Piezoelektryczny mikronapęd liniowo-obrotowy

Zespół:

Istota wynalazku

Istotą prezentowanego wynalazku jest innowacyjna konstrukcja napędu liniowo-obrotowego opartego w swoim działaniu o odwrotne zjawisko piezoelektryczne (czyli odkształcenie materiału piezoelektrycznego w wyniku przyłożenia napięcia elektrycznego). Unikalna konstrukcja napędu zawiera część nieruchomą (STATOR) oraz część ruchomą (BIEGNIK). Stator zbudowany jest w formie cylindra o niewielkiej średnicy zewnętrznej złożonego z kilku pierścieni ułożonych jeden obok drugiego w formie stosu. Wewnątrz statora w centralnym otworze środkowym umieszczony jest biegnik o przekroju okrągłym, który jest elementem wykonawczym napędu. Pomiędzy wybranymi pierścieniami statora a biegnikiem występuje sprzężenie cierne umożliwiające ruch biegnika odbywający się na zasadzie krokowego ruchu robaczkowego. Ze względu na możliwość uzyskania bardzo wysokiej rozdzielczości ruchu sięgającej ułamków mikrometra (a dla ruchu liniowego nawet nanometrów) napęd ten nazywany jest mikronapędem.

Generalna koncepcja budowy pierścieni statora jest główną istotą wynalazku. Pierścienie zbudowane są z tytanu a wewnątrz umieszczone są materiały piezoelektryczne. Poprzez zastosowanie tzw. elastycznych przegubów złączowych siła wywoływana przez elementy piezoelektryczne przekształcana jest na przemieszczenie wybranych elementów pierścienia, Każdy z pierścieni statora pełni ściśle określoną rolę. W zależności od zastosowania pierścienie mogą się odkształcać w ściśle określonym kierunku. Zewnętrzne pierścienie stosu odpowiedzialne są za sprzężenie mechaniczne statora z ruchomym biegnikiem, natomiast pierścienie wewnętrzne odpowiedzialne są za realizację miniaturowych ruchów odkształceniowych w różnych, ale ściśle określonych kierunkach. W zależności od przebiegu napięcia przyłożonego na elementy piezoelektryczne, możemy niezależnie aktywować rożne pierścienie w dowolnie wybranej kolejności. Sterowana sygnałami napięciowymi współpraca pomiędzy pierścieniami statora wyznacza kierunek i prędkość przemieszczania się biegnika napędu. Poprzez przyłożenie napięcia o odpowiedniej sekwencji może być wywołany ruch liniowy, obrotowy lub złożenie obu tych ruchów, W zależności od sposobu sterowania można realizować dowolny ruch o trajektorii liniowo-obrotowej. Możliwość zastosowania wysoko-częstotliwościowego sygnału sterującego zapewnia płynny ruch oraz umożliwia uzyskanie względnie dużych prędkości. Pierścienie połączone są ze sobą w specyficzny sposób, tak żeby całość zajmowała jak najmniej miejsca, a jednocześnie aby zapewniała wymaganą funkcjonalność. Istota budowy mikronapędu pozwala na jego skalowalność co w praktyce oznacza, że można zbudować tego typu napędy o średnicy biegnika od kilku mm aż do kilkunastu cm.

Opisany mikronapęd umożliwia realizację ruchu o dwóch niezależnych stopniach swobody (ruch liniowy i ruch obrotowy) bez konieczności składania ruchu na bazie dwóch niezależnych silników. Ze względu na użycie elementów piezoelektrycznych realizowany ruch charakteryzuje się bardzo dużą rozdzielczością nieosiąganą dla innych typów napędów (np. elektromagnetycznych). Jednocześnie cały napęd zajmuje bardzo mało miejsca, nie wymaga stosowania żadnych przekładni i może pracować z dowolnym biegnikiem o przekroju cylindrycznym. Zwiększa to obszar jego zastosowań do różnego typu urządzeń gdzie wymagany jest ruch złożony (liniowo-obrotowy) przy zachowaniu niewielkich gabarytów zewnętrznych i bardzo wysokiej precyzji ruchu. Główne zastosowanie mikronapędu to specjalistyczne urządzenia manipulacyjne o bardzo wysokiej dokładności ruchu w szczególności roboty medyczne (np. do kardiochirurgu).

Korzyści z zastosowania wynalazku

Innowacyjne rozwiązanie konstrukcyjne zastosowane w budowie mikronapędu zapewnia szereg korzyści z jego zastosowania w porównaniu do obecnie istniejących napędów:
STRUKTURA CYLINDRYCZNA - za pomocą jednego napędu realizowany jest niezależny ruch liniowy i obrotowy;
BARDZO WYSOKA DOKŁADNOŚĆ RUCHU - sięgająca nanometrów;
ZWARTA KONSTRUKCJA - niewielkie gabaryty zewnętrzne zapewniają bardzo szerokie spektrum zastosowań zarówno w małych
jak i dużych urządzeniach;
HERMETYCZNOŚĆ - istnieje możliwość wykonania wersji hermetycznej, gdzie element napędzany (biegnik) jest całkowicie izolowany do piezoelektrycznego zespołu napędowego a całość jest wodoodporna;
HIGIENA - napęd może być poddany sterylizacji w zastosowaniach medycznych;
SKALOWALNOŚĆ - Element napędu bezpośrednio wykonujący ruch (biegnik) może mieć dowolną średnicę od kilku mm do kilkudziesięciu cm;
PROSTE STEROWANIE - może być zrealizowane tak jak silnikiem krokowym;
NIEZAWODNOŚĆ - brak przekładni, brak elementów ruchomych poza biegnikiem.

Potencjał komercjalizacyjny

Wynalazek ma bardzo duży potencjał komercjalizacyjny. W szczególności zastosowany może być w następujących obszarach nauki i techniki:
MECHATRONIKA - precyzyjne układy napędowe maszyn i urządzeń;
ROBOTYKA/MIKROROBOTYKA - napędy robotów/mikrorobotów manipulacyjnych, napędy robotów inspekcyjnych (do badania rur, zbiorników z wodą), układy napędowe do urządzeń manipulacyjnych batyskafów;
WOJSKO/SŁUŻBY POLICYJNE - Układy napędowe manipulatorów zdalnie sterowanych (m inn. urządzenia do rozbrajania bomb), napędy ramion inspekcyjnych wyposażonych w kamery;
MEDYCYNA - w szczególności układy napędowe robotów medycznych (do operacji małoinwazyjnych i laparoskopowych w: kardiologii, neurochirurgii, okulistyce);
APARATURA SPECJALISTYCZNA - pozycjonowanie urządzeń pomiarowych (lasery, kamery) z bardzo wysoką dokładnością;
LOTNICTWO - układy pozycjonujące i stabilizujące kamery, systemy pomiarowe;
TECHNOLOGIE KOSMICZNE - Precyzyjne układy napędowe dla ramion teleskopowych, manipulatorów i sond pomiarowych;