RU2266190C1

RU2266190C1 - Electrostatic micro-grip

Info

Publication number: RU2266190C1
Application number: RU2004110359/02A
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: 2004-04-05
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2005-12-20
Also published as: RU2004110359A

Abstract

FIELD: micro-robotics.

SUBSTANCE: electrostatic micro grip includes base, housing, clamping pins and drive unit. The last is in the form of two electrostatic converters arranged symmetrically in two mutually opposite ends of housing. Each converter includes two electrically conducting plane-parallel plates with layer of elastic dielectric between them. One plate is stationary; other plate is movable and it supports clamping pin.

EFFECT: simplified design and manufacturing cycle for making and assembling micro-grip, reduced power consumption, less mass and size of grip.

2 dwg

Description

Изобретение относится к микроробототехнике, микросистемной технике и может быть использовано в исполнительных устройствах роботов при сборке микроэлектромеханических систем (МЭМС) с объемной структурой (микродвигатели, -насосы, -турбины и т.д.).The invention relates to microrobotics, microsystem engineering and can be used in actuators of robots in the assembly of microelectromechanical systems (MEMS) with a three-dimensional structure (micromotors, pumps, turbines, etc.).

Известен схват промышленного робота, используемый при изготовлении блоков электро- и радиоаппаратуры для установки радиоэлементов на печатную плату. Зажимные губки, имеющие возможность возвратно-поступательного перемещения, кинематически связаны между собой посредством зубчато-реечной передачи. Две зубчатые рейки передачи, на концах которых смонтированы губки, находятся в зацеплении с зубчатым колесом. По обе стороны от зубчатых реек попарно расположены цилиндрические катки, установленные группами по четыре катка на каждой оси. Каждая рейка имеет четыре направляющие для каждой группы катков. Две направляющие зубчатых реек для каждой группы катков взаимодействуют с парой ближайших к рейкам катков. Две оставшиеся направляющие взаимодействуют с другой парой катков и установлены диаметрально противоположно относительно упомянутой первой пары направляющих. Направляющие, взаимодействующие с ближайшими к рейкам катками, имеют реборды, контактирующие с боковыми сторонами катков. В результате обеспечивается уменьшение трения зубчатых реек в направляющих корпуса и захват деталей с допустимым усилием силового цилиндра [патент РФ №2149098, кл. B 25 J 15/00, 2000].Known grip industrial robot used in the manufacture of blocks of electrical and radio equipment for installing radio elements on a printed circuit board. Clamping jaws, with the possibility of reciprocating movement, are kinematically connected to each other by means of a rack-and-pinion transmission. Two gear rack transmission, at the ends of which the jaws are mounted, are engaged with the gear wheel. On both sides of the gear rails, cylindrical rollers are arranged in pairs, installed in groups of four rollers on each axis. Each rail has four guides for each group of rollers. Two guide racks for each rack group of rollers interact with a pair of rollers closest to the rails. The two remaining guides interact with another pair of rollers and are installed diametrically opposed to said first pair of guides. Guides interacting with the rollers closest to the rails have flanges in contact with the sides of the rollers. The result is a reduction in the friction of the gear racks in the guides of the housing and the capture of parts with an allowable force of the power cylinder [RF patent No. 2149098, class. B 25 J 15/00, 2000].

Недостатками данного устройства являются большое число механических передач, определенная конструктивная сложность и неудовлетворительные габаритные и массовые характеристики. Кроме того, устройство имеет относительно высокое энергопотребление.The disadvantages of this device are a large number of mechanical transmissions, a certain structural complexity and unsatisfactory overall and mass characteristics. In addition, the device has a relatively high power consumption.

Известен схват робота, содержащий корпус и губки, губки выполнены в виде баллона из эластичного тонкостенного материала и снабжены датчиками усилия зажима (захвата) объекта. Схват содержит корпус, губки, датчики с проводами, объект (предмет) [заявка на изобретение №94000972, RU, кл. B 25 J 15/00, 1995].Known robot grip, comprising a housing and jaws, the jaws are made in the form of a balloon of elastic thin-walled material and are equipped with sensors for clamping (gripping) the object. The gripper contains a housing, jaws, sensors with wires, an object (object) [application for invention No. 94000972, RU, class. B 25 J 15/00, 1995].

Недостатком данного устройства является необходимость использования внешнего источника избыточного давления. Кроме того, эластичный тонкостенный материал может быть легко поврежден при контакте с заостренными гранями микрообъектов, имеющих сложную конфигурацию.The disadvantage of this device is the need to use an external source of overpressure. In addition, the elastic thin-walled material can be easily damaged by contact with the pointed edges of microobjects having a complex configuration.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является пьзоэлектрический схват пьезоэлектрического манипулятора [патент РФ №2172239, кл. B 25 J 7/00, 2001]. Пьзоэлектрический схват содержит основу схвата, тяги и пьезоприводы, к основе схвата одним концом жестко прикреплен пьезопривод, а второй конец пьезопривода соединен с тягой при помощи скобы, соединение выполнено с возможностью скольжения тяги вдоль пьезопривода, и тяги прикреплены к основе схвата при помощи винта, причем пьезопривод выполнен в виде плоских пьезоэлектрических элементов.The closest in technical essence to the claimed invention is a piezoelectric gripper of a piezoelectric manipulator [RF patent No. 2172239, cl. B 25 J 7/00, 2001]. The piezoelectric grip comprises a grip, traction and piezo drive base, the piezo drive is rigidly attached to one of the grip bases, and the second end of the piezoelectric drive is connected to the thrust by a bracket, the connection is made to slide the thrust along the piezo drive, and the thrust is attached to the grip base by a screw, wherein the piezoelectric actuator is made in the form of flat piezoelectric elements.

К недостаткам прототипа можно отнести, во-первых, наличие механических передач. Между тем, одно из основных требований к микромеханизмам - это отсутствие каких-либо механических передач или преобразователей видов движения. Во-вторых, следует отметить относительную конструктивную сложность пьезоэлектрического схвата, что осложняет технологические процессы его изготовления и сборки. Кроме того, у прототипа также неудовлетворительные массовые и габаритные характеристики (натурный образец в длине составляет около 100 мм, ширине - 30 мм).The disadvantages of the prototype include, firstly, the presence of mechanical gears. Meanwhile, one of the basic requirements for micromechanisms is the absence of any mechanical gears or transducers of types of movement. Secondly, the relative structural complexity of the piezoelectric gripper should be noted, which complicates the manufacturing processes of its manufacture and assembly. In addition, the prototype also has unsatisfactory mass and dimensional characteristics (full-scale sample in length is about 100 mm, width - 30 mm).

Задача, решаемая изобретением, заключается в упрощении конструкции и технологического процесса изготовления и сборки микросхвата, снижении уровня энергопотребления, а также в улучшении массовых и габаритных показателей.The problem solved by the invention is to simplify the design and technological process of manufacturing and assembling the microswitch, reducing the level of energy consumption, as well as improving the mass and overall performance.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в электростатическом микросхвате, содержащем основу, корпус, зажимные пальцы, привод, в отличии от прототипа привод выполнен в виде двух электростатических преобразователей, установленных симметрично по двум противоположенным торцам корпуса, и каждый из них содержит две электропроводниковые плоскопараллельные пластины со слоем упругого диэлектрика между ними, причем одна из пластин выполнена неподвижной, а другая - подвижной, на которой закреплен зажимный палец.The solution to this problem is achieved by the fact that in an electrostatic micro-gripper containing a base, a housing, clamping fingers, a drive, in contrast to the prototype, the drive is made in the form of two electrostatic converters mounted symmetrically at two opposite ends of the housing, and each of them contains two electrically conductive plane-parallel plates with a layer of elastic dielectric between them, one of the plates being fixed and the other movable, on which a clamping pin is fixed.

На фиг.1 представлена конструкция электростатического микросхвата; на фиг.2 - захват микрообъекта электростатическим микросхватом.Figure 1 shows the design of an electrostatic microswitch; figure 2 - capture microobject electrostatic microsized.

Электростатический микросхват (фиг.1) содержит основу 1, корпус 2, зажимные пальцы 3 из электроизоляционного материала, приводы, выполненные в виде электростатических преобразователей 4, содержащих подвижную 5 и неподвижную 6 электропроводниковые плоскопараллельные пластины со слоем упругого диэлектрика 7 между ними.The electrostatic micro-grip (figure 1) contains the base 1, the housing 2, the clamping fingers 3 are made of electrical insulation material, the drives are made in the form of electrostatic converters 4 containing a movable 5 and a fixed 6 electrically conductive plane-parallel plates with a layer of elastic dielectric 7 between them.

Электростатический микросхват работает следующим образом.Electrostatic microswatch works as follows.

Принцип работы устройства основан на использовании энергии электрического поля, образуемой в электростатических преобразователях 4, выполненных в виде подвижной 5 и неподвижной 6 электропроводниковых пластин со слоем упругого диэлектрика 7 между ними. Хотя преобразователи электростатического типа очень маломощны по сравнению с электромагнитными или электродинамическими, в микромире, где влияние составляющих гравитационных и фрикционных сил существенно ниже, энергия электрического поля достаточна для совершения полезной работы.The principle of operation of the device is based on the use of electric field energy generated in electrostatic converters 4, made in the form of a movable 5 and a fixed 6 conductive plates with a layer of elastic dielectric 7 between them. Although the electrostatic type converters are very low-power compared to electromagnetic or electrodynamic ones, in the microworld, where the influence of the components of gravitational and frictional forces is significantly lower, the energy of the electric field is sufficient to perform useful work.

Для зажима и удержания микрообъекта на подвижную 5 и неподвижную 6 электропроводниковые пластины, образующие электростатические преобразователи 4, размещенные симметрично по двум сторонам корпуса 2, подается постоянное электрическое напряжение, под действием которого между ними возникает статическое электрическое поле. В результате действия электрического поля между внутренними поверхностями пластин преобразователя возникает тяговое усилие F_тяг, приводящее к перемещению подвижной 5 электропроводниковой пластины и сжатию слоя упругого диэлектрика 7 (фиг.2). Поскольку зажимные пальцы 3 из электроизоляционного материала жестко связаны с подвижными 5 электропроводниковыми пластинами преобразователей, то зажимное усилие, развиваемое микросхватом, составит (F_тяг-F_упр), где F_упр - сила упругости, возникающая при деформации слоя упругого диэлектрика 7, причем жесткость слоя упругого диэлектрика 7 выбирается так, что F_тяг=(2÷4)·F_упр. В качестве материалов с такой жесткостью могут, например, использоваться вещества на основе полиимидов, силиконовой резины, полиэтилентерефталатов, политетрафторэтиленов, политрифторхлорэтиленов и др. Таким образом, подачей постоянного электрического напряжения на электропроводниковые пластины реализуются операции зажима и удержания микрообъекта с чрезвычайно низкими энергетическими затратами. После этого электростатический микросхват, крепящийся основой 1 к микроманипулятору, приводится в движение для позиционирования (перемещения) микрообъекта.To clamp and hold a micro-object, a movable 5 and fixed 6 conductive plates forming electrostatic converters 4 placed symmetrically on two sides of the housing 2 are supplied with a constant electric voltage, under the action of which a static electric field arises between them. As a result of the action of an electric field between the inner surfaces of the plates of the transducer, a pulling force F of the _rods arises, leading to the displacement of the movable 5 conductive plate and the compression of the layer of elastic dielectric 7 (FIG. 2). Because clamping fingers 3 of insulating material rigidly associated with the movable plate 5 elektroprovodnikovymi converters, the clamping force developed mikroskhvatom, amount (F -F _rods _simp) where F _simp - elastic force that occurs when the elastic deformation of the dielectric layer 7, and the stiffness layer elastic dielectric 7 is selected so that F _rods = (2 ÷ 4) · F _exercise . As materials with such rigidity, for example, substances based on polyimides, silicone rubber, polyethylene terephthalates, polytetrafluoroethylene, polytrifluorochloroethylene, etc. can be used. Thus, applying a constant electric voltage to the conductive plates implements the operation of clamping and holding a micro-object with extremely low energy costs. After that, the electrostatic microswitch, fastened by the base 1 to the micromanipulator, is set in motion to position (move) the micro-object.

Для выпускания микрообъектов постоянное электрическое напряжение отключается и посредством заземления снимается статическое электрическое поле между электропроводниковыми пластинами 5 и 6, что приводит к раскрытию микросхвата (разжиму зажимных пальцев 3 из электроизоляционного материала) под действием силы упругости слоя упругого диэлектрика 7, и микрообъект падает под действием гравитационных сил. Таким образом, отключением постоянного электрического напряжения и посредством заземления реализуется операция выпускания микрообъекта.To release microobjects, the constant electric voltage is disconnected and a static electric field between the conductive plates 5 and 6 is removed by grounding, which leads to the disclosure of the micro-gripper (expanding the clamping fingers 3 from the insulating material) under the action of the elastic force of the elastic dielectric layer 7, and the microobject falls under the influence of gravitational forces. Thus, by disconnecting a constant electric voltage and by grounding, the operation of releasing a micro-object is realized.

Итак, заявляемое изобретение имеет простую конструкцию, чрезвычайно низкое энергопотребление и миниатюрные массовые и габаритные показатели.So, the claimed invention has a simple design, extremely low power consumption and miniature mass and overall performance.

Claims

An electrostatic micro-grip comprising a base, a housing, clamping fingers, an actuator, characterized in that the actuator is made in the form of two electrostatic converters mounted symmetrically at two opposite ends of the housing, and each of them contains two electrically conductive plane-parallel plates with a layer of elastic dielectric between them, one of the plates is fixed, and the other is movable, on which the clamping pin is fixed.