RU2164362C2

RU2164362C2 - Mobile piezoelectric microrobot

Info

Publication number: RU2164362C2
Application number: RU99110328/28A
Authority: RU
Inventors: сов Б.Г. Иль; Б.Г. Ильясов; О.В. Даринцев; Р.А. Мунасыпов; В.В. Асеев; Р.М. Курбанов; А.З. Марданов; О.В. Кожевникова; Е.В. Пого
Original assignee: Уфимский государственный авиационный технический университет
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2001-03-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; microsystem manufacture. SUBSTANCE: microrobot has moving platform and piezoelectric transducers positioned at apexes of equilateral triangle. Micromanipulating system has spherical base, permanent magnet, and piezoelectric transducers forming Cartesian coordinate system. Platform drive is piezoceramic tubular member carrying one internal and four external evaporated electrodes arranged symmetrically. One end of piezoceramic tubular member is connected to bushing with slots carrying wires. Other loose end of piezoceramic tubular member mounts ruby ball fixed thereon by adhesive. Piezoelectric transducers of micromanipulating system have one internal and two external evaporated electrodes arranged symmetrically to form Cartesian coordinate system. EFFECT: enhances capacity of microrobot, enlarged functional capabilities of micromanipulating unit. 7 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в производстве микросистем. The invention relates to mechanical engineering and can be used in the production of microsystems.

Известно устройство для прецизионного перемещения изделий, которое содержит стол, направляющую, привод, выполненный в виде шести пьезоэлектрических преобразователей, жестко прикрепленных одними концами к столу. Пьезоэлектрические преобразователи связаны со столом и попарно с направляющей по структуре 1-координат [Авторское свидетельство СССР N 1713065, кл. H 02 N 2/00, H 01 L 41/09, 1989]. A device for the precise movement of products is known, which comprises a table, a guide, a drive made in the form of six piezoelectric transducers rigidly attached at one end to the table. Piezoelectric transducers are connected to the table and in pairs with a guide along the 1-coordinate structure [USSR Author's Certificate N 1713065, class. H 02 N 2/00, H 01 L 41/09, 1989].

Недостатками данного устройства являются сложное выполнение вращательных движений, а также наклонное расположение приводов относительно стола, что приводит к возникновению в теле преобразователей напряженного состояния, искажающего форму колебаний преобразователей, и в свою очередь влияет на скоростные характеристики устройства. Кроме того, недостатком является узкая специализация устройства: транспортировка изделий. The disadvantages of this device are the complex implementation of rotational movements, as well as the inclined arrangement of the drives relative to the table, which leads to the appearance in the body of the transducers of a stress state that distorts the shape of the transducers' vibrations, and in turn affects the speed characteristics of the device. In addition, the disadvantage is the narrow specialization of the device: transportation of products.

Известно также устройство прецизионного позиционирования изделий, содержащее основание, столик, пьезокерамические преобразователи подключенные к генератору высокочастотных колебаний [Авторское свидетельство СССР N 864386, кл. H 01 L 41/08, H 02 N 11/00, 1981]. A device for precision positioning of products is also known, containing a base, a table, piezoceramic transducers connected to a high-frequency oscillation generator [USSR Author's Certificate N 864386, cl. H 01 L 41/08, H 02 N 11/00, 1981].

Недостатками данного устройства являются невысокие скоростные характеристики, а также отсутствие узла микроманипулирования. The disadvantages of this device are the low speed characteristics, as well as the lack of micromanipulation unit.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является мобильный микроробот, содержащий подвижную платформу, привод, выполненный в виде трех пьезоэлектрических преобразователей, систему микроманипулирования. Приводы подвижной платформы расположены в вершинах треугольника и жестко прикреплены к платформе, каждый пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде двух пьезокристаллов, работающих независимо. Система микроманипулирования имеет две степени свободы, стационарное состояние манипулятора обеспечивается с помощью магнита, расположенного в основании. Привод системы микроманипулирования выполнен в виде четырех пьезоэлектрических преобразователей. [J.- M. Breguet and Ph. Renaud A 4-degrees-of-freedom microrobot with manometer resolution. Robotica (1996), Vol.l4.-Cambridge University Press, 1996, pp. 199-203]. The closest in technical essence to the claimed invention is a mobile microrobot containing a movable platform, a drive made in the form of three piezoelectric transducers, a micromanipulation system. The drives of the movable platform are located at the vertices of the triangle and are rigidly attached to the platform, each piezoelectric transducer is made in the form of two piezoelectric crystals that operate independently. The micromanipulation system has two degrees of freedom, the stationary state of the manipulator is ensured by a magnet located at the base. The drive of the micromanipulation system is made in the form of four piezoelectric transducers. [J.- M. Breguet and Ph. Renaud A 4-degrees-of-freedom microrobot with manometer resolution. Robotica (1996), Vol.l4.-Cambridge University Press, 1996, pp. 199-203].

Недостатками данного устройства являются невысокая скорость передвижения микроробота, обусловленная использованием плоских пьезоэлементов с малым диапазоном деформаций, вызываемых приложенным напряжением, а также отсутствие вращения инструмента. The disadvantages of this device are the low speed of the microrobot, due to the use of flat piezoelectric elements with a small range of deformations caused by the applied voltage, as well as the lack of rotation of the tool.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются повышение производительности микроробота, а также расширение функциональных возможностей узла микроманипулирования. The tasks to which the invention is directed are to increase the performance of the microrobot, as well as expand the functionality of the micromanipulation unit.

Решение поставленных задач достигается тем, что в мобильном пьезоэлектрическом микророботе, содержащем подвижную платформу и систему микроманипулирования с приводами, выполненными в виде пьезоэлектрических преобразователей, в отличие от прототипа пьезоэлектрические преобразователи выполнены в виде пьезокерамических трубчатых элементов, при этом три пьезоэлектрических преобразователя подвижной платформы выполнены с напыленными одним внутренним и четырьмя внешними симметрично расположенными электродами, а три пьезоэлектрических преобразователя системы микроманипулирования выполнены с напыленными одним внутренним и двумя внешними симметрично расположенными электродами и образуют декартову систему координат, а шаровая основа системы микроманипулирования с узлом для крепления микроинструмента обладает тремя степенями свободы. The solution of the tasks is achieved by the fact that in a mobile piezoelectric microrobot containing a movable platform and a micromanipulation system with actuators made in the form of piezoelectric transducers, in contrast to the prototype, piezoelectric transducers are made in the form of piezoelectric tubular elements, while three piezoelectric transducers of the mobile platform are made with sprayed one internal and four external symmetrically arranged electrodes, and three piezoelectric micromanipulation system converter configured sputtered one internal and two external electrodes are symmetrically arranged to form a Cartesian coordinate system, and spherical base micromanipulation system assembly for mounting microtools possesses three degrees of freedom.

На фиг.1а показан мобильный пьезоэлектрический микроробот, вид снизу; на фиг. 1б - то же, вид сбоку с пьезоэлектрическими преобразователями; на фиг. 2а - пьезоэлектрический преобразователь подвижной платформы микроробота; фиг. 2б - то же, вид сбоку; на фиг.3 - четырехсегментный пьезокерамический трубчатый элемент; на фиг. 4 - двухсегментный пьезокерамический трубчатый элемент; на фиг. 3 приведено движение пьезопреобразователя при выполнении одного шага; на фиг.6 - расположение пьезоэлектрических преобразователей в системе микроманипулирования; на фиг.7 - результирующее движение при подъеме и опускании манипулятора. On figa shows a mobile piezoelectric microrobot, bottom view; in FIG. 1b is the same side view with piezoelectric transducers; in FIG. 2a - a piezoelectric transducer of a mobile microrobot platform; FIG. 2b is the same side view; figure 3 - four-segment piezoceramic tubular element; in FIG. 4 - two-segment piezoceramic tubular element; in FIG. 3 shows the movement of the piezoelectric transducer when performing one step; figure 6 - the location of the piezoelectric transducers in the micromanipulation system; in Fig.7 - the resulting movement when raising and lowering the manipulator.

Мобильный пьезоэлектрический микроробот (фиг. 1а, 1б) содержит подвижную платформу 1, пьезоэлектрические преобразователи 2, расположенные в вершинах равностороннего треугольника. Система микроманипулирования содержит шаровую основу 3, постоянный магнит 4, пьезоэлектрические преобразователи 5, образующие декартову систему координат. Привод платформы (фиг.2а, 2б) представляет собой пьезокерамический трубчатый элемент 6, с напыленными одним внутренним и четырьмя внешними симметрично расположенными электродами 7. Один конец пьезокерамического трубчатого элемента 6 присоединен к втулке 8, с проточенными пазами 9, в которые уложены провода 10. К другому свободному концу пьезокерамического трубчатого элемента приклеен рубиновый шарик 11. Пьезоэлектрические преобразователи системы микроманипулирования выполнены с напыленными одним внутренним и двумя внешними симметрично расположенными электродами (фиг. 4) и образуют декартову систему координат. The mobile piezoelectric microrobot (Fig. 1a, 1b) contains a movable platform 1, piezoelectric transducers 2 located at the vertices of an equilateral triangle. The micromanipulation system contains a spherical base 3, a permanent magnet 4, piezoelectric transducers 5, forming a Cartesian coordinate system. The drive of the platform (figa, 2b) is a piezoceramic tubular element 6, with one internal and four external symmetrically arranged electrodes sprayed 7. One end of the piezoceramic tubular element 6 is attached to the sleeve 8, with grooved grooves 9, in which the wires 10 are laid. A ruby ball 11 is glued to the other free end of the piezoceramic tubular element 11. The piezoelectric transducers of the micromanipulation system are made with a sprayed one internal and two external symmetrically p memory location electrodes (FIG. 4) and form a Cartesian coordinate system.

Мобильный пьезоэлектрический микроробот работает следующим образом. Mobile piezoelectric microrobot works as follows.

Под действием электрического напряжения, приложенного между внутренним и одним из внешних электродов (фиг.3), пьезокерамический трубчатый элемент деформируется (уменьшается или увеличивается в длине). При подаче на сегменты внешних электродов соответствующих напряжений Ui, где i=1,...,4, пьезоэлектрический преобразователь 2 можно удлинить, укоротить или согнуть в любом из направлений, что позволяет реализовывать движение и повороты подвижной платформы 1 микроробота. Для перемещения микроробота используется шагоподобное движение, основанное на скоростных свойствах пьезоэлементов, которые обеспечивают возможность прыжка и направленного движения пьезоэлектрического преобразователя при выполнении одного шага, прежде чем под действием силы тяжести платформа потеряет свое устойчивое состояние. Under the action of an electric voltage applied between the internal and one of the external electrodes (Fig. 3), the piezoceramic tubular element is deformed (decreases or increases in length). When applying the corresponding voltages Ui, where i = 1, ..., 4, to the segments of the external electrodes, the piezoelectric transducer 2 can be extended, shortened or bent in any direction, which allows for the movement and rotations of the mobile platform 1 of the microrobot. To move the microrobot, a step-like movement is used, based on the speed properties of the piezoelectric elements, which provide the possibility of jumping and directional movement of the piezoelectric transducer during one step before the platform loses its stable state under the action of gravity.

Для выполнения одного шага используется определенная последовательность генерации управляющих напряжений. Рассмотрим случай движения в направлении от первого сегмента к третьему сегменту (фиг.3). В течение первой фазы движения в период времени [t_o, t_s] под действием линейно изменяющихся напряжений U₁ и U₃ происходит медленный наклон пьезокерамического трубчатого элемента из нейтрального состояния в направлении первого сегмента. При этом подвижная платформа микроробота под действием силы тяжести совершает поступательное движение в направлении третьего сегмента. В момент времени t_s на второй фазе движения происходит одновременное скачкообразное изменение полярности прикладываемых напряжений, в результате чего пьезоэлектрический преобразователь совершает прыжок из начального положения x₀ в положение x₁ (фиг. 5). На третьей фазе в период времени [t_s, t₁] под действием линейно изменяющихся напряжений U₁ и U₃ происходит медленное выпрямление пьезокерамического трубчатого элемента до нейтрального состояния.To perform one step, a certain sequence of control voltage generation is used. Consider the case of movement in the direction from the first segment to the third segment (figure 3). During the first phase of movement in the period of time [t _o , t _s ] under the action of linearly varying voltages U ₁ and U ₃ there is a slow slope of the piezoceramic tubular element from a neutral state in the direction of the first segment. In this case, the moving platform of the microrobot, under the action of gravity, makes translational motion in the direction of the third segment. At time t _s in the second phase of the movement, a simultaneous abrupt change in the polarity of the applied voltages occurs, as a result of which the piezoelectric transducer makes a jump from the initial position x ₀ to the position x ₁ (Fig. 5). In the third phase, during the period of time [t _s , t ₁ ], under the action of linearly varying voltages U ₁ and U ₃ , the piezoceramic tubular element is slowly rectified to a neutral state.

Величина шага меняется путем изменения амплитуды подаваемого на сегменты напряжения. Скорость передвижения задается через период следования пилообразного напряжения. The step size is changed by changing the amplitude of the voltage supplied to the segments. The speed of movement is set through the period following the sawtooth voltage.

Система микроманипулирования представляет собой шаровую основу 3 из магнитопроводящего материала с приспособлением для крепления микроинструмента. На подвижной платформе 1 (фиг. 1б) установлена магнитная система, состоящая из постоянного магнита 4, компенсирующего силу тяжести и обеспечивающего постоянную силу притяжения шаровой основы 3 манипулятора к пьезоэлектрическим преобразователям 5. Движение манипулятора генерируется с помощью трех пьезоэлектрических преобразователей. Пьезоэлектрические преобразователи выполнены в виде двухсегментных пьезокерамических трубчатых элементов, с напыленными одним внутренним и двумя внешними симметрично расположенными электродами (фиг. 4), оси которых пересекаются в центре шаровой основы под углом 90^o друг к другу, то есть образуют декартову систему координат с началом отсчета, расположенным в центре шаровой основы (фиг.6). Прикладывая напряжение на соответствующие противолежащие сегменты внешних электродов двух пьезопреобразователей, можно добиться поворота шаровой основы относительно оси третьего пьезопреобразователя.The micromanipulation system is a spherical base 3 of a magnetically conductive material with a device for attaching a micro-tool. On the mobile platform 1 (Fig. 1b), a magnetic system is installed, consisting of a permanent magnet 4, which compensates for the gravity and provides a constant attractive force of the spherical base 3 of the manipulator to the piezoelectric transducers 5. The movement of the manipulator is generated using three piezoelectric transducers. Piezoelectric transducers are made in the form of two-segment piezoceramic tubular elements, with one internal and two external symmetrically arranged electrodes deposited (Fig. 4), the axes of which intersect in the center of the spherical base at an angle of 90 ^{° to} each other, that is, they form a Cartesian coordinate system with the origin located in the center of the spherical base (Fig.6). By applying voltage to the respective opposite segments of the outer electrodes of the two piezoelectric transducers, it is possible to achieve rotation of the ball base relative to the axis of the third piezoelectric transducer.

В связи с тем, что величина одного шага пьезоэлектрического преобразователя меньше диаметра шаровой основы манипулятора на шесть порядков, то управление перемещением микроинструмента осуществляется аналогично управлению пьезоэлектрическими преобразователями подвижной платформы (фиг.5). Due to the fact that the magnitude of one step of the piezoelectric transducer is six orders of magnitude smaller than the diameter of the spherical base of the manipulator, the control of the movement of the micro-tool is carried out similarly to the control of the piezoelectric transducers of the mobile platform (Fig. 5).

Для решения задач микроманипулирования используются три типа движения манипулятора. Во-первых, подъем и опускание манипулятора; во-вторых, движение манипулятора влево или вправо; и, в-третьих, вращение манипулятора вокруг собственной оси. Вращение манипулятора вокруг собственной оси может быть выполнено с помощью поворота шаровой основы вокруг одного из пьезопреобразователей. Первые два типа требуют более сложного составного движения, один из вариантов, реализации которого показан на фиг. 7. Здесь желаемое движение генерируется с помощью чередующихся последовательностей простейших движений - вращений вокруг одного из пьезопреобразователя. To solve micromanipulation problems, three types of manipulator motion are used. Firstly, raising and lowering the manipulator; secondly, the movement of the manipulator left or right; and thirdly, the rotation of the manipulator around its own axis. The rotation of the manipulator around its own axis can be performed by rotating the ball base around one of the piezoelectric transducers. The first two types require more complex compound motion, one of the options, the implementation of which is shown in FIG. 7. Here the desired movement is generated using alternating sequences of simple movements - rotations around one of the piezoelectric transducer.

Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить производительность микроробота, что достигается использованием новой конструкции привода подвижной платформы, так, пьезоэлектрические преобразователи выполнены в виде пьезокерамических трубчатых элементов, при этом три пьезоэлектрических преобразователя подвижной платформы выполнены с напыленными одним внутренним и четырьмя внешними симметрично расположенными электродами, а расширение функциональных возможностей системы микроманипулирования достигается тем, что три пьезоэлектрических преобразователя системы микроманипулирования выполнены с напыленными одним внутренним и двумя внешними симметрично расположенными электродами и образуют декартову систему координат, а шаровая основа системы микроманипулирования с узлом для крепления микроинструмента обладает тремя степенями свободы. So, the claimed invention improves the performance of the microrobot, which is achieved using the new design of the drive of the movable platform, so the piezoelectric transducers are made in the form of piezoelectric tubular elements, while three piezoelectric transducers of the movable platform are sprayed with one internal and four external symmetrically located electrodes, and the extension the functionality of the micromanipulation system is achieved by the fact that three piezoelectric iCal micromanipulation system converter configured sputtered one internal and two external electrodes are symmetrically arranged to form a Cartesian coordinate system, and spherical base micromanipulation system assembly for mounting microtools possesses three degrees of freedom.

Claims

A mobile piezoelectric microrobot containing a movable platform and a micromanipulation system with actuators made in the form of piezoelectric transducers, characterized in that the piezoelectric transducers are made in the form of piezoelectric tubular elements, while three piezoelectric transducers of the movable platform are made with a sprayed one internal and four external electrodes symmetrically , and three piezoelectric transducers of the micromanipulation system ying sputtered with one inner and two outer electrodes symmetrically arranged to form a Cartesian coordinate system, and spherical base micromanipulation system assembly for mounting microtools possesses three degrees of freedom.