Un simétrico

Jul 29, 2023

Investigación

Imagen: Figura 1. Diseño y principio de funcionamiento del estator piezoeléctrico de SLPUM.ver más

Crédito: Investigación

Como actuador electromecánico, los dispositivos de accionamiento simétrico se utilizan a menudo en los campos donde se requieren movimiento, accionamiento y control simétricos, como operaciones de agarre o tijeras, y apertura o cierre rápido y simétrico de microcanales. Un escenario con gran demanda es la cirugía mínimamente invasiva, que incluye el agarre y corte preciso de células tumorales, la microcirugía de retina, etc. En el campo de los dispositivos microelectromecánicos, la operación de tijeras o agarre consiste esencialmente en dos accionamientos simétricos entre dos efectores finales. Sin embargo, casi no existe un motor que pueda generar directamente dos movimientos lineales simétricos.

En general, para producir dos movimientos simétricos, un método relativamente simple es utilizar dos estatores conectados en serie o en paralelo para impulsar respectivamente dos patines que se acercan o se alejan uno del otro simultáneamente. La segunda forma es convertir el movimiento de rotación de un eje de salida en dos movimientos simétricos lineales con la ayuda de un par de roscas inversas o un par de engranajes inversos. La tercera solución es emplear sofisticados mecanismos de transmisión, como cremalleras y piñones, bisagras flexibles, etc., para convertir el movimiento unidireccional de un actuador en dos movimientos opuestos. Sin embargo, todos los métodos anteriores dan como resultado estructuras más grandes y complicadas, y pueden tener el costo de carreras y fuerzas de salida muy limitadas. Por lo tanto, es necesario desarrollar un nuevo mecanismo de accionamiento para lograr movimientos simétricos de alta precisión con un amplio rango de movimiento de dos corredores impulsados ​​por un solo estator o actuador piezoeléctrico miniaturizado e integrado.

Hoy en día, el grupo de investigación del profesor Dong Shuxiang ha desarrollado un novedoso motor ultrasónico piezocerámico lineal de accionamiento simétrico (SLPUM, por sus siglas en inglés) que podría generar directamente salidas de movimiento simétrico bidireccional de un par de tijeras sin utilizar mecanismos de transmisión complejos adicionales. La idea básica es que una barra cerámica piezoeléctrica que contiene (2 × 3) unidades dispuestas puede operar en el modo resonante acoplado del primer modo longitudinal (L1) y del tercer modo de flexión (B3) para producir dos trayectorias de movimiento elíptico simétrico en direcciones opuestas en su extremo. dos puntas de fricción, consulte la Figura 1. A través del acoplamiento de fricción, los dos movimientos elípticos simétricos de las puntas de fricción se pueden convertir en movimientos opuestos o hacia atrás simétricos, sincrónicos de dos motores con la misma velocidad, como se muestra en la Figura 2. Este mecanismo de trabajo tiene realizó un cambio revolucionario al principio de funcionamiento tradicional de que un estator solo puede accionar un actuador. Al mismo tiempo, este mecanismo de actuación simétrico duplica la eficiencia de trabajo del motor piezoeléctrico, como se muestra en la Figura 3.

Además, como se montó un par de tijeras microquirúrgicas comerciales en los controles deslizantes, el L1-B3 SLPUM podría aplicarse aún más a robots microquirúrgicos para realizar operaciones microquirúrgicas de alta precisión, y la estructura específica se muestra en la Figura 3A. Además, el efecto de tijera puede aumentar varias veces la fuerza de salida de los dos extremos motrices. Como se muestra en la Figura 3 y la Figura 4, el prototipo muestra las características: (i) velocidad de movimiento relativa rápida (~ 1,0 m/s) de dos controles deslizantes hacia afuera o hacia adentro, (ii) alta resolución de paso (40 nm para el control deslizante ), (iii) fuerza de salida relativamente grande (3,4 N para los deslizadores y 17 N para las tijeras), (iv) alta potencia de salida (347,8 mW) y densidad de potencia (405,4 mW/cm3 o 9,65 mW/cm3·kHz) que es el doble de lo reportado, y (v) alta eficiencia (22,1%) bajo el campo eléctrico de 150 Vpp/mm. Por lo tanto, este trabajo es instructivo para futuros diseños de dispositivos de accionamiento piezoeléctricos.

Para la verificación, utilizamos este prototipo para realizar experimentos en diferentes escenarios de aplicación, como cortar alambres de cobre, carne de cerdo, rodajas de res, intestinos, etc., como se muestra en la Figura 5. Por lo tanto, este motor se puede aplicar aún más en robots microquirúrgicos para realizar agarre de alta precisión, corte con tijeras y otras operaciones quirúrgicas. Y la estrategia de diseño propuesta en este trabajo allana un nuevo camino para el desarrollo de futuros dispositivos microelectromecánicos piezoeléctricos.

Investigación

10.34133/investigación.0156

Estudio experimental

Muestras de tejido producidas en laboratorio.

Un motor ultrasónico piezocerámico lineal de accionamiento simétrico capaz de producir un efecto de tijera

6-jun-2023

SD y ZL concibieron el proyecto y diseñaron este estudio. ZL, XY y RZ diseñaron la estructura del SLPUM. ZL llevó a cabo las simulaciones FEM, midió el rendimiento de actuación y analizó los datos. ZY contribuyó a la preparación de la muestra y ayudó a optimizar la organización del artículo. XY y MP ayudaron con el dibujo. El manuscrito fue escrito por ZL y finalmente modificado por SDSD proporcionó orientación durante todas las etapas. Todos los autores comentaron sobre este artículo.

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