Eine symmetrische

Jul 29, 2023

Forschung

Bild: Abbildung 1. Der Aufbau und das Funktionsprinzip des piezoelektrischen Stators von SLPUM.mehr sehen

Bildnachweis: Forschung

Als elektromechanische Aktuatoren werden symmetrische Betätigungsgeräte häufig in Bereichen eingesetzt, in denen symmetrische Bewegung, Antrieb und Steuerung erforderlich sind, wie z. B. Greif- oder Scherenvorgänge und schnelles symmetrisches Öffnen oder Schließen von Mikrokanälen. Ein Szenario mit starker Nachfrage ist die minimalinvasive Chirurgie, einschließlich präzisem Greifen und Schneiden von Tumorzellen, Netzhautmikrochirurgie usw. Im Bereich mikroelektromechanischer Geräte gehört der Scheren- oder Greifvorgang im Wesentlichen zu zwei symmetrischen Betätigungen zwischen zwei Endeffektoren. Allerdings gibt es kaum einen Motor, der direkt zwei symmetrische Linearbewegungen erzeugen kann.

Um zwei symmetrische Bewegungen zu erzeugen, besteht im Allgemeinen eine relativ einfache Methode darin, zwei in Reihe oder parallel geschaltete Statoren zu verwenden, um jeweils zwei Läufer anzutreiben, die sich gleichzeitig aufeinander zu oder voneinander weg bewegen. Die zweite Möglichkeit besteht darin, die Drehbewegung einer Abtriebswelle mit Hilfe eines Paares von Rückwärtsgewinden oder eines Paares von Rückwärtsgängen in zwei lineare symmetrische Bewegungen umzuwandeln. Die dritte Lösung besteht darin, hochentwickelte Übertragungsmechanismen wie Zahnstangen und Ritzel, flexible Scharniere usw. einzusetzen, um die Bewegung eines Aktuators in eine Richtung in zwei entgegengesetzte Bewegungen umzuwandeln. Alle oben genannten Methoden führen jedoch zu komplizierteren und größeren Strukturen und können auf Kosten sehr begrenzter Hübe und Ausgangskräfte gehen. Daher ist es notwendig, einen neuen Antriebsmechanismus zu entwickeln, um symmetrische hochpräzise Bewegungen mit einem großen Bewegungsbereich von zwei Läufern zu erreichen, die von nur einem miniaturisierten und integrierten piezoelektrischen Stator oder Aktuator angetrieben werden.

Heute hat die Forschungsgruppe von Professor Dong Shuxiang einen neuartigen linearen piezokeramischen Ultraschallmotor mit symmetrischer Betätigung (SLPUM) entwickelt, der ohne den Einsatz zusätzlicher komplexer Übertragungsmechanismen direkt bidirektionale symmetrische Bewegungsausgänge einer Schere erzeugen kann. Die Grundidee besteht darin, dass ein piezoelektrischer Keramikstab, der (2 × 3) angeordnete Einheiten enthält, im gekoppelten Resonanzmodus des ersten Längsmodus (L1) und des dritten Biegemodus (B3) arbeiten kann, um an seiner Stelle zwei symmetrische elliptische Bewegungstrajektorien in entgegengesetzten Richtungen zu erzeugen zwei Reibungsspitzen, siehe Abbildung 1. Durch die Reibungskopplung können die beiden symmetrischen elliptischen Bewegungen der Reibungsspitzen in symmetrische, synchrone Gegen- oder Rückwärtsbewegungen zweier Mover mit gleicher Geschwindigkeit umgewandelt werden, wie in Abbildung 2 dargestellt. Dieser Arbeitsmechanismus hat hat eine revolutionäre Änderung des traditionellen Arbeitsprinzips vorgenommen, dass ein Stator nur einen Aktuator antreiben kann. Gleichzeitig verdoppelt dieser symmetrische Betätigungsmechanismus die Arbeitseffizienz des piezoelektrischen Motors, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Da außerdem eine handelsübliche mikrochirurgische Schere auf den Schiebern montiert war, konnte das L1-B3-SLPUM weiter auf mikrochirurgische Roboter zur Durchführung hochpräziser mikrochirurgischer Eingriffe angewendet werden. Die spezifische Struktur ist in Abbildung 3A dargestellt. Darüber hinaus kann der Schereneffekt die Ausgangskraft der beiden Antriebsenden um ein Vielfaches erhöhen. Wie in Abbildung 3 und Abbildung 4 dargestellt, weist der Prototyp folgende Merkmale auf: (i) schnelle relative Bewegungsgeschwindigkeit (~ 1,0 m/s) zweier Schieber in Auswärts- oder Einwärtsrichtung, (ii) hohe Schrittauflösung (40 nm für den Schieber). ), (iii) relativ große Ausgangskraft (3,4 N für die Schieber und 17 N für die Scheren), (iv) hohe Ausgangsleistung (347,8 mW) und Leistungsdichte (405,4 mW/cm3 oder 9,65 mW/cm3·kHz). ist doppelt so hoch wie berichtet und (v) hoher Wirkungsgrad (22,1 %) unter dem elektrischen Feld von 150 Vpp/mm. Daher ist diese Arbeit aufschlussreich für zukünftige Designs piezoelektrischer Betätigungsgeräte.

Zur Verifizierung haben wir diesen Prototyp verwendet, um Experimente in verschiedenen Anwendungsszenarien durchzuführen, wie zum Beispiel das Schneiden von Kupferdrähten, Schweinefleisch, Rindfleischscheiben, Därmen usw., wie in Abbildung 5 dargestellt. Somit kann dieser Motor weiter in mikrochirurgischen Robotern eingesetzt werden hochpräzises Greifen, Scheren und andere chirurgische Eingriffe. Und die in dieser Arbeit vorgeschlagene Designstrategie ebnet einen neuen Weg für die Entwicklung zukünftiger piezoelektrischer mikroelektromechanischer Geräte.

Forschung

10.34133/research.0156

Experimentelle Studie

Im Labor hergestellte Gewebeproben

Ein symmetrisch betätigter linearer piezokeramischer Ultraschallmotor, der einen Schereneffekt erzeugen kann

6. Juni 2023

SD und ZL haben das Projekt konzipiert und diese Studie entworfen. ZL, XY und RZ haben die Struktur des SLPUM entworfen. ZL führte die FEM-Simulationen durch, maß die Betätigungsleistungen und analysierte die Daten. ZY trug zur Probenvorbereitung bei und half bei der Optimierung der Organisation des Artikels. XY und MP halfen beim Zeichnen des Bildes. Das Manuskript wurde von ZL verfasst und schließlich von SDSD modifiziert, das in allen Phasen Orientierung bot. Alle Autoren haben dieses Papier kommentiert.

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