Капиллярный микрозахват с обратной связью

Изобретение относится к микроробототехнике и может быть использовано в исполнительных устройствах роботов при манипулировании микрообъектами сложных конфигураций, которые во влажном состоянии являются проводниками. Капиллярный микрозахват с обратной связью содержит основание, крепежное приспособление. Основание выполнено из электроизоляционного материала с высокой теплопроводностью, на которое с рабочей поверхности в сеточном порядке установлены конденсаторы влаги, выполненные в виде термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье. Между конденсаторами влаги в решетчатом порядке размещены электропроводниковые пластины. По контуру основания установлены электроды. Изобретение позволит расширить функциональные возможности, связанные с манипулированием микрообъектами сложных конфигураций. 3 ил.

 

Изобретение относится к области микроробототехники и может быть использовано в исполнительных устройствах роботов при манипулировании микрообъектами сложных конфигураций, которые во влажном состоянии являются проводниками.

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].

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.

Также известен пьезоэлектрический манипулятор, выполненный в виде основы схвата, тяг, скоб и винта. Пьезоэлектрический привод выполнен в виде плоских пьезоэлектрических элементов. Магнитопроводящая шаровая основа соединена с основой схвата. К основе одними концами жестко прикреплены плоские пьезоэлектрические элементы. С вторыми концами этих элементов соединены посредством скоб с возможностью скольжения вдоль пьезопривода тяги. Тяги прикреплены к основе схвата при помощи винта [патент РФ №2172239, кл. B 25 J 7/00, 2001].

Поскольку у данного устройства отсутствуют средства силового очувствления, возможны случайные деформации и разрушения структуры микрообъектов при их захвате. Другим недостатком манипулятора является сложность захвата и удержания микрообъектов, имеющих сложную конфигурацию.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является вакуумное захватное устройство, содержащее пневмоприсоску и собственный источник вакуума, выполненный в виде пневматического пьезонасоса, состоящего из деформируемого элемента, который выполнен в виде силового пьезокристалла, и эластичного элемента конструкции, который выполнен в виде цилиндра из эластичного материала, при этом основная полость пневматического пьезонасоса разделена с внешней полостью пневматического пьезонасоса и полостью пневмоприсоски, соответственно, первым и вторым клапаном, которые представляют собой первый и второй распределительные пьезокристаллы. Деталь плотно прилегает к пневмоприсоске [патент РФ №2210493, кл. B 25 J 15/00, B 25 J 7/00, 2003].

Существенным недостатком прототипа является возможность работы только с плоскими деталями. Кроме того, следует отметить конструктивную сложность рассматриваемого устройства.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей, связанное с манипулированием микрообъектами сложных конфигураций, введением канала обратной связи и в то же время с сохранением миниатюрности массогабаритных характеристик.

Обратная связь в заявляемом изобретении обеспечивается благодаря предложенным конструктивным решениям - конденсаторам влаги, электропроводниковым пластинам и электродам.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в капиллярном микрозахвате с обратной связью, содержащем основание, крепежное приспособление, в отличие от прототипа, основание выполнено из электроизоляционного материала с высокой теплопроводностью, на которое с рабочей поверхности в сеточном порядке установлены конденсаторы влаги, выполненные в виде термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье, между конденсаторами влаги в решетчатом порядке размещены электропроводниковые пластины, а по контуру основания установлены электроды.

На фиг.1 представлена конструкция капиллярного микрозахвата с обратной связью; на фиг.2 - силы поверхностного натяжения между сферическим микрообъектом и основанием; на фиг.3 - графики масштабов гравитационных и капиллярных сил при манипулировании сферическими микрообъектами из различных материалов, график слева - в качестве материала используется железо, справа - медь.

Капиллярный микрозахват с обратной связью (фиг.1) содержит основание 1, крепежное приспособление 2, причем основание выполнено из электроизоляционного материала с высокой теплопроводностью, на которое с рабочей поверхности в сеточном порядке установлены конденсаторы влаги 3, выполненные в виде термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье, между конденсаторами влаги в решетчатом порядке размещены электропроводниковые пластины 4, по контуру основания 1 установлены электроды 5.

Капиллярный микрозахват с обратной связью работает следующим образом.

Принцип работы устройства основан на эффектах поверхностного натяжения (капиллярных силах), когда жидкость между двумя поверхностями создает адгезионную силу, приводящую к сцеплению поверхностей. Природа этих сил определяется межмолекулярными взаимодействиями и структурой поверхностного слоя. К примеру, для сферического микрообъекта и основания (фиг.2) силы поверхностного натяжения можно записать следующим образом [Arai F., Andou D., Fukuda Т., Nonoda Y., Oota Т., "Micro manipulation based on micro physics-strategy based on attractive force reduction and stress measurement", IEEE/RSJ Conf. on Intell. Robots and Systems IROS '95, vol.2: 236-241, 1995, Pittsburgh, USA]:

где γ - тензор натяжений. Гравитационное поле практически не оказывает воздействия на силы поверхностного натяжения. Если радиус кривизны поверхности много больше эффективной толщины поверхностного слоя, поверхностное натяжение практически не зависит от формы поверхности. В соответствии с графиками на фиг.3, величины сил поверхностного натяжения являются достаточными, чтобы их можно было использовать при манипулировании микрообъектами различных конфигураций с размерами в диаметре до одного миллиметра.

В капиллярном микрозахвате с обратной связью в качестве жидкости, создающей силу сцепления, используется конденсат, который образуется на поверхности конденсаторов влаги 3, выполненных в виде термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье. При этом для образования конденсата достаточно, чтобы температура поверхностей конденсаторов влаги 3, граничащих с воздухом, опустилась ниже точки росы. Например, если температура воздуха 20°С, относительная влажность воздуха 50%, а температура поверхности 9°С, то в этом случае наступает точка росы, и влага конденсируется на поверхность.

Работа капиллярного микрозахвата с обратной связью начинается с того, что на каждый из конденсаторов влаги 3, выполненных в виде термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье, подается слабое электрическое напряжение, что вызывает их охлаждение. При этом избыток тепла, выделяющийся конденсаторами влаги 3, рассеивается основанием 1, выполненным из электроизоляционного материала с высокой теплопроводностью. С наступлением точки росы, на конденсаторах влаги 3 и рабочей поверхности основания 1 конденсируется влага. В то же время на электродах 5 присутствует электрическое напряжение. Конденсирующаяся влага, электропроводниковые пластины 4 и электроды 5 образуют электрическую цепь, при прохождении по которой электрического тока формируется сигнал обратной связи о том, что на рабочей поверхности основания 1 образовался конденсат, достаточный для захвата микрообъектов. После этого капиллярный микрозахват с обратной связью, крепящийся посредством крепежного приспособления 2 к микроманипулятору, приводится в движение для захвата объектов любых форм и конфигураций.

Для выпускания микрообъектов используется похожий принцип. Микрообъекты, являющиеся во влажном состоянии проводниками, нагреваются пропусканием через них электрического тока. Теперь электрическая цепь образуются уже конденсатом, электропроводниковыми пластинами 4, микрообъектом и электродами 5. При прохождении электрического тока через микрообъекты и электропроводниковые пластины 4 в тех и других выделяется тепловая энергия, которая приводит к разогреву и испарению влаги, приводящей к сцеплению поверхностей. С уменьшением влажности величина протекающего тока и количество выделяющегося тепла самопроизвольно снижаются, контроль за процессом испарения осуществляется по сигналу обратной связи - величине протекающего в цепи тока. Через определенный промежуток времени, в зависимости от приложенного напряжения, микрообъект падает под действием гравитационных сил.

Итак, заявляемое изобретение позволяет провести расширение функциональных возможностей, связанное с манипулированием микрообъектами сложных конфигураций, введением канала обратной связи и в то же время с сохранением миниатюрности массогабаритных характеристик.

Капиллярный микрозахват с обратной связью, содержащий основание, крепежное приспособление, отличающийся тем, что основание выполнено из электроизоляционного материала с высокой теплопроводностью, на которое с рабочей поверхности в сеточном порядке установлены конденсаторы влаги, выполненные в виде термоэлектрических модулей на основе эффекта Пельтье, между конденсаторами влаги в решетчатом порядке размещены электропроводниковые пластины, а по контуру основания установлены электроды.