a minigriperului compliant cu actuatorul piezoelectric;- Figure 1, 3D view of the compliant minigripper with the piezoelectric actuator;

- figura 2, vedere frontală a variantelor constructive de cuple flexibile ;- Figure 2, front view of the flexible coupling construction variants;

- figura 3, schemă bloc pentru comanda și controlul actuatorului piezoelectric;- Figure 3, block diagram for the control and control of the piezoelectric actuator;

- figura 4, schemă electronică pentru comanda actuatorului piezoelectric.- Figure 4, electronic diagram for the control of the piezoelectric actuator.

Minigriperul compliant 1 cu actuator piezoelectric 2, este realizat cu zece cuple flexibile 3, identice, cu profil dreptunghic cu racordare, dispuse simetric pe structura monobloc. Cuplele flexibile 3 sunt realizate prin subțierea secțiunii elementelor cinematice 4, astfel încât să asigure efectuarea mișcării prin deformarea elastică a materialului din care sunt executate. Corpul minigriperului compliant 1 este acționat de actuatorul piezoelectric 2, poziționat pe axa de simetrie a structurii, care prin intermediul cuplelor flexibile 3 și elementele cinematice 4, transmit mișcarea la elementele de prindere 5, ce realizează manipularea obiectelor. Fixarea ansamblului se realizează prin orificiile de fixare 6, care sunt poziționate astfel încât, atât actuatorul piezoelectric cât și cadrul minigriperului să asigure o funcționare optimă.The compliant minigripper 1 with piezoelectric actuator 2, is made with ten identical flexible couplings 3, with rectangular profile with connection, symmetrically arranged on the monobloc structure. The flexible couplings 3 are made by thinning the section of the kinematic elements 4, so as to ensure the movement by elastic deformation of the material from which they are made. The body of the compliant minigripper 1 is actuated by the piezoelectric actuator 2, positioned on the axis of symmetry of the structure, which by means of the flexible couplings 3 and the kinematic elements 4, transmit the movement to the gripping elements 5, which performs the manipulation of the objects. The fixing of the assembly is made by means of the fixing holes 6, which are positioned so that both the piezoelectric actuator and the minigripper frame ensure optimum operation.

în figura 2, conform invenției, sunt prezentate profilele geometrice ale cuplelor flexibile care pot fi utilizate la construcția minigriperului compliant: eliptic (a), dreptunghic (b), parabolic (c), circular (d) și dreptunghic cu racordare de diferite raze (e, f, g, h). Conform unui studiu realizat, în funcție de utilizarea acestor profile diferite se obțin atât forțe de strângere cât și curse, diferite ale elementelor de prindere.Figure 2, according to the invention, shows the geometrical profiles of the flexible couples that can be used in the construction of the compliant minigripper: elliptical (a), rectangular (b), parabolic (c), circular (d) and rectangular with different radius connections ( e, f, g, h). According to a study, depending on the use of these different profiles, both clamping forces and strokes are obtained, different clamping elements.

Conform invenției, în concordanță cu figura 3, comanda și controlul actuatorului piezoelectric se realizează în Matlab Simulink și se implementează într-o placă de control dSPACE CP 1103. Semnalele de comandă (treaptă, rampă sau sinus) având o amplitudine între 0-10V sunt aplicate actuatorului piezoelectric printr-un amplificator de tensiune.According to the invention, according to figure 3, the control and control of the piezoelectric actuator is carried out in Matlab Simulink and is implemented in a control board dSPACE CP 1103. The control signals (step, ramp or sinus) having an amplitude between 0-10V are applied to the piezoelectric actuator through a voltage amplifier.

In figura 4 este prezentată shema electronică cu amplificatorul de tensiune, unde algoritmul de comandă este astfel conceput încât pentru o anumită valoare a tensiunii aplicată actuatorului piezoelectric, acesta să efectueze o deplasare cu un raport calculat. Alimentarea actuatorului piezoelectric cu diferite valori ale tensiunii de alimentare, permite obținerea unor parametri de ieșire diferiți, respectiv curse și forțe diferite la elementele de prindere ale minigriperul compliant, diversificând astfel gama de dimensiuni a obiectelor manipulate.Figure 4 shows the electronic diagram with the voltage amplifier, where the control algorithm is designed so that for a certain value of the voltage applied to the piezoelectric actuator, it performs a displacement with a calculated ratio. Powering the piezoelectric actuator with different values of the supply voltage, allows to obtain different output parameters, respectively races and different forces at the fastening elements of the compliant minigripper, thus diversifying the size range of the manipulated objects.

Λ.-2 Ο 1 1 - 01 3 54 - Ο 8 -12- 2011Λ.-2 Ο 1 1 - 01 3 54 - Ο 8 -12- 2011

Prin aplicarea invenției, se obțin următoarele avantaje:By applying the invention, the following advantages are obtained:

- minigriperul compliant acoperă o plajă largă a parametrilor de ieșire (cursă sau forță);- the compliant minigripper covers a wide range of output parameters (stroke or force);

- simplitate constructivă a structurii minigriperului compliant;- constructive simplicity of the structure of the compliant minigripper;

- construcția monobloc a minigriperului compliant oferă precizie ridicată și posibilități de miniaturizare, în condițiile unei funcționări silențioase;- the monobloc construction of the compliant minigripper offers high precision and miniaturization possibilities, under the conditions of a silent operation;

- parametri de ieșire diferiți sunt obținuți atât prin modificarea tensiunii de alimentare a actuatorului piezoelectric, cât și prin alegerea unei anumite forme geometrice pentru cuplele flexibile;- different output parameters are obtained both by modifying the supply voltage of the piezoelectric actuator and by choosing a certain geometric shape for the flexible couples;

- există posibilitatea amplificării cursei sau a forței la nivelul elementelor de prindere, prin utilizarea diferitelor materiale (oțel, alamă, polimetilmetacrilat, politetrafluoretilena, etc.) pentru realizarea structurii minigriperului compliant.- there is the possibility of amplifying the stroke or the force at the level of the clamping elements, by using different materials (steel, brass, polymethylmethacrylate, polytetrafluoroethylene, etc.) to achieve the structure of the compliant minigripper.

Claims

1. Compliant minigripper 1 with piezoelectric actuator 2, made as a monobloc structure, with ten flexible couplings 3 symmetrically positioned, obtained by section thinness of the kinematic elements 4, characterized in that under the action of the piezoelectric actuator 2 the flexible couplings 3 deform elastic and transmit the movement through the kinematic elements 4 to the fastening elements 5 which are closed, thus realizing a wide range of object sizes and is intended for manipulation within the systems specific to precision mechanics and mechatronics.

2. The compliant minigripper 1 with piezoelectric actuator 2, according to claim 1, is characterized in that it has flexible couplings 3, which according to the chosen geometric shape (elliptical, rectangular, parabolic, circular or rectangular with different radius connections), by the material chosen for the execution of the body of the compliant minigripper (steel, brass, polymethylmethacrylate, polytetrafluoroethylene, etc.) and under the action of the piezoelectric actuator 2, it can obtain different output parameters (stroke or force), thus ensuring its adaptation to the requirements of different applications. different environments.

3. The compliant minigripper 1, according to claims 1 and 2, characterized in that, under the action of the piezoelectric actuator 2, it achieves the precise attachment of the objects with the fastening elements 5, for different dimensions of the parts, varying the supply voltage applied to the piezoelectric actuator 2, by command with pulse width modulated.