ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МИКРОСХВАТ
ELECTROSTATIC MICROGRIPPER

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.
тяг
тяг
упр
упр
тяг
упр
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, 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-F), где F - сила упругости, возникающая при деформации слоя упругого диэлектрика 5, причем жесткость слоя упругого диэлектрика 5 выбирается так, что F=(2÷4)·F. 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.