вакуумное захватное устройство микроробота

Формула изобретения

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 пневматического пьезонасоса с атмосферой, отличающееся тем, что дополнительно содержит камеру высокого давления, связанную с основной полостью пневматического пьезонасоса вторым клапанным пьезоэлектрическим механизмом, причем основная полость пневматического 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 пневмоприсосок связаны с камерой высокого давления через упругие воздухонепроницаемые мембраны, а в основной полости пневматического пьезонасоса установлена решетчатая конструкция с помещенным внутри нее цилиндром из эластичного материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области микроробототехники, предназначено для захвата запыленных, шероховатых, пористых и имеющих сложный рельеф поверхностей (с трещинами, щелями, отверстиями и т.д.) с реализацией механизма плавного регулирования и 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, к низкой надежности удержания микроробота на наклонных и вертикальных поверхностях.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей за счет захвата запыленных, пористых, шероховатых и имеющих сложный рельеф поверхностей, например с трещинами, щелями, отверстиями, выбоинами и т.д., и возможности регулирования коэффициента разрежения/нагнетания пневматического пьезонасоса, что позволит изменять в более широком диапазоне основные характеристики устройства.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в 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 пневматического пьезонасоса с атмосферой, в отличие от прототипа, дополнительно содержится камера высокого давления, связанная с основной полостью пневматического пьезонасоса вторым клапанным пьезоэлектрическим механизмом, причем основная полость пневматического 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 упругие воздухонепроницаемые мембраны, а в основной полости пневматического пьезонасоса на одной из стенок содержится решетчатая конструкция с помещенным внутри нее цилиндром из эластичного материала.

В данном изобретении цилиндр из эластичного материала способен расширяться (как надувной шар) при заполнении воздухом. Решетчатая конструкция ограничивает расширение цилиндра из эластичного материала при надувании, но в то же время не препятствует проходу воздуха.

На фиг.1 представлена конструкция вакуумного захватного устройства микроробота (фиг.1а - вид спереди, поперечный разрез; фиг.1б - вид сбоку); на фиг.2а и фиг.2б - соответственно вид сверху и снизу вакуумного захватного устройства микроробота; на фиг.3 - регулирование давления пневматического пьезонасоса: а), б), в), г) - этапы растяжения цилиндра из эластичного материала внутри решетчатой конструкции; на фиг.4 - последовательность управляющих импульсов, подаваемых на клапанные пьезоэлектрические механизмы и пьезоэлектрический преобразователь полой цилиндрической формы; на фиг.5 - пьезоэлектрический преобразователь полой цилиндрической формы, работающий на растяжение-сжатие; на фиг.6 - работа клапанных пьезоэлектрических механизмов и пьезоэлектрического преобразователя полой цилиндрической формы.

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. Решетчатая конструкция 13 с цилиндром из эластичного материала 14 расположена внутри основной полости 6 пневматического пьезонасоса 1.

Вакуумное захватное устройство микроробота работает следующим образом.

Основой реализации захвата, удержания и отсоединения от поверхности базирования служит собственный источник вакуума на основе пьезоэлектрических исполнительных устройств и цилиндра из эластичного материала 14. На пьезоэлектрические исполнительные устройства подаются управляющие импульсы, вызывающие такую последовательность деформаций первого 4 и второго 5 клапанных пьезоэлектрических механизмов, пьезоэлектрического преобразователя 9 полой цилиндрической формы, что в полостях присосок 10 через систему пневматической связи, образованную камерой 2 высокого давления и воздухонепроницаемыми упругими мембранами 12, создается либо разрежение, при котором происходит захват и удержание, либо избыточное давление, при котором происходит отсоединение от поверхности базирования. Давление в основной полости 6 пневматического пьезонасоса 1 можно регулировать путем изменения размера цилиндра из эластичного материала 14: в полость цилиндра из эластичного материала 14 подается извне воздух, вызывая его расширение (процесс подачи и выпускание воздуха не рассматриваем), при выпускании воздуха - он сжимается.

При контроле размера цилиндра из эластичного материала (фиг.3) можно контролировать и давление в основной полости, а это в свою очередь дает возможность регулировать силу захвата поверхности.

Рассмотрим принцип работы собственного источника вакуума захватного устройства на основе пьезоэлектрических исполнительных устройств.

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

Рассмотрим основные этапы нагнетания пневматическим пьезонасосом 1 сжатого воздуха в камеру 2 высокого давления. В начальный момент времени в основной полости 6 пневматического 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.6а). В момент времени t₁ снимается высокий уровень сигнала U ₂, что приводит к открытию второго 5 пьезоэлектрического клапанного механизма (фиг.6б). 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 пневматического пьезонасоса 1 и камере 2 избыточное давление (фиг.6в). В момент времени t₃ подается напряжение U₂ на второй 5 пьезоэлектрический клапанный механизм, что приводит к перекрытию канала 8 (фиг.6г). В момент времени t₄ снятием импульса U₁ давление в основной полости 6 пневматического пьезонасоса 1 выравнивается с атмосферным, а давление в камере 2 остается повышенным, поскольку канал 8 перекрыт (фиг.6д). В момент времени t₅ сигналом U₃ пьезоэлектрический преобразователь 9 полой цилиндрической формы вновь переводится в состояние деформации растяжения (фиг.6е). В момент t₆ напряжением U ₁ перекрывается канал 7. Далее последовательность этапов t₁...t₆ работы пневматического пьезонасоса 1 циклически повторяется, что позволяет усилить давление в камере 2, поскольку каждый раз в нее дополнительно нагнетается сжатый воздух.

При заполнении воздухом цилиндр из эластичного материала 14 расширяется (фиг.3), объем основной полости 6 уменьшается на величину объема наполненного воздухом цилиндра из эластичного материала и, следовательно, давление в ней увеличивается, что позволяет уменьшить число этапов t₁...t₆ работы пневматического пьезонасоса, увеличить его быстродействие.

Аналогичным образом 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. При сжатии (выпускании воздуха) цилиндра из эластичного материала 14 объем основной полости 6 увеличивается, что создает разрежение.

Таким образом, регулированием общего числа этапов t₁...t₆ и величины объема, занимаемого цилиндром из эластичного материала 14, можно устанавливать необходимый уровень давления в камере 2.

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

При нагнетании пневматическим пьезонасосом 1 сжатого воздуха в камеру 2 высокого давления упругие воздухонепроницаемые мембраны 12 подвергаются одновременно деформациям изгиба и растяжения (фиг.6ж), 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.6з), 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.

Затем при сжатии (выпускании воздуха) цилиндра из эластичного материала 14 в полости 6 происходит разрежение, что приводит, во-первых, вновь к деформациям изгиба и растяжения упругих воздухонепроницаемых мембран 12, но уже в противоположенном направлении 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.

В дальнейшем пневматическим пьезонасосом 1 для усиления эффекта - более надежного удержания поверхности базирования в камере 2 - создается вакуум, что приводит, во-первых, вновь к деформациям изгиба и растяжения упругих воздухонепроницаемых мембран 12, но уже в противоположенном направлении (фиг.6и) 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 пневматического 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.

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

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 вакуумного захватного устройства микроробота, так же 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. За счет надувания цилиндра из эластичного материала 14 и последующего сжатия (выпускания воздуха) легче обеспечить захват и отсоединение от поверхности базирования. Также регулирование величины занимаемого объема цилиндра из эластичного материала позволяет контролировать силу захвата поверхности.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей, связанных с захватом запыленных, пористых, шероховатых и имеющих сложный рельеф поверхностей, например с трещинами, щелями, отверстиями, выбоинами и т.д., дает возможность регулирования коэффициента разрежения/нагнетания пневматического пьезонасоса, контроля силы захвата поверхности базирования, и, как в прототипе, сохранение небольшой массы и габаритов и использование собственного источника вакуума позволяет использовать заявляемое устройство в составе мобильных микросистем, например в микророботах, способных передвигаться по свободно-ориентированным в пространстве поверхностям.