Микроманипулятор

 

Использование: в биотехнологии и робототехнике. Пьезоэлектрический (электрострикционный) элемент 8 имеет инерционный элемент 7, смонтированный на его конце, и присоединяется к перемещающему элементу 2, опирающемуся на фрикционную поверхность опорного элемента 1. К перемещающему элементу 2 присоединяется миниатюрный инструмент 4 для осуществления манипуляций. Прикладывая электрическое поле к пьезоэлектрическому (электрострикционному) элементу, управляют миниатюрным инструментом с целью осуществления точного перемещения путем использования кинетической энергии, инерционного эффекта инерционного элемента и силы реакции, воздействующей на перемешивающий элемент. Миниатюрный инструмент для манипуляции может управляться таким образом, что он принимает заранее заданное положение и заранее заданную высоту при помощи устройства микропозиционирования, имеющего шарнирную часть, в которой инерционный элемент присоединяется к рычагу через пьезоэлектрический (электрострикционный ) элемент. 1 з.п.ф-лы, 20 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (АР (21) 4742752/08 (22) 22.12.89 (46) 23.06.93. Бюл. N- 23 (31) 63-333739; 01-087287 (32) 28.12.88; 06.04.89 (33) JP (71) Прима МИТ Пекерс, Лтд, (JP) (72) Тосиро Хигути, Кен-Ити Кудох и Атсуси

Миматсу (J P) (56) Заявка Японии N. 63 — 299 785, кл. Н 02 N 2/00. 1988. (54) МИКРОМАНИПУЛЯТОР (57) Использование: в биотехнологии и .робототехнике. Пьезоэлектрический (электрострикционный) элемент 8 имеет инерционный элемент 7, смонтированный на его конце, и присоединяется к перемещающему элементу 2. опирающемуся на фрикционную поверхность опорного элемента 1.. Ж 1823806 А3 (яи В 25 J 7/00, Н 02 N 2/00 Н 01 1 41/08

К перемещающему элементу 2 присоединяется миниатюрный инструмент 4 для осуществления манипуляций. Прикладывая электрическое поле к пьезоэлектрическому (электрострикционному) элементу, управляют миниатюрным инструментом с целью осуществления точного перемещения путем использования кинетической энергии, инерционного эффекта инерционного элемента и силы реакции, воздействующей на перемешивающий элемент. Миниатюрный инструмент для манипуляции может управляться таким образом, что он принимает заранее заданное положение и заранее заданную высоту при помощи устройства микропозиционирования, имеющего шарнирную часть, в которой инерционный элемент присоединяется к рычагу через пьезоэлектрический (электрострикционный) элемент. 1 з.п.ф-лы, 20 ил.

1823806

Изобретение касается устройства привода для микроперемещений объектов и может быть использовано в биотехнологии для позиционирования миниатюрного инструмента, а также в робототехнике. 5

Целью изобретения является повышение компактности и упрощение конструкции микроманипулятора.

На фиг.1 показан микроманипулятор для биотехнологии (с инструментом) в изометрии, первый вариант; нэ фиг.2 — второй вариант микроманипулятора, вид сверху, (также с инструментом); на фиг.3 — сечение

А — А на фиг.2; на фиг.4 — сечение Б — Б нэ фиг.2; на фиг.5 — третий вариант микроманипулятора, в изометрии; на фиг.6- сечение

В-В на фиг.5; на фиг,7 — четвертый вариант микроманипулятора, в иэометрии; на фиг.8 — сечение Г-Г на фиг.7; нэ фиг.9 — пятый вариант микроманипулятора, в изометрии; 20 на фиг.10- сечение Д-Д на фиг.9; на фиг,11 — шестой вариант микроманипулятора, вид сбоку; на фиг.12 — микроманипулятор по фиг,11, вид спереди; на фиг.13 — шарнирное устройство микроманипулятора для робото- 25 техники по первому варианту, в изометрии; на фиг.14 — шарнирная часть (no первому варианту) шарнирного устройства, показанного на фиг.13, сечение; на фиг.15- шарнирная часть (по второму варианту) шарнирного 30 устройства, показанного на фиг.13, сечение: на фиг.16 — положение элементов. вырабатывающих усилие микропривода, присоединенных к рычагу шарнирного устройства, показанного на фиг.13, вид сверху; на 35 фиг.17- шарнирное устройство микроманипулятора (по второму варианту) для робототехники, в изометрии; на фиг.18- то же, вид сверху; на фиг,19 — схема многошэрнирного устройства микромайипуляторэ для робото- 40 техники; на фиг.20 — часть многошэрнирного устройства, показанного на фиг.19, в изометрии.

Как показано на фиг.1, микроманипулятор по первому варианту (для биотехноло- 45 гии) включает опорный элемент 1 со сквозным отверстием, в котором перемещающий элемент 2 подвижно опирается на фрикционную поверхность 3. Перемещающий элемент 2 имеет периферическую 50 концевую часть, нэ которую легко устанавливается с возможностью демонтажа миниатюрный инструмент 4 для манипуляции, причем он закрепляется при помощи зэжимного приспособления 5. На заднем тор- 55 цовом участке перемещающего элемента 2 имеется элемент 6, который вырабатывает усилие микроприводэ. Элемент 6 состоит иэ инерционного элемента 7, связанного с задним торцовым участком перемещающего элемента 2, и из пьезоэлектрического (электрострикционного) элемента 8. Фрикционная поверхность 3 выполнена из металла, керамики, смолы, резины или подобного материала. Электрическое поле прикладывается к пьезоэлектрическому (электрострикционному) элементу 8. Тем самым перемещающий элемент 2 подвергается микроперемещению путем использования кинематической энергии от инерционного воздействия инерционного элемента 7 и силы реакции, воздействующих на перемещающий элемент 2. В результате этого объект обрабатывается при помощи миниатюрного инструмента 4, прикрепленного к перемещающему элементу 2, Величина перемещений элемента 2 регулируется изменением напряжения, прикладываемого к пьезоэлектрическому (электрострикционному) элементу 8. Тем самым грубые и точные перемещения могут быть достигнуты при помощи единственного элемента 6.

Как показано на фиг. 2-4, опорный элемент 9 содержит две пластины, расположенные одна над другой. Эти пластины упруго собраны вместе при помощи четырех болтов

10, каждый из которых имеет спиральную пружину 11, зафиксированную на одном конце при помощи установочного винта 12.

Таким образом, в центральной части собранного опорного элемента 9 образуется цилиндрическое сквозное отверстие, а цилиндрический перемещающий элемент 13 располагается внутри этого сквозного отверстия. Перемещающий элемент 13 подвижно опирается на фрикционную поверхность 14 сквозного отверстия. К периферическому торцовому участку перемещэюшего элемента 13 при помощи зажимного приспособления 15 крепится миниатюрный инструмент 16 для выполнения манипуляции. Задняя торцовая часть перемещающего элемента 13 имеет элемент 17, вырабатывзющий усилие микропривода, т.е. инерционный элемент 18 связан с задней торцовой астью перемещающего элемента 13 через пьезоэлектрический (электрострикционный) элемент 19, Отличительной особенностью данного варианта является то, что длина контактной части между перемещающим элементов 13 и фрикционной поверхностью 14 меньше, чем длина опорного элемента 9. Элемент

17, вырабатывающий усилие микропривода, устанавливается внутри опорного элемента

9, причем элемент 9 делится на верхнюю и нижнюю половины, Верхняя половина имеет спиральные пружины 11. с помощью которых можно регулировать усилие трения.

1823806

В соответствии с вариантом, показанным на фиг, 5,6. опорный элемент 20 содержит постоянный магнит. верхняя поверхность которого имеет фрикционную поверхность 21, содержащую также постоянный магнит и имеющую треугольный желобок. Перемещающий элемент 22, содержащий магнитное тело с прямоугольным поперечным сечением, располагается на фрикциоонной поверхности 21, Перемещающий элемент 22 удерживается в тесном контакте с фрикционной поверхностью 21 при помощи силы магнитного притяжения и опирается на опорный элемент 20. Перемещающий элемент 22 имеет периферическую торцовую часть, к которой при помощи зажимного приспособления 23 крепится с возможностью демонтажа миниатюрный инструмент 24 для осуществления манипуляции, Перемещающий элемент 22 также имеет заднюю торцовую часть с элементом

25, который вырабатывает усилие микропривода, т,е. инерционный элемент 26 связан с задней торцовой частью перемещающего элемента 22 через пьезоэлектрический (электрострикционный) элемент 27. В результате воздействия силы привода, создаваемой пьезоэлектрическим (электрострикционным) элементом 26, перемещающий элемент 22 получает возможность преодолевать силу трения фрикционной поверхности 21, которая возникает от силы магнитного притяжения.

Данный вариант делает возможным получение очень простого опорного средства для перемещающего элемента.

Также возможно использовать устройство, в котором как перемещающий элемент

22, так и опорный элемент 20 являются постоянными магнитами и притягиваются друг к другу.

В варианте, показанном на фиг,7,8, верхняя поверхность опорного элемента 28 имеет фрикционную поверхность 29, в которой выполнен желобок в форме полукруглого цилиндра. Перемещающий элемент 30 с круглым поперечным сечением помещается на фрикционную поверхность 29. Перемещающий элемент 30 с усилием удерживается при помощи свободных концов листовых пружин 31, основания которых крепятся к обеим сторонам верхней поверхности опорного элемента 28 при помощи крепежного приспособления 32. Таким образом. перемещающий элемент 30 упруго поддерживается на опорном элементе 28.

Перемещающий элемент 30 установлен с возможностью перемещения на фрикционной поверхности 29. К передней торцовой части перемещающего элемента 30 при

50 помощи зэжимного приспособления 33 крепится с возможностью демонтажа миниатюрный инструмент 34 для осуществления манипуляции. Задняя торцовая часть перемещающего элемента 30 имеет элемент 35, вырабатывающий усилие микропривода. т.е. инерционный элемент 36 связан с задней торцовой частью перемещающего элемента 30 через пьезоэлектрический (электрострикционный) элемент 37. Сила трения может регулироваться в зависимости от количества листовых пружин 31 и упругой силы, развиваемой листовыми пружинами 31. Путем регулировки силы упругости листовых пружин 31 может быть получена точная величина силы трения.

Данный вариант обеспечивает получение очень простого опорного средства для перемещающего элемента.

В варианте, показанном на фиг.9,10, верхняя поверхность опорного элемента 38 имеет фрикционную поверхность 39, в которой выполнен желобок в форме треугольника. Перемещающий элемент 40 имеет треугольное поперечное сечение, соответствующее фрикционной поверхности 39, взаимодействующей с ним. На верхней поверхности опорного элемента 38 сконструирована рама 41, удерживающая толкатели

42. Толкатели оказывают осевое давление по трем поверхностям перемещающего элемента 40 посредством силы, развиваемой спиральными пружинами 43, навитыми на них, Тем самым осуществляется поддержка опорного элемента 40, K передней торцовой части перемещающего элемента 40 при помощи зажимного приспособления 44 крепится легко устанавливаемый миниатюрный инструмент 45 для осуществления манипуляции. Задняя торцовая часть перемещающего элемента 40 имеет элемент 46, вырабатывающий усилие микропривода, т.е, инерционный элемент 47 связан с задней торцовой частью, перемещающего элемента 40 через пьезоэлектрический (электрострикционный) элемент 48. Фрикциончое усилие может регулироваться в зависимости от количества спиральных пружин 43 и величины силы упругости этих пружин.

Таким образом, в описанных выше вариантах опоры перемещающего элемента сконструированы с использованием опорного элемента 38 открытого типа.

В вариантах, показанных на фиг.11 и 12, вращаемый рычаг 49, поддерживающий перемещающий элемент 50, соединяется с шарнирным рычагом 51, который имеет кратное число степеней свободы, и снабжен спиральной пружиной 52, намотанной на

1823806

55 него. Вращаемый рычаг 49 осуществляет вращательное движение вокруг вращающегося вала 53, который удерживается фрикционной силой, использующей упругую силу спиральной пружины 52. Шарнирный рычаг 51, имеющий кратное число степеней свободы. снабжен сферическим телом 54 в нижней части. Сферическое тело 54 находится в тесном контакте с основанием 55 через фрикционную поверхность 56 и удерживается нв ней при помощи этой фрикционной силы. Аналогично показанному на фиг.3,4, вращаемый рычаг 49 по фиг.11, 12 также содержит две пластины, расположенные одна над другой, причем эти пластины упруго взаимосвязаны при помощи спиральных пружин, навитых вокруг болтов 57 и жестко закрепленных на одном конце. а имеющий цилиндрическую форму перемещающий элемент 50 установлен в центральной части между этими пластинами.

Аналогично показанному на фиг.3,4, задняя торцовая часть перемещающего элемента

50 имеет средство, вырабатывающее усилие микропривода, содержащее пьезоэлектрический (электрострикционный) элемент и инерционный элемент связанный с задней торцовой частью через пьезоэлектрический (электрострикционный) элемент. Эти компоненты могут быть установлены внутри опорного элемента.

Элемент 58, вырабатывающий усилие микропривода, устанавливается на вращаемом рычаге 49 и на шарнирном рычаге 51, который имеет кратное число. степеней свободы. Элемент 58, вырабатывающий усилие микроприводг, присоединяемый к шарнирному рычагу 51 ° находится в смещенном относительно центральной оси рычага 51 положении.

Путем приложения электрического поля к пьезоэлектрическому (электрострикционному) элементу 59 элемента 58, вырабатывающего усилие микропривода для осуществления перемещения, вращаемый рычаг 49 и шарнирный рычаг 51, который имеет кратное число степеней свободы, производят микроперемещение путем использования кинетической энергии инерционного воздействия элемента 60 и силы реакции или фрикционной силы, воздействующей на перемещающий элемент 50. В результате этого объект обрабатывается миниатюрным инструментом 61, прикрепленным к перемещающему элементу 50. Это делает возможным управление операцией позиционирования между объектом и миниатюрным инструментом 61. В качестве миниатюрного инструмента 61 могут быть использованы такие стандартные средства

45 как микропипетка, микроигла или микроНОЖНИЦЫ.

Таким образом, микроманипулятор получается меньше и проще ранее известных микроманипуляторов и может быть эффективно использован в биотехнологии для таких целей, как введение ничтожных количеств материала в клетку, удаление ядер из клетки или введение ядер в клетку путем использования миниатюрного инструмента для манипуляции.

Более того, механизм позиционирования может быть использован в качестве механизма привода устройства точного позиционирования, такого, например, как рабочая рука робота.

Как показано на фиг. 13-16, рычаг 62 имеет прямоугольное поперечное сечение и включает шарнирную часть 63. Аналогично показанному на фиг.14. последняя содержит сферическое тело 64 и опорный элемент

65 с вогнутой поверхностью 66, на которой располагается сферическое тело 64, Пружина 67, которая передает фрикционное усилие к сферическому телу 64, находится внутри шарнирной части 63 и заставляет сферическое тело 64 перемещаться посредством седла пружины 68. Упругая сила пружины 67 может легко регулироваться при помощи винта 69. Соответственно, фрикционное усилие сферического тела 64 может легко регулироваться. Можно создать устройство, в котором электромагнитная сила или электростатическая сила используются для управления фрикционной силой, Как показано на фиг,15, коническая поверхность 70 может быть сформирована вместо вогнутой поверхности 66, и сферическое тело 64 может входить с нею в контакт, чтобы образовать фрикционную пару. Другими словами, конструкция шарнирной части 63 может быть такой, что ее фрикционная поверхность обеспечивает трение в диапазоне 360 .

В этом варианте исполнения элемент

71, вырабатывающий усилие микропривода, содержит пьезоэлектрический (электрострикционный) элемент 72 (см.фиг.16) и инерционный элемент 73, который присоединяется горизонтально к рычагу 62. Как показано на фиг.16, элемент 71, вырабатывающий усилие микропривода, подключается к каждой иэ четырех боковых поверхностей рычага 62 и устанавливается в смещенном положении по отношению к центральной оси рычага 62.

Шарнирное устройство по фиг.16 работает следующим образом.

Сначала, когда движение в направлении "+" прикладывается к зле ленту 74. вы1823806

10 рабатывающему усилие микропривода. и то же самое количество движения в направлении "-" прикладывается к элементу 75, вырабатывающему усилие микропривода, рычаг 62 развивает движущую силу в направлении стрелки "У", в результате чего рычаг 62 опрокидывается в "Y"-направлении, Когда движение в направлении "+" прикладывается к элементу 76, вырабатывающему усилие микропривода. и то же самое количество движения в направлении "-" прикладывается к элементу 77, вырабатывающему усилие микропривода, рычаг 62 развивает движущую силу в направлении стрелки "Х", в результате чего рычаг 62 опрокидывается в "Х"-направлении.

Затем, когда движение в направлении

"+" прикладывается к каждому из элементов

74 и 75, вырабатывающих усилие микропривода, рычаг 62 развивает движущую силу в направлении стрелки Q, в результате чего рычаг 62 поворачивается в О-направлении.

Далее, если движение в направлении "+" прикладывается к каждому из элементов 76 и 77, вырабатывающих усилие микропривода, то будет осуществляться то же самое поворотное движение.

Вышеизложенное является основой работы. Рычаг может управляться таким образом, чтобы он имел любое направление или угол поворота путем должного выбора положений, при которых подключаются элементы, вырабатывающие усилие микропривода.

Вместо рычага 62, имеющего прямоугольную форМу, может быть использован рычаг 78, имеющий треугольное поперечное сечение, как это показано на фиг,17, 18. с . элементом 71, вырабатывающим усилие микропривода, присоединенным к каждой из трех боковых поверхностей рычага 78, В этом случае элементы 71, вырабатывающие усилие микропривода, устанавливаются в .положениях, при которых они смещены от центра по отношению к центральной оси рыча-.а 78.

Как показано на фиг.19. 20, шарнирное устройство может быть сконструировано в виде многошарнирного устройства, разделенного на два каскада.

В данном случае рычаг 62 обладает такой поддержкой, что он имеет возможность опрокидывания или поворота свободно в

5 l0

50 каждой точке шарнирной части 63, а свободный конец рычага 62 снабжен множеством присоединенных к нему элементов 71, вы рабатывающих усилие микроприводов. В результате этого может быть реализовано точное шарнирное перемещение рычага 62 вокруг шарнирной части 63, к которой прикладывается фрикционное усилие. Элемент

71, вырабатывающий усилие микропривода, присоединяется к каждой иэ четырех сторон рычага 62, и напряжение, в соответствии с заранее заданной последовательностью, прикладывается от усилителей привода 79 к пьезоэлектрическим (электрострикционным) элементам 72 для приведения их вдействие. Тем самым осуществляется микроуправление рычагами 62. Сигналы управления, выдаваемые компьютером 80, подаются к усилителям привода 79 через аналого-цифровые преобразователи 81.

В результате этого большое разнообразие перемещений может быть быстро и точ- но реализовано в микроманипуляторе или подобном устройстве, что способствует увеличению эффективности работы.

Формула изобретения

1. Микроманипулятор, содержащий зафиксированный опорный элемент, установленный на его фрикционной поверхности перемещающий элемент, элемент, вырабатывающий усилие микропривода, который использует ударную силу, и прикрепленный к перемещающему элементу, а также миниатюрный инструмент для манипуляции, закрепленный на перемещающем элементе, отличающийся тем, что, с целью повышения компактности и упрощения конструкции. элемент, вырабатывающий усилие микропривода. размещен внутри опорного элемента.

2. Микроманипулятор по п.1, о т л и ч аю шийся тем, что, он содержит рычаги, шарнирно связанные между собой, причем один рычаг шарнирно связан с опорным элементом и на нем расположен элемент, вырабатывающий усилие микропривода, а второй рычаг связан с инструментом и на нем также расположен элемент, вырабатывающий усилие микропривода. приоритет по пунктам:

28.12,88 — по п.2, 06.04.89 — по п.1.

1823806

Фиг. $

B-в

Фиг. б

Фиг.5

ГГ

18

Уя М 777 Фигз

Q

1l

Я

182380б

ФОР Я

72

Фиа17

N б б8 бУ

1823806

Фиг. 16

Еиа. 1В

1823806

V8.

Редактор Г.Бельская

Заказ 2189 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Составитель С.Новик

Техред М.Моргентал

Фиг. 20

Корректор М.Петрова