RU2259914C1

RU2259914C1 - Thermo-mechanic transducer for micro-manipulator (variants)

Info

Publication number: RU2259914C1
Application number: RU2004105381/02A
Authority: RU
Inventors: О.В. Даринцев (RU); О.В. Даринцев; А.Б. Мигранов (RU); А.Б. Мигранов
Original assignee: Институт механики Уфимского научного центра Российской академии наук
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-10
Also published as: RU2004105381A

Abstract

FIELD: micro-robotics.

SUBSTANCE: transducer on base of deformed rod includes helical electric heater and bending spring arranged inside rod. Mounting attachments are provided on ends of spring for connecting links of micro-manipulator. Lower and upper rows of thermo-electric modules on base of Peltier effect are mounted on opposite surfaces of deformed rod with possibility of rotation. Deformed rod is made of material with shape memory effect. When transducer has not helical electric heater, deformed rod is made of electrically conducting material with shape memory effect.

EFFECT: increased range of shifting end of transducer, simplified form of control signals, lowered maximum values of acting voltages.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области робототехники и микроэлектромеханическим системам (МЭМС), может быть использовано при создании микромеханизмов, в частности, мобильных микророботов, микроманипуляторов, микросхватов и т.д.The invention relates to the field of robotics and microelectromechanical systems (MEMS), can be used to create micromechanisms, in particular, mobile microrobots, micromanipulators, microsizes, etc.

Известен привод микроманипулятора, представляющий собой пьезоэлектрический элемент в виде стержня. Стержень образован поляризованными по ширине пластинами. На торцевые поверхности стержня нанесены электроды [патент РФ №2149752, кл. B 25 J 7/00, H 01 L 41/08, 2000].A known micromanipulator drive, which is a piezoelectric element in the form of a rod. The core is formed by width-polarized plates. Electrodes are applied to the end surfaces of the rod [RF patent No. 2149752, class. B 25 J 7/00, H 01 L 41/08, 2000].

Недостатками данного устройства являются сложность генерации управляющих напряжений, сложность эксплуатации, вызванная относительно быстрым изменением пьезоэлектрических свойств привода со временем. Малое значение максимального отклонения конца привода ограничивает область применения данного устройства.The disadvantages of this device are the complexity of the generation of control voltages, the complexity of operation, caused by the relatively rapid change in the piezoelectric properties of the drive over time. The small value of the maximum deviation of the end of the drive limits the scope of this device.

Известен также привод микроманипулятора, содержащий пьезоэлектрический элемент в виде стержня с крестообразным поперечным сечением с электродами на поверхностях, отличающийся тем, что пластины, образующие пьезоэлектрический элемент, поляризованы по ширине, а электроды нанесены на торцевые поверхности пьезоэлектрического элемента [заявка на изобретение №98113238, RU, кл. B 25 J 7/00, H 01 L 41/08, 2000].A micromanipulator drive is also known, containing a piezoelectric element in the form of a rod with a cross-shaped cross section with electrodes on surfaces, characterized in that the plates forming the piezoelectric element are polarized in width and the electrodes are deposited on the end surfaces of the piezoelectric element [patent application No. 98113238, RU , cl. B 25 J 7/00, H 01 L 41/08, 2000].

Недостатками данного устройства также являются сложность управления и эксплуатации, относительно быстрое изменение пьезоэлектрических свойств привода со временем, большие значения управляющих напряжений.The disadvantages of this device are the complexity of control and operation, the relatively rapid change in the piezoelectric properties of the drive over time, large values of control voltages.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является пьезоэлектрический преобразователь подвижной платформы микроробота, содержащий пьезокерамический трубчатый элемент с напыленными внутренним и четырьмя внешними симметрично расположенными электродами. Один конец пьезокерамического трубчатого элемента присоединен к втулке с проточенными пазами, в которые уложены провода. К другому свободному концу пьезокерамического трубчатого элемента приклеен рубиновый шарик [патент РФ №2164362, кл. H 01 L 41/09, H 02 N 2/00, B 25 J 7/00, 2001].Closest to the technical nature of the claimed invention is a piezoelectric transducer of a moving microrobot platform containing a piezoelectric tubular element with sprayed inner and four symmetrically arranged outer electrodes. One end of the piezoceramic tubular element is connected to the sleeve with grooved grooves in which the wires are laid. A ruby ball is glued to the other free end of the piezoceramic tubular element [RF patent No. 2164362, class. H 01 L 41/09, H 02 N 2/00, B 25 J 7/00, 2001].

Преобразователь прототипа по принципу действия является пьезоэлектрическим. Поэтому недостатком данного устройства является сложность генерации управляющих напряжений при реализации относительно простых движений, например, изгиб-выпрямление пьезоэлектрического преобразователя. Кроме того, максимальная величина управляющих напряжений у прототипа может достигать 150 В и более, что с учетом малых размеров пьезоэлектрического преобразователя может стать причиной возникновения пробоя воздуха и короткого замыкания. Основным недостатком прототипа является малое значение максимального отклонения конца преобразователя (±3 мкм), что существенно ограничивает область применения данного устройства.The prototype converter according to the principle of action is piezoelectric. Therefore, the disadvantage of this device is the difficulty of generating control voltages when implementing relatively simple movements, for example, bending-straightening a piezoelectric transducer. In addition, the maximum value of the control voltage of the prototype can reach 150 V or more, which, given the small size of the piezoelectric transducer, can cause air breakdown and short circuit. The main disadvantage of the prototype is the small value of the maximum deviation of the end of the Converter (± 3 μm), which significantly limits the scope of this device.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение эксплуатационных характеристик, связанное с увеличением диапазона отклонений конца преобразователя, упрощением формы управляющих сигналов и снижением максимальных величин действующих напряжений, за счет использования материала с эффектом памяти формы и термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье.The task to which the invention is directed is to improve operational characteristics associated with increasing the range of deviations of the end of the converter, simplifying the shape of the control signals and reducing the maximum values of the operating voltages, through the use of material with a shape memory effect and thermoelectric modules based on the Peltier effect.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в термоэлектромеханическом преобразователе для микроманипулятора на основе деформируемого стержня, в отличие от прототипа, содержатся размещенные внутри стержня спиральный электрический нагреватель и пружина изгиба, на концах которой выполнены крепежные приспособления для связывания звеньев микроманипулятора, а также нижний и верхний ряды термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье, закрепленных на противоположенных поверхностях деформируемого стержня с возможностью вращения, причем деформируемый стержень выполнен из материала с эффектом памяти формы.The solution to this problem is achieved by the fact that in a thermoelectromechanical converter for a micromanipulator based on a deformable rod, in contrast to the prototype, a spiral electric heater and a bending spring are placed inside the rod, at the ends of which are made fasteners for linking the links of the micromanipulator, as well as the lower and upper rows thermoelectric modules based on the Peltier effect, mounted on opposite surfaces of the deformable rod with the possibility of rotation eniya, wherein the deformable rod is made of a material with shape memory.

Решение поставленной задачи достигается также тем, что в термоэлектромеханическом преобразователе для микроманипулятора на основе деформируемого стержня, в отличие от прототипа, содержится размещенная внутри стержня пружина изгиба, на концах которой выполнены крепежные приспособления для связывания звеньев микроманипулятора, а также нижний и верхний ряды термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье, закрепленных на противоположенных поверхностях деформируемого стержня с возможностью вращения, причем деформируемый стержень выполнен из электропроводникового материала с эффектом памяти формы.The solution to this problem is also achieved by the fact that in a thermoelectromechanical converter for a micromanipulator based on a deformable rod, in contrast to the prototype, a bending spring is placed inside the rod, at the ends of which are made fasteners for linking the links of the micromanipulator, as well as the lower and upper rows of thermoelectric modules on based on the Peltier effect, mounted on opposite surfaces of the deformable rod with the possibility of rotation, and deformable ny is made of an electrically conductive material with a shape memory effect.

На фиг.1 представлена конструкция термоэлектромеханического преобразователя для микроманипулятора по варианту 1; на фиг.2 - термоэлектромеханический преобразователь в холодном (конфигурация верхняя дуга) (а), нагретом (нижняя дуга) (в) и равновесном состоянии (распрямленная дуга) (б); на фиг.3 - сочленение микроманипулятора на основе термоэлектромеханического преобразователя; на фиг.4 - механизм захвата микроманипулятора на основе термоэлектромеханического преобразователя. Конструкция термоэлектромеханического преобразователя для микроманипулятора по варианту 2 аналогична варианту 1 за исключением спирального электрического нагревателя, кроме того деформируемый стержень выполнен из электропроводникового материала с эффектом памяти формы.Figure 1 shows the design of the thermoelectromechanical transducer for the micromanipulator according to option 1; figure 2 - thermoelectromechanical Converter in the cold (configuration of the upper arc) (a), heated (lower arc) (c) and the equilibrium state (straightened arc) (b); figure 3 - articulation of a micromanipulator based on a thermoelectromechanical transducer; figure 4 - capture mechanism of the micromanipulator based on thermoelectromechanical transducer. The design of the thermoelectromechanical converter for the micromanipulator according to option 2 is similar to option 1 with the exception of a spiral electric heater, in addition, the deformable rod is made of an electrically conductive material with a shape memory effect.

Термоэлектромеханический преобразователь для микроманипулятора (фиг.1) содержит деформируемый стержень 1, спиральный электрический нагреватель 2, нижний 3 и верхний 4 ряды термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье, заклепочные крепления 5, пружину изгиба 6, крепежные приспособления 7, с помощью которых связываются звенья 8 и 9 или 10 и 11 микроманипулятора (фиг.3 и 4).The thermoelectromechanical converter for the micromanipulator (Fig. 1) contains a deformable rod 1, a spiral electric heater 2, lower 3 and upper 4 rows of thermoelectric modules based on the Peltier effect, rivet fasteners 5, bending spring 6, fastening devices 7, with which links 8 are connected and 9 or 10 and 11 micromanipulator (figure 3 and 4).

Термоэлектромеханический преобразователь для микроманипулятора работает следующим образом.Thermoelectromechanical Converter for micromanipulator works as follows.

Перед началом работы, до подачи управляющих напряжений, термоэлектромеханический преобразователь для микроманипулятора находится в конфигурации верхней дуги (фиг.2а). После подачи слабого электрического тока в спиральный электрический нагреватель 2 деформируемый стержень 1, изготовленный из материала с эффектом памяти формы, начинает нагреваться и одновременно восстанавливать свою первоначальную форму, переходя в аустенитное состояние, тем самым изгибая и изменяя непрерывно конфигурацию термоэлектромеханического преобразователя на распрямленную дугу (фиг.2б) и далее - нижнюю дугу (фиг.2в). Возможно также пропускание электрического тока непосредственно через деформируемый стержень 1, если последний выполнен из электропроводникового материала с эффектом памяти формы. При этом выделится тепловая энергия, которая также приведет к разогреву и изгибу деформируемого стержня 1 (вариант 2). Изгиб термоэлектромеханического преобразователя сопровождается выполнением механической работы, которая передается через крепежные приспособления 7, что позволяет реализовать вращательный привод двухстороннего действия для звеньев 8 и 9 микроманипулятора с поворотом против направления часовой стрелки или захват объекта нижним пальцем микросхвата 10. Таким образом, нагреванием деформируемого стержня 1 реализуется первая фаза изгиба термоэлектромеханического преобразователя.Before starting work, before applying control voltages, the thermoelectromechanical converter for the micromanipulator is in the configuration of the upper arc (figa). After applying a weak electric current to the spiral electric heater 2, the deformable rod 1, made of a material with a shape memory effect, begins to heat up and at the same time regains its original shape, turning into an austenitic state, thereby bending and continuously changing the configuration of the thermoelectromechanical converter to a straightened arc (Fig. .2b) and then the lower arc (Fig.2c). It is also possible to pass an electric current directly through the deformable rod 1, if the latter is made of an electrically conductive material with a shape memory effect. In this case, thermal energy will be released, which will also lead to heating and bending of the deformable rod 1 (option 2). The bending of the thermoelectromechanical converter is accompanied by the execution of mechanical work, which is transmitted through the fastening devices 7, which makes it possible to realize a double-acting rotary drive for the links 8 and 9 of the micromanipulator with counterclockwise rotation or capture of the object with the lower finger of the micro capture 10. Thus, by heating the deformable rod 1 is realized the first phase of the bend of the thermoelectromechanical converter.

Вторая фаза изгиба (изгиб в обратном направлении) реализуется охлаждением деформируемого стержня 1 нижним 3 и верхним 4 рядами термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье, тем самым материал с эффектом памяти формы переходит в мартенситное состояние. При подаче слабого электрического напряжения каждый термоэлектрический модуль на основе эффекта Пельтье в местах контакта с деформируемым стержнем 1 поглощает тепло. Для более интенсивного охлаждения используется два ряда термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье - нижний 3 и верхний 4, которые существенно ускоряют процесс обратного мартенситного превращения. В мартенситном состоянии деформируемый стержень 1 легко пластически деформируется пружиной изгиба 6. Под действием силы упругости пружины изгиба 6 термоэлектромеханический преобразователь сгибается в обратном направлении и переходит из конфигурации нижней дуги в верхнюю дугу. Заклепочное крепление 5, допускающее относительное вращение деталей, не позволяет термоэлектрическим модулям на основе эффекта Пельтье деформироваться как в процессе обратного, так и прямого мартенситного превращения. Обратный изгиб термоэлектромеханического преобразователя сопровождается выполнением механической работы, которая передается через крепежные приспособления 7, что позволяет реализовать вращательный привод двухстороннего действия для звеньев 8 и 9 микроманипулятора с поворотом по направлению часовой стрелки или захват объекта верхним пальцем 11 микросхвата 10. Таким образом, охлаждением деформируемого стержня 1 с помощью термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье реализуется вторая фаза изгиба термоэлектромеханического преобразователя.The second phase of bending (bending in the opposite direction) is realized by cooling the deformable rod 1 by the lower 3 and upper 4 rows of thermoelectric modules based on the Peltier effect, thereby the material with the shape memory effect goes into the martensitic state. When applying a weak electric voltage, each thermoelectric module based on the Peltier effect in places of contact with the deformable rod 1 absorbs heat. For more intensive cooling, two rows of thermoelectric modules based on the Peltier effect are used - lower 3 and upper 4, which significantly accelerate the process of reverse martensitic transformation. In the martensitic state, the deformable rod 1 is easily plastically deformed by the bending spring 6. Under the action of the elastic force of the bending spring 6, the thermoelectromechanical converter bends in the opposite direction and passes from the configuration of the lower arc to the upper arc. The rivet fastener 5, which allows relative rotation of the parts, does not allow thermoelectric modules based on the Peltier effect to deform both during the reverse and direct martensitic transformations. The reverse bending of the thermoelectromechanical converter is accompanied by the execution of mechanical work, which is transmitted through the fastening devices 7, which makes it possible to realize a double-acting rotary drive for the links 8 and 9 of the micromanipulator with clockwise rotation or capture of the object with the upper finger 11 of the microcircuit 10. Thus, cooling the deformable rod 1 using the thermoelectric modules based on the Peltier effect, the second phase of bending of the thermoelectromechanical pre educator.

На этом первый термоэлектромеханический цикл работы завершается. Второй, третий, четвертый и т.д. циклы реализуются аналогично.This completes the first thermoelectromechanical work cycle. Second, third, fourth, etc. cycles are implemented similarly.

Итак, заявляемое изобретение позволяет провести улучшение эксплуатационных характеристик, связанное с увеличением диапазона отклонений конца преобразователя, упрощением формы управляющих сигналов и снижением максимальных величин действующих напряжений, за счет использования материала с эффектом памяти формы и термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье.So, the claimed invention allows to improve performance, associated with increasing the range of deviations of the end of the Converter, simplifying the shape of the control signals and reducing the maximum values of the operating voltage due to the use of material with a shape memory effect and thermoelectric modules based on the Peltier effect.

Claims

1. Thermoelectromechanical converter for a micromanipulator based on a deformable rod, characterized in that it contains a spiral electric heater and a bending spring located on the rod, at the ends of which are fasteners for linking the links of the micromanipulator, as well as the lower and upper rows of thermoelectric modules based on the Peltier effect, mounted on opposite surfaces of the deformable rod with the possibility of rotation, and the deformable rod is made of mother Ala with shape memory effect.

2. A thermoelectromechanical converter for a micromanipulator based on a deformable rod, characterized in that it contains a bending spring located inside the rod, at the ends of which are fasteners for connecting the links of the micromanipulator, as well as the lower and upper rows of thermoelectric modules based on the Peltier effect, mounted on opposite surfaces a deformable rod rotatably, wherein the deformable rod is made of an electrically conductive material with the effect of pa crumple forms.