Un simmetrico

Jul 29, 2023

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immagine: Figura 1. Il principio di progettazione e funzionamento dello statore piezoelettrico di SLPUM.vedere di più

Credito: ricerca

In quanto attuatore elettromeccanico, i dispositivi ad attuazione simmetrica vengono spesso utilizzati nei campi in cui sono richiesti movimento, azionamento e controllo simmetrici, come operazioni di presa o forbice e apertura o chiusura simmetrica rapida di microcanali. Uno scenario con una forte domanda è la chirurgia mini-invasiva, compresa la presa di precisione e il taglio di cellule tumorali, la microchirurgia retinica, ecc. Nel campo dei dispositivi microelettromeccanici, l'operazione di forbice o presa appartiene essenzialmente a due azionamenti simmetrici tra due effettori finali. Tuttavia, non esiste quasi nessun motore in grado di generare direttamente due movimenti lineari simmetrici.

In generale, per produrre due movimenti simmetrici, un metodo relativamente semplice consiste nell'utilizzare due statori collegati in serie o in parallelo per azionare rispettivamente due pattini che si avvicinano o si allontanano l'uno dall'altro simultaneamente. Il secondo modo è convertire il movimento rotatorio di un albero di uscita in due movimenti lineari simmetrici con l'aiuto di una coppia di filetti inversi o di una coppia di retromarce. La terza soluzione consiste nell'utilizzare sofisticati meccanismi di trasmissione come cremagliere e pignoni, cerniere flessibili, ecc., per convertire il movimento in una direzione di un attuatore in due movimenti opposti. Tuttavia, tutti i metodi di cui sopra danno luogo a strutture più complicate e più grandi e possono comportare corse e forze di uscita molto limitate. Pertanto, è necessario sviluppare un nuovo meccanismo di guida per ottenere movimenti simmetrici ad alta precisione con un ampio intervallo di movimento di due guide azionate da un solo statore o attuatore piezoelettrico miniaturizzato e integrato.

Oggi, il gruppo di ricerca del professor Dong Shuxiang ha sviluppato un nuovo motore ultrasonico piezoceramico lineare ad attuazione simmetrica (SLPUM) che potrebbe generare direttamente uscite di movimento simmetrico bidirezionale di un paio di forbici senza utilizzare complessi meccanismi di trasmissione aggiuntivi. L'idea di base è che una barra ceramica piezoelettrica contenente (2 × 3) unità disposte può operare nella modalità di risonanza accoppiata della prima modalità longitudinale (L1) e della terza piegatura (B3) per produrre due traiettorie di movimento ellittiche simmetriche in direzioni opposte alle sue due punte di attrito, vedere la Figura 1. Attraverso l'accoppiamento di attrito, i due movimenti ellittici simmetrici delle punte di attrito possono essere convertiti in movimenti simmetrici, sincroni opposti o all'indietro di due motori con la stessa velocità, come mostrato nella Figura 2. Questo meccanismo di funzionamento ha ha apportato una modifica rivoluzionaria al principio di funzionamento tradizionale secondo cui uno statore può azionare solo un attuatore. Allo stesso tempo, questo meccanismo di attuazione simmetrico raddoppia l'efficienza operativa del motore piezoelettrico, come mostrato nella Figura 3.

Inoltre, poiché sui cursori è stato montato un paio di forbici microchirurgiche commerciali, SLPUM L1-B3 potrebbe essere ulteriormente applicato ai robot microchirurgici per eseguire operazioni microchirurgiche ad alta precisione e la struttura specifica è mostrata nella Figura 3A. Inoltre, l'effetto forbice può aumentare di diverse volte la forza di uscita delle due estremità motrici. Come mostrato nella Figura 3 e nella Figura 4, il prototipo mostra le caratteristiche: (i) elevata velocità di movimento relativa (~ 1,0 m/s) di due cursori nella direzione verso l'esterno o verso l'interno, (ii) elevata risoluzione del passo (40 nm per il cursore ), (iii) forza di uscita relativamente grande (3,4 N per i cursori e 17 N per le forbici), (iv) elevata potenza di uscita (347,8 mW) e densità di potenza (405,4 mW/cm3 o 9,65 mW/cm3·kHz) che è il doppio di quanto riportato e (v) alta efficienza (22,1%) sotto il campo elettrico di 150 Vpp/mm. Pertanto, questo lavoro è istruttivo per i futuri progetti di dispositivi di attuazione piezoelettrici.

A scopo di verifica, abbiamo utilizzato questo prototipo per condurre esperimenti in diversi scenari applicativi, come il taglio di fili di rame, carne di maiale, fette di manzo, intestini, ecc., come mostrato nella Figura 5. Pertanto, questo motore può essere ulteriormente applicato nei robot microchirurgici per eseguire presa ad alta precisione, forbice e altre operazioni chirurgiche. E la strategia di progettazione proposta in questo lavoro apre una nuova strada per lo sviluppo dei futuri dispositivi microelettromeccanici piezoelettrici.