대칭

Jul 29, 2023

연구

이미지: 그림 1. SLPUM 압전 고정자의 설계 및 작동 원리.더보기

크레딧: 연구

전기 기계식 액추에이터로서 대칭 작동 장치는 잡기 또는 가위 작업, 마이크로 채널의 빠른 대칭 열기 또는 닫기와 같이 대칭 운동, 구동 및 제어가 필요한 분야에서 자주 사용됩니다. 수요가 많은 시나리오 중 하나는 종양 세포를 정밀하게 잡고 절단하는 방법, 망막 미세 수술 등을 포함한 최소 침습 수술입니다. 미세 전기 기계 장치 분야에서 가위질 또는 잡기 작업은 본질적으로 두 엔드 이펙터 사이의 두 대칭 작동에 속합니다. 그러나 두 개의 대칭 선형 운동을 직접 생성할 수 있는 모터는 거의 없습니다.

일반적으로 두 가지 대칭 운동을 생성하기 위한 상대적으로 간단한 방법은 두 개의 직렬 연결 또는 병렬 연결 고정자를 사용하여 두 개의 러너가 동시에 서로 가까워지거나 멀어지는 방향으로 이동하는 것입니다. 두 번째 방법은 한 쌍의 역나사 또는 한 쌍의 후진 기어를 사용하여 출력 샤프트의 회전 운동을 두 개의 선형 대칭 운동으로 변환하는 것입니다. 세 번째 해결책은 랙과 피니언, 유연한 힌지 등과 같은 정교한 전송 메커니즘을 사용하여 하나의 액추에이터의 한 방향 움직임을 두 개의 반대 움직임으로 변환하는 것입니다. 그러나 위의 모든 방법은 더 복잡하고 더 큰 구조를 초래하며 스트로크와 출력 힘이 매우 제한될 수 있습니다. 따라서 단 하나의 소형화되고 통합된 압전 고정자 또는 액츄에이터로 구동되는 두 개의 러너의 넓은 이동 범위로 대칭적인 고정밀 모션을 달성하기 위한 새로운 구동 메커니즘을 개발할 필요가 있습니다.

현재 Dong Shuxiang 교수의 연구 그룹은 추가적인 복잡한 전송 메커니즘을 사용하지 않고도 한 쌍의 가위의 양방향 대칭 모션 출력을 직접 생성할 수 있는 새로운 대칭 작동 선형 압전세라믹 초음파 모터(SLPUM)를 개발했습니다. 기본 아이디어는 (2 × 3) 배열된 장치를 포함하는 하나의 압전 세라믹 막대가 첫 번째 세로(L1) 및 세 번째 굽힘(B3) 모드의 결합 공진 모드에서 작동하여 반대 방향으로 두 개의 대칭 타원형 이동 궤적을 생성할 수 있다는 것입니다. 두 개의 마찰 팁(그림 1 참조)을 통해 마찰 팁의 두 대칭 타원형 움직임은 그림 2와 같이 동일한 속도를 가진 두 이동자의 대칭, 동기식 반대 또는 후방 움직임으로 변환될 수 있습니다. 이 작동 메커니즘은 다음과 같습니다. 하나의 고정자가 하나의 액추에이터만 구동할 수 있다는 전통적인 작동 원리를 혁신적으로 변경했습니다. 동시에 그림 3에 표시된 것처럼 이 대칭 작동 메커니즘은 압전 모터의 작동 효율을 두 배로 늘립니다.

또한, 한 쌍의 상업용 미세수술 가위가 슬라이더에 장착됨에 따라 L1-B3 SLPUM은 고정밀 미세수술 작업을 수행하기 위한 미세수술 로봇에 추가로 적용될 수 있으며 구체적인 구조는 그림 3A에 나와 있습니다. 또한 가위 효과는 두 구동 끝의 출력 힘을 몇 배로 증가시킬 수 있습니다. 그림 3과 그림 4에 표시된 대로 프로토타입은 다음 기능을 보여줍니다. (i) 바깥쪽 또는 안쪽 방향으로 두 슬라이더의 빠른 상대 이동 속도(~ 1.0m/s), (ii) 슬라이더의 높은 단계 분해능(40nm) ), (iii) 비교적 큰 출력 힘(슬라이더의 경우 3.4N, 가위의 경우 17N), (iv) 높은 출력 전력(347.8mW) 및 전력 밀도(405.4mW/cm3 또는 9.65mW/cm3·kHz) 이는 보고된 것의 두 배이며, (v) 150Vpp/mm의 전기장에서 높은 효율(22.1%)을 나타냅니다. 따라서 이 연구는 미래의 압전 작동 장치 설계에 유익합니다.

검증을 위해 이 프로토타입을 사용하여 그림 5와 같이 구리선, 돼지고기, 쇠고기 조각, 내장 절단 등 다양한 응용 시나리오에서 실험을 수행했습니다. 따라서 이 모터는 미세 수술 로봇에 추가로 적용하여 수행할 수 있습니다. 고정밀 파지, 가위 및 기타 수술. 그리고 본 연구에서 제안된 설계 전략은 미래의 압전 마이크로 전자 기계 장치 개발을 위한 새로운 길을 열었습니다.