Un symétrique

Jul 29, 2023

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image : Figure 1. La conception et le principe de fonctionnement du stator piézoélectrique du SLPUM.Voir plus

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En tant qu'actionneur électromécanique, les dispositifs d'actionnement symétriques sont souvent utilisés dans les domaines où un mouvement, un entraînement et un contrôle symétriques sont requis, tels que les opérations de préhension ou de ciseaux, ainsi que l'ouverture ou la fermeture symétrique rapide des microcanaux. Un scénario très demandé est celui de la chirurgie mini-invasive, comprenant la préhension et la découpe de précision de cellules tumorales, la microchirurgie rétinienne, etc. Dans le domaine des dispositifs microélectromécaniques, l'opération de cisaillement ou de préhension appartient essentiellement à deux actionnements symétriques entre deux effecteurs terminaux. Cependant, il n’existe pratiquement aucun moteur capable de générer directement deux mouvements linéaires symétriques.

D'une manière générale, pour produire deux mouvements symétriques, une méthode relativement simple consiste à utiliser deux stators connectés en série ou en parallèle pour entraîner respectivement deux coureurs se rapprochant ou s'éloignant l'un de l'autre simultanément. La deuxième façon consiste à convertir le mouvement de rotation d'un arbre de sortie en deux mouvements linéaires symétriques à l'aide d'une paire de filetages inverses ou d'une paire d'engrenages inverses. La troisième solution consiste à utiliser des mécanismes de transmission sophistiqués tels que des pignons et crémaillères, des charnières flexibles, etc., pour convertir le mouvement unidirectionnel d'un actionneur en deux mouvements opposés. Cependant, toutes les méthodes ci-dessus aboutissent à des structures plus complexes et plus grandes, et peuvent se faire au prix de courses et de forces de sortie très limitées. Par conséquent, il est nécessaire de développer un nouveau mécanisme d'entraînement pour obtenir des mouvements symétriques de haute précision avec une large plage de mouvement de deux coureurs entraînés par un seul stator ou actionneur piézoélectrique miniaturisé et intégré.

De nos jours, le groupe de recherche du professeur Dong Shuxiang a développé un nouveau moteur ultrasonique piézocéramique linéaire à actionnement symétrique (SLPUM) qui pourrait générer directement des sorties de mouvement symétriques bidirectionnelles d'une paire de ciseaux sans utiliser de mécanismes de transmission complexes supplémentaires. L'idée de base est qu'une barre céramique piézoélectrique contenant (2 × 3) unités disposées en réseau peut fonctionner dans le mode résonant couplé des premier modes longitudinaux (L1) et troisième flexion (B3) pour produire deux trajectoires de mouvement elliptiques symétriques dans des directions opposées à son niveau. deux pointes de friction, voir Figure 1. Grâce à l'accouplement à friction, les deux mouvements elliptiques symétriques des pointes de friction peuvent être convertis en mouvements symétriques et synchrones opposés ou vers l'arrière de deux moteurs avec la même vitesse, comme le montre la Figure 2. Ce mécanisme de travail a a apporté un changement révolutionnaire au principe de fonctionnement traditionnel selon lequel un stator ne peut entraîner qu'un seul actionneur. Dans le même temps, ce mécanisme d'actionnement symétrique double l'efficacité de fonctionnement du moteur piézoélectrique, comme le montre la figure 3.

De plus, comme une paire de ciseaux microchirurgicaux commerciaux a été montée sur les curseurs, le SLPUM L1-B3 pourrait être appliqué davantage aux robots microchirurgicaux pour effectuer des opérations microchirurgicales de haute précision, et la structure spécifique est illustrée à la figure 3A. De plus, l'effet de ciseaux peut augmenter plusieurs fois la force de sortie des deux extrémités motrices. Comme le montrent les figures 3 et 4, le prototype présente les caractéristiques : (i) vitesse de déplacement relative rapide (~ 1,0 m/s) de deux curseurs vers l'extérieur ou vers l'intérieur, (ii) résolution de pas élevée (40 nm pour le curseur ), (iii) une force de sortie relativement importante (3,4 N pour les curseurs et 17 N pour les ciseaux), (iv) une puissance de sortie élevée (347,8 mW) et une densité de puissance (405,4 mW/cm3 ou 9,65 mW/cm3·kHz) qui est le double de ce qui a été rapporté, et (v) un rendement élevé (22,1 %) sous le champ électrique de 150 Vpp/mm. Par conséquent, ce travail est instructif pour les futures conceptions de dispositifs d’actionnement piézoélectriques.

Pour vérification, nous avons utilisé ce prototype pour mener des expériences dans différents scénarios d'application, tels que la coupe de fils de cuivre, de porc, de tranches de bœuf, d'intestins, etc., comme le montre la figure 5. Ainsi, ce moteur peut être appliqué davantage dans des robots microchirurgicaux pour effectuer préhension de haute précision, ciseaux et autres opérations chirurgicales. Et la stratégie de conception proposée dans ce travail ouvre une nouvelle voie pour développer de futurs dispositifs microélectromécaniques piézoélectriques.