Электростатический микросхват

Изобретение относится к микроробототехнике. Электростатический микросхват содержит основу, корпус, зажимные пальцы и привод. Привод выполнен в виде двух электростатических преобразователей, установленных симметрично по двум противоположным торцам корпуса. Каждый из преобразователей содержит две электропроводниковые плоскопараллельные пластины со слоем упругого диэлектрика между ними. Одна из пластин выполнена неподвижной, а другая - подвижной, на которой закреплен зажимной палец. Изобретение позволит упростить конструкцию и технологический процесс изготовления и сборки микросхвата, снизить уровень энергопотребления, улучшить массовые и габаритные показатели. 2 ил.

 

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.).

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].

Недостатками данного устройства являются большое число механических передач, определенная конструктивная сложность и неудовлетворительные габаритные и массовые характеристики. Кроме того, устройство имеет относительно высокое энергопотребление.

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.

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.

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).

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.

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.

На фиг.1 представлена конструкция электростатического микросхвата; на фиг.2 - захват микрообъекта электростатическим микросхватом.

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.

Электростатический микросхват работает следующим образом.

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.

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.

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.

Итак, заявляемое изобретение имеет простую конструкцию, чрезвычайно низкое энергопотребление и миниатюрные массовые и габаритные показатели.

Электростатический микросхват, содержащий основу, корпус, зажимные пальцы, привод, отличающийся тем, что привод выполнен в виде двух электростатических преобразователей, установленных симметрично по двум противоположным 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 зажимной палец.