Um simétrico

Jul 29, 2023

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imagem: Figura 1. O projeto e princípio de funcionamento do estator piezoelétrico do SLPUM.Veja mais

Crédito: Pesquisa

Como um atuador eletromecânico, dispositivos de atuação simétrica são frequentemente usados ​​em campos onde movimento, acionamento e controle simétricos são necessários, como operações de preensão ou tesoura e abertura ou fechamento simétrico rápido de microcanais. Um cenário com forte demanda é a cirurgia minimamente invasiva, incluindo apreensão e corte de células tumorais de precisão, microcirurgia de retina, etc. No campo dos microdispositivos eletromecânicos, a operação de tesoura ou preensão pertence essencialmente a duas atuações simétricas entre dois efetores finais. No entanto, quase não existe um motor que possa gerar diretamente dois movimentos lineares simétricos.

Em geral, para produzir dois movimentos simétricos, um método relativamente simples é usar dois estatores conectados em série ou em paralelo para acionar, respectivamente, dois rotores que se aproximam ou se afastam um do outro simultaneamente. A segunda maneira é converter o movimento rotacional de um eixo de saída em dois movimentos lineares simétricos com a ajuda de um par de roscas reversas ou um par de engrenagens reversas. A terceira solução é empregar mecanismos de transmissão sofisticados, como cremalheiras e pinhões, dobradiças flexíveis, etc., para converter o movimento unidirecional de um atuador em dois movimentos opostos. No entanto, todos os métodos acima resultam em estruturas maiores e mais complicadas, e podem ocorrer ao custo de cursos e forças de saída muito limitados. Portanto, é necessário desenvolver um novo mecanismo de acionamento para obter movimentos simétricos de alta precisão com uma grande faixa de movimento de dois rotores acionados por apenas um estator ou atuador piezoelétrico miniaturizado e integrado.

Hoje em dia, o grupo de pesquisa do professor Dong Shuxiang desenvolveu um novo motor ultrassônico piezocerâmico linear de atuação simétrica (SLPUM) que poderia gerar diretamente saídas de movimento simétrico bidirecional de um par de tesouras sem usar mecanismos de transmissão complexos adicionais. A ideia básica é que uma barra cerâmica piezoelétrica contendo (2 × 3) unidades dispostas pode operar no modo ressonante acoplado do primeiro modo longitudinal (L1) e terceiro modo de flexão (B3) para produzir duas trajetórias de movimento elíptico simétrico em direções opostas em seu duas pontas de fricção, veja a Figura 1. Através do acoplamento de fricção, os dois movimentos elípticos simétricos das pontas de fricção podem ser convertidos em movimentos simétricos e síncronos opostos ou para trás de dois motores com a mesma velocidade, conforme mostrado na Figura 2. Este mecanismo de trabalho tem fez uma mudança revolucionária no princípio de funcionamento tradicional de que um estator só pode acionar um atuador. Ao mesmo tempo, este mecanismo de atuação simétrica duplica a eficiência de funcionamento do motor piezoelétrico, conforme mostrado na Figura 3.

Além disso, como uma tesoura microcirúrgica comercial foi montada nos controles deslizantes, o L1-B3 SLPUM poderia ser aplicado posteriormente a robôs microcirúrgicos para realizar operações microcirúrgicas de alta precisão, e a estrutura específica é mostrada na Figura 3A. Além disso, o efeito tesoura pode aumentar várias vezes a força de saída das duas extremidades motrizes. Conforme mostrado na Figura 3 e Figura 4, o protótipo mostra as características: (i) velocidade de movimento relativa rápida (~ 1,0 m/s) de dois controles deslizantes na direção para fora ou para dentro, (ii) alta resolução de passo (40 nm para o controle deslizante ), (iii) força de saída relativamente grande (3,4 N para os controles deslizantes e 17 N para as tesouras), (iv) alta potência de saída (347,8 mW) e densidade de potência (405,4 mW/cm3 ou 9,65 mW/cm3·kHz) que é o dobro do relatado e (v) alta eficiência (22,1%) sob campo elétrico de 150 Vpp/mm. Portanto, este trabalho é instrutivo para futuros projetos de dispositivos de atuação piezoelétricos.

Para verificação, utilizamos este protótipo para realizar experimentos em diferentes cenários de aplicação, como corte de fios de cobre, carne suína, fatias bovinas, intestinos, etc., conforme mostrado na Figura 5. Assim, este motor pode ser posteriormente aplicado em robôs microcirúrgicos para realizar agarramento de alta precisão, tesoura e outras operações cirúrgicas. E a estratégia de projeto proposta neste trabalho abre um novo caminho para o desenvolvimento de futuros dispositivos microeletromecânicos piezoelétricos.