АВТОНОМНОЕ ВАКУУМНОЕ ЗАХВАТНОЕ УСТРОЙСТВО МИКРОРОБОТА Российский патент 2005 года по МПК B25J7/00 B25J15/06 

Изобретение относится к области микроробототехники и предназначено для захвата запыленных, шероховатых, пористых и имеющих сложный рельеф поверхностей (с трещинами, щелями, отверстиями и т.д.). Может быть использовано либо для автоматизированной подачи с помощью микроманипулятора деталей в рабочую зону технологических микромашин без использования дополнительных пневматических блоков, либо в конструкциях мобильных микросистем, автономных от внешних источников вакуума и способных передвигаться по свободно-ориентированным в пространстве поверхностям.

Известен вакуумный захват для удержания, транспортирования и последующей укладки деталей, имеющих плоские или плоские с отверстиями поверхности. Устройство содержит корпус с рабочей полостью, связанной с вакуумным насосом. В рабочей полости расположены пружины, размещенные между направляющими корпуса и направляющими плоского диска, расположенного параллельно плоскости губок и на расстоянии от нее. Упругий элемент может быть выполнен также в виде сильфона, расположенного между корпусом и диском с образованием дополнительной камеры [патент РФ №2043193, кл. B 25 J 15/06, B 25 J 15/00, 1995].

Недостатком данного устройства является функциональное ограничение на захват поверхностей со сложным рельефом, в частности с трещинами, превышающими по длине размеры основания корпуса или плоского диска. Кроме того, следует отметить, что работа рассматриваемого устройства возможна только при наличии внешнего источника вакуума, а это приводит либо к увеличению таких эксплутационных характеристик, как габариты и масса, либо к необходимости использовать дополнительные пневматические линии связи. И то другое, к тому же ограничивает возможность работы вакуумного захвата в составе мобильных микросистем, например в микророботах, передвигающихся по свободно-ориентированным в пространстве поверхностям.

Также известен вакуумный захват для удержания, манипулирования и транспортирования штучных грузов, преимущественно с грубой и шероховатой поверхностью. Вакуумный захват содержит корпус с уплотнительной манжетой, центральную вакуумную камеру и периферийную кольцевую полость, в которой установлены концентрично друг к другу эластичные пленки с фрикционными свойствами, уровень расположения контактных кромок которых находится ниже контактной поверхности уплотнительной манжеты [патент РФ №2035376, кл. В 66 С 1/02, 1995].

Основным недостатком данного устройства является функциональное ограничение на захват деталей, поверхности которых имеют сложный рельеф, в частности с отверстиями, трещинами и т.д. Кроме того, для работы вакуумного захвата также необходим дополнительный пневматический блок в виде источника вакуума, а это связано также с уже описанными выше ограничениями.

К наиболее близкому по технической сущности к заявляемому изобретению можно отнести предназначенное для захвата плоских деталей и поверхностей автономное вакуумное захватное устройство для микроробота, содержащее источник вакуума и систему вакуумного присоса в виде пневмоприсоски. В качестве источника вакуума использован собственный источник вакуума, выполненный в виде пневматического пьезонасоса, состоящего из деформируемого элемента в виде силового пьезокристалла и эластичного элемента конструкции, который выполнен в виде цилиндра из эластичного материала. При этом в основной полости пневматического пьезонасоса установлены клапанные пьезоэлектрические механизмы в виде первого и второго клапанов, которые представляют собой первый и второй распределительные пьезокристаллы, расположенные между основной полостью пневматического пьезонасоса и соответственно внешней полостью пневматического пьезонасоса, то есть атмосферой и полостью пневмоприсоски [патент РФ №2210493, кл. B 25 J 15/06, B 25 J 7/00, 2003].

Главным недостатком прототипа является то, что он не может быть использован для захвата пористых и шероховатых поверхностей, а также поверхностей с трещинами, щелями, отверстиями, выбоинами и т.д. Кроме того, в захватном устройстве система каналов и клапанов источника вакуума непосредственно взаимодействует с окружающей средой. Поэтому если поверхность базирования является агрессивной или с неблагоприятными условиями, например запыленной, влажной, загрязненной и т.д., то это может негативно сказаться на стабильности работы источника вакуума, в частности, вызывая сбои в работе клапанных механизмов, пневматических каналов, пьезоэлектрических преобразователей и др. К тому же, при использовании прототипа в составе мобильной микросистемы недостаточная площадь соприкосновения между кромками системы вакуумного присоса и поверхностью базирования приводит к относительно малым по величине фрикционным усилиям и, как следствие - низкой надежности удержания микроробота на наклонных и вертикальных поверхностях.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей, связанное с захватом запыленных, пористых, шероховатых и имеющих сложный рельеф поверхностей, например с трещинами, щелями, отверстиями, выбоинами и т.д.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в автономном вакуумном захватном устройстве микроробота, содержащем систему вакуумного присоса, собственный источник вакуума, выполненный в виде пневматического пьезонасоса с двумя клапанными пьезоэлектрическими механизмами, первый из которых связывает основную полость пьезонасоса с атмосферой, в отличие от прототипа, дополнительно содержится камера высокого давления, связанная с основной полостью пьезонасоса вторым клапанным пьезоэлектрическим механизмом, причем основная полость пьезонасоса выполнена в виде полого пьезоэлектрического преобразователя, а система вакуумного присоса образована несколькими рядами пневматических присосок, у каждой из которых на кромках соприкосновения с поверхностью базирования выполнены эластичные манжеты с высокими фрикционными и адгезионными свойствами, причем полости присосок связаны с камерой высокого давления через воздухонепроницаемые упругие мембраны.

На фиг.1 представлена конструкция автономного вакуумного захватного устройства микроробота (фиг.1a - вид спереди, поперечный разрез; фиг.1б - вид сбоку); на фиг.2а и фиг.2б - соответственно вид сверху и снизу автономного вакуумного захватного устройства микроробота; на фиг.3 - последовательность управляющих импульсов, подаваемых на клапанные пьезоэлектрические механизмы и пьезоэлектрический преобразователь полой цилиндрической формы; на фиг.4 - пьезоэлектрический преобразователь полой цилиндрической формы, работающий на растяжение-сжатие; на фиг.5 - автономное вакуумное захватное устройство в работе.

Автономное вакуумное захватное устройство микроробота (фиг.1 и фиг.2) содержит собственный источник вакуума, выполненный в виде пневматического пьезонасоса 1, камеру высокого давления 2, систему вакуумного присоса 3, первый 4 и второй 5 клапанные пьезоэлектрические механизмы, связывающие основную полость 6 пьезонасоса 1 соответственно с атмосферой через канал 7 и с камерой высокого давления 2 через канал 8. Основная полость 6 пневматического пьезонасоса 1 выполнена в виде пьезоэлектрического преобразователя 9 полой цилиндрической формы, а система вакуумного присоса 3 образована несколькими рядами пневматических присосок 10, у каждой из которых на кромках 11 соприкосновения с поверхностью базирования выполнены эластичные манжеты с высокими фрикционными и адгезионными свойствами, причем полости присосок 10 связаны с камерой высокого давления 2 через воздухонепроницаемые упругие мембраны 12.

Автономное вакуумное захватное устройство микроробота работает следующим образом.

Основой реализации захвата, удержания и отцепления от поверхности базирования служит собственный источник вакуума на основе пьезоэлектрических исполнительных устройств, на которые подаются управляющие импульсы, вызывающие такую последовательность деформаций первого 4 и второго 5 клапанных пьезоэлектрических механизмов, а также пьезоэлектрического преобразователя 9 полой цилиндрической формы, что в полостях присосок 10 через систему пневматической связи, образованной камерой 2 высокого давления и воздухонепроницаемыми упругими мембранами 12, создается либо разрежение, при котором происходит захват и удержание, либо избыточное давление, при котором происходит отцепление от поверхности базирования.

Для начала рассмотрим принцип работы собственного источника вакуума захватного устройства.

Прямоугольные управляющие импульсы U₁, U₂, U₃ (фиг.3) подаются соответственно на первый 4 и второй 5 клапанные пьезоэлектрические механизмы, а также на пьезоэлектрический преобразователь 9 полой цилиндрической формы. Под действием высокого и низкого уровней сигналов клапанные пьезоэлектрические механизмы соответственно либо связывают, либо перекрывают первым 4 механизмом канал 7, связывающий основную полость 6 пьезонасоса 1 с атмосферой, и вторым 5 механизмом канал 8, связывающий основную полость 6 пьезонасоса с камерой высокого давления 2. А пьезоэлектрический преобразователь 9 полой цилиндрической формы деформируется, изменяя свою высоту (фиг.4): при подаче напряжений удлиняется (растягивается), при снятии укорачивается (сжимается) со значительными тяговыми усилиями.

Рассмотрим основные этапы нагнетания пьезонасосом 1 сжатого воздуха в камеру 2 высокого давления. В начальный момент времени в основной полости 6 пьезонасоса 1 и камере 2 установлено атмосферное давление, клапанные пьезоэлектрические механизмы 4 и 5 перекрывают каналы 7 и 8, а пьезоэлектрический преобразователь 9 полой цилиндрической формы находится в состоянии деформации растяжения (фиг.5а). В момент времени t₁ снимается высокий уровень сигнала U₂, что приводит к открытию второго 5 пьезоэлектрического клапанного механизма (фиг.5б). В момент времени t₂ снимается импульс U₃ с пьезоэлектрического преобразователя 9 полой цилиндрической формы, что вызывает его деформацию сжатия, а это, в свою очередь, создает в основной полости 6 пьезонасоса 1 и камере 2 избыточное давление (фиг.5в). В момент времени t₃ подается напряжение U₂ на второй 5 пьезоэлектрический клапанный механизм, что приводит к перекрытию канала 8 (фиг.5г). В момент времени t₄ снятием импульса U₁ давление в основной полости 6 пьезонасоса 1 выравнивается с атмосферным, а давление в камере 2 остается повышенным, поскольку канал 8 перекрыт (фиг.5д). В момент времени t₅ сигналом U₃ пьезоэлектрический преобразователь 9 полой цилиндрической формы вновь переводится в состояние деформации растяжения (фиг.5е). В момент t₆ напряжением U₁ перекрывается канал 7. Далее последовательность этапов t₁...t₆ работы пьезонасоса 1 циклически повторяется. С завершением каждого полного цикла давление в камере 2 повышается, поскольку каждый раз в него дополнительно нагнетается сжатый воздух. Таким образом, регулированием общего числа полных циклов можно устанавливать необходимый уровень давления в камере 2. По похожему принципу в камере 2 создается разрежение, которое в зависимости от общего числа полных циклов может быть вплоть до вакуума, а отличия будут связаны только с другой последовательностью открытий-перекрытий каналов 7 и 8.

Далее рассмотрим непосредственно реализацию операций захвата и отцепления от поверхности базирования.

При нагнетании пьезонасосом 1 сжатого воздуха в камеру 2 высокого давления воздухонепроницаемые упругие мембраны 12 подвергаются одновременно деформациям изгиба и растяжения (фиг.5ж), величина которых зависит от уровня давления в камере 2 и модуля упругости материала, из которого выполнены мембраны 12. В таком положении вакуумное захватное устройство ориентируется и прижимается к поверхности базирования. Затем одновременным открытием каналов 7 и 8 в камере 2 высокого давления устанавливается атмосферное давление (фиг.5з), что вызывает, во-первых, мгновенное распрямление мембран 12 под действием сил упругости и, во-вторых, создание разрежения в полостях пневматических присосок 10 и захват поверхности базирования. При этом пыль, имеющаяся на участках соприкосновения поверхности базирования и кромок 11 пневматических присосок 10, со струей воздуха всасывается в полости присосок 10, что в последующем обеспечит лучшую герметизацию на участках соприкосновения. Кроме того, эластичные манжеты на кромках 11 присосок 10 с высокими фрикционными и адгезионными свойствами, выполненные из таких синтетических полимеров, как полиуретан, эластан, пербунан или силикон, обеспечивают герметизацию при контактах с шероховатыми и пористыми поверхностями.

В дальнейшем пьезонасосом 1 для более надежного удержания поверхности базирования в камере 2 создается вакуум, что приводит, во-первых, вновь к деформациям изгиба и растяжения воздухонепроницаемых упругих мембран 12, но уже в противоположенном направлении (фиг.5и) и, во-вторых, как следствие из этого, к еще большему разрежению в полостях пневматических присосок 10, а значит и к большей надежности захвата поверхности базирования. Следует отметить, что в полостях тех присосок, которые окажутся над трещинами, щелями, отверстиями и т.д., установится атмосферное давление, а поскольку пневматическая связь с камерой 2 осуществляется через воздухонепроницаемые мембраны 12, то на работе других присосок, надежно удерживающих поверхность базирования, это никак не скажется.

Наличие воздухонепроницаемых мембран 12 изолирует систему каналов и клапанов пьезонасоса 1 от взаимодействия с окружающей средой. Поэтому если поверхность базирования является агрессивной или с неблагоприятными условиями, например запыленной, влажной, загрязненной и т.д., то это никак не скажется на стабильности работы источника вакуума, в частности надежно будут работать клапанные механизмы, пневматические каналы, пьезоэлектрические преобразователи и т.д.

В отличие от прототипа в заявляемом изобретении значительно больше площадь контакта между системой вакуумного присоса захватного устройства и поверхностью базирования, следовательно, больше фрикционные силы и больше надежность удержания микроробота на наклонных и вертикальных поверхностях. Малая масса и габариты автономного вакуумного захватного устройства микроробота, также как и в прототипе, обеспечиваются использованием миниатюрных, но в то же время обладающих значительной мощностью пьезоэлектрических исполнительных устройств, выполненных, например, на основе барий-титановых или цирконат-титановых пьезокристаллов.

Для отцепления от поверхности базирования достаточным является установление в камере 2 атмосферного давления, либо для более надежного отцепления - избыточного давления.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей, связанное с захватом запыленных, пористых, шероховатых и имеющих сложный рельеф поверхностей, например с трещинами, щелями, отверстиями, выбоинами и т.д., и в то же время, во-первых, с сохранением миниатюрности массогабаритных характеристик и, во-вторых, с использованием собственного источника вакуума, что в итоге позволит использовать заявляемое устройство в составе мобильных микросистем, например в микророботах, способных передвигаться по свободно-ориентированным в пространстве поверхностям.

Изобретение относится к области микроробототехники. Захватное устройство содержит систему вакуумного присоса, собственный источник вакуума, выполненный в виде пневматического пьезонасоса, камеру высокого давления, два клапанных пьезоэлектрических механизма. Один из клапанных механизмов связывает основную полость пьезонасоса с атмосферой, а второй - камеру высокого давления с основной полостью пьезонасоса. Основная полость пьезонасоса выполнена в виде полого пьезоэлектрического преобразователя. Система вакуумного присоса образована несколькими рядами пневматических присосок, у каждой из которых на кромках соприкосновения с поверхностью базирования выполнены эластичные манжеты с высокими фрикционными и адгезионными свойствами. Полости присосок связаны с камерой высокого давления через воздухонепроницаемые упругие мембраны. Изобретение позволит расширить функциональные возможности, связанные с захватом запыленных, шероховатых, пористых и имеющих сложный рельеф поверхностей, например, с трещинами, выбоинами и т. д. 5 ил.

Автономное вакуумное захватное устройство микроробота, содержащее систему вакуумного присоса, собственный источник вакуума, выполненный в виде пневматического пьезонасоса с двумя клапанными пьезоэлектрическими механизмами, первый из которых связывает основную полость пьезонасоса с атмосферой, отличающееся тем, что дополнительно содержит камеру высокого давления, связанную с основной полостью пьезонасоса вторым клапанным пьезоэлектрическим механизмом, причем основная полость пьезонасоса выполнена в виде полого пьезоэлектрического преобразователя, а система вакуумного присоса образована несколькими рядами пневматических присосок, у каждой из которых на кромках соприкосновения с поверхностью базирования выполнены эластичные манжеты с высокими фрикционными и адгезионными свойствами, причем полости присосок связаны с камерой высокого давления через воздухонепроницаемые упругие мембраны.