Электростатический микросхват

Электростатический микросхват

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области микроробототехники и может быть использовано в исполнительных устройствах микроманипуляторов.

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, МПК B25J 15/00, опубл. 10.09.1995].

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.

Известен пьзоэлектрический схват пьезоэлектрического манипулятора [патент РФ №2172239, МПК B25J 7/00, опубл. 20.08.2001]. 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 данного устройства можно отнести относительную конструктивную сложность, а также неудовлетворительные массовые и габаритные характеристики (натурный образец в длине составляет около 100 мм, ширине - 30 мм).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является электростатический микросхват, содержащий основу, корпус, зажимные пальцы из электроизоляционного материала, приводы, выполненные в виде электростатических преобразователей, содержащих подвижную и неподвижную электропроводниковые плоскопараллельные пластины со слоем упругого диэлектрика между ними [патент РФ №2266190, МПК. B25J 7/00, опубл. 20.11.2005, БИ №35].

Основным недостатком прототипа является отсутствие возможности регулирования величины отклонения зажимных пальцев при реализации операций захвата-выпускания микрообъектов - микросхватом обеспечивается только два возможных крайних положения зажимных пальцев - они либо сведены, либо разомкнуты. Этот недостаток ограничивает функциональные характеристики прототипа, позволяя использовать его только для «грубых» микроманипуляционных операций.

Задача, решаемая изобретением, заключается в расширении функциональных характеристик за счет обеспечения возможности регулирования величины отклонения зажимных пальцев в большем диапазоне.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в электростатическом микросхвате, содержащем основу, корпус, зажимные пальцы, приводы в виде электростатических преобразователей, каждый из которых содержит две электропроводниковые плоскопараллельные пластины со слоем упругого диэлектрика между ними, в отличие от прототипа каждый привод выполнен в виде ряда электростатических преобразователей, образованных внутренней, промежуточными и внешней электропроводниковыми плоскопараллельными пластинами, причем первый электростатический преобразователь в ряду образован внутренней и промежуточной пластинами, серединные - промежуточными пластинами, а последний в ряду - промежуточной и внешней пластинами, причем внутренняя пластина выполнена неподвижной, промежуточные и внешняя - подвижными и к внешней пластине закреплен зажимный палец схвата.

На фиг.1 представлена конструкция электростатического микросхвата; на фиг.2 - частичное сжатие пальцев микросхвата; на фиг.3 - полное сжатие пальцев микросхвата.

Электростатический микросхват (фиг.1) содержит основу 1, корпус 2, зажимные пальцы 3, приводы 4 в виде электростатических преобразователей, каждый из которых содержит две электропроводниковые плоскопараллельные пластины со слоем упругого диэлектрика 5 между ними, при этом каждый привод выполнен в виде ряда электростатических преобразователей, образованных внутренней 6, промежуточными 7 и внешней 8 электропроводниковыми плоскопараллельными пластинами, причем первый электростатический преобразователь в ряду образован внутренней и промежуточной пластинами, серединные - промежуточными пластинами, а последний в ряду - промежуточной и внешней пластинами, причем внутренняя пластина выполнена неподвижной, промежуточные и внешняя - подвижными и к внешней пластине закреплен зажимный палец 3 схвата.

Работа электростатического микросхвата основана на использовании энергии электрического поля в электростатических преобразователях, образованных двумя плоскопараллельными пластинами. Хотя преобразователи электростатического типа очень маломощны по сравнению с электромагнитными или электродинамическими, в условиях микромасштабов, когда влияние составляющих гравитационных и фрикционных сил существенно ниже, энергия электрического поля достаточна для совершения полезной работы.

Для перемещения пальцев схвата и захвата микрообъектов на соседние электропроводниковые пластины подается постоянное электрическое напряжение, под действием которого между ними возникает статическое электрическое поле. В результате действия электрического поля между внутренними поверхностями пластин возникает тяговое усилие F_тяг, приводящее к перемещению подвижной электропроводниковой пластины и сжатию слоя упругого диэлектрика 5. Усилие F, развиваемое в одном электростатическим преобразователе, образованном двумя пластинами, составит F=(F_тяг-F_упр), где F_упр - сила упругости, возникающая при деформации слоя упругого диэлектрика 5, причем жесткость слоя упругого диэлектрика 5 выбирается так, что F_тяг=(2÷4)·F_упр. В качестве материалов с такой жесткостью могут, например, использоваться вещества на основе полиамидов, 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.

Для обратного перемещения пальцев схвата и выпускания микрообъектов постоянное электрическое напряжение отключается и посредством заземления снимается статическое электрическое поле между соседними электропроводниковыми пластинами, что приводит к перемещению подвижной электропроводниковой пластины в обратном направлении под действием силы упругости слоя упругого диэлектрика. Таким образом, отключением постоянного электрического напряжения и посредством заземления реализуется операция выпускания микрообъекта.

В качестве примера на фиг.2 показано частичное сжатие пальцев микросхвата (электрическое напряжение подается на одну из промежуточных и внешнюю пластины приводов), на фиг.3 - полное сжатие пальцев микросхвата (электрическое напряжение подается на все пластины).

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные характеристики микросхвата за счет обеспечения возможности регулирования величины отклонения зажимных пальцев в большем диапазоне.

Электростатический микросхват, содержащий основу, корпус, зажимные пальцы, приводы, образованные электростатическими преобразователями, каждый из которых содержит две электропроводниковые плоскопараллельные пластины со слоем упругого диэлектрика между ними, отличающийся тем, что каждый привод выполнен в виде ряда электростатических преобразователей, образованного внутренней, промежуточными и внешней электропроводниковыми плоскопараллельными пластинами, причем первый электростатический преобразователь в ряду образован внутренней и промежуточной пластинами, серединные - промежуточными пластинами, а последний в ряду - промежуточной и внешней пластинами, причем внутренняя пластина выполнена неподвижной, промежуточные и внешняя - подвижными, а к внешней пластине закреплен зажимный палец микросхвата.