eng
Содержание
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ..........................................................................................8
ГЛАВА 1
МАНИПУЛЯТОР ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ
СТРУКТУРЫ НА ГИБКИХ ШАРНИРАХ
ДЛЯ МИКРОНАНОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТОВ ..............................9
(В.А. Глазунов, А.В. Орлов, А.К. Алешин, Н.А. Серков)
1.1.
Введение ............................................................................................. 9
1.2.
Гибкие шарниры .............................................................................. 11
1.3.
Еще один шаг вглубь. Понижающий редуктор шага ...................... 25
1.4.
Выводы ............................................................................................. 34
Литература .................................................................................................. 34
ГЛАВА 2
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
В СВАРКЕ И РОДСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ .................................37
(М.А. Шолохов, С.В. Хейло, А.В. Царьков)
2.1.
Общая классификация сварных конструкций ............................... 38
2.2.
Манипуляционные системы сварочных роботов ........................... 40
2.3.
Вспомогательное оборудование (позиционеры) ............................ 41
2.4.
Вспомогательное оборудование для расширения
рабочей зоны манипуляторов промышленных
сварочных роботов ........................................................................... 45
2.5.
Позиционеры с шестью степенями свободы .................................. 48
2.6.
Применение роботов в механизмах
относительного манипулирования ................................................. 50
Литература .................................................................................................. 51
ГЛАВА 3
МЕХАНИЗМЫ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ
С ДВИГАТЕЛЯМИ, РАСПОЛОЖЕННЫМИ ВНЕ
РАБОЧЕЙ ЗОНЫ .................................................................................53
(А.В. Антонов, В.А. Глазунов)
3.1.
Решение обратной задачи о положении ......................................... 57
3.2.
Решение прямой задачи о положении ............................................ 59
3.2.1.
Геометрический способ ................................................................... 59
3.3.
Решение задач о скорости ............................................................... 62
3.3.1.
Решение обратной задачи о скорости ............................................. 63
3.3.2.
Решение прямой задачи о скорости ................................................ 63
3.4.
Исследование рабочих зон механизма ............................................ 64
3.4.1.
Построение рабочей зоны постоянной ориентации ...................... 65
3.4.2.
Построение рабочей зоны постоянного положения ...................... 68
3.4.3.
Экспериментальная оценка рабочих зон ........................................ 71
Заключение ................................................................................................ 82
Литература .................................................................................................. 83
ГЛАВА 4
РАЗРАБОТКА МЕХАНИЗМОВ ПАРАЛЛЕЛЬНО-
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ С ПЯТЬЮ
СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ ...................................................................86
(Г.С. Филиппов, А.К. Алешин, Г.В. Рашоян,
С.А. Скворцов, К.А. Шалюхин)
4.1.
Синтез механизмов параллельно-последовательной
структуры ......................................................................................... 87
4.2.
Анализ и экспериментальные исследования механизмов ............. 93
Литература ................................................................................................ 108
ГЛАВА 5
АНАЛИТИКО-ОПТИМИЗАЦИОННЫЙ
КИНЕМАТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ МЕХАНИЗМОВ
АВИАЦИОННЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ .................... 111
(В.А. Нестеров)
5.1.
Основные и дополнительные условия синтеза
плоских рычажных механизмов .................................................... 114
5.1.1.
Цель кинематического синтеза рычажного механизма ............... 114
5.1.2.
Основные условия синтеза ............................................................ 115
5.1.3.
Дополнительные условия синтеза ................................................. 118
5.2.
Постановка задачи синтеза рычажных механизмов
установок ЛА .................................................................................. 119
5.2.1.
Структура конструкции установки ............................................... 119
5.2.2.
Основные условия синтеза ............................................................ 120
5.3.
Аналитико оптимизационный метод синтеза
рычажных механизмов установок ЛА ............................................ 122
5.3.1.
Условия синтеза в форме уравнений и неравенств ...................... 122
5.3.2.
Вычисляемые и варьируемые параметры механизма ................... 123
5.3.3.
Целевая функция ........................................................................... 124
5.3.4.
Общая структура алгоритма .......................................................... 127
5.3.5.
Особенности целевой функции .................................................... 129
5.4.
Синтез восьмизвенного механизма с качающимся
цилиндром ..................................................................................... 130
5.4.1.
Уточнение постановки задачи ....................................................... 130
5.4.2.
Расчет вычисляемых параметров .................................................. 133
5.4.3.
Условия синтеза в форме неравенств ............................................ 136
5.4.4.
Построение целевой функции ...................................................... 136
5.4.5.
Числовой пример ........................................................................... 138
Заключение .............................................................................................. 139
Литература ................................................................................................ 139
ГЛАВА 6
КОНТРОЛЛЕР ХИРУРГА ДЛЯ АССИСТИРУЮЩЕГО
ХИРУРГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА .................................................. 141
(Р.С. Нахушев, Д.Ю. Пушкарь, С.А. Шептунов)
6.1.
Контроллеры для роботохирургии, представленные
на рынке ......................................................................................... 145
6.2.
Контроллеры для роботохирургии.
Идеи и патенты .............................................................................. 151
6.3.
Представляемый контроллер хирурга ........................................... 159
6.4.
Контроллер руки ............................................................................ 161
6.5.
Контроллер запястья ..................................................................... 170
6.6.
Контроллер кисти .......................................................................... 178
6.7.
Цифровой блок управления контроллера хирурга ....................... 189
Пример реализации контроллера хирурга .............................................. 189
ГЛАВА 7
МАНИПУЛЯЦИОННЫЕ РОБОТЫ ДЛЯ ОРБИТАЛЬНЫХ
КОСМИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ ............................................................. 191
(А.Г. Лесков, В.Н. Зимин)
7.1.
Робототехника и орбитальные космические станции ................. 193
7.2.
КМР для сборки и обслуживания ОКС ........................................ 197
7.3.
Проект КМР «Робонавт» ............................................................... 204
7.4.
Другие проекты .............................................................................. 206
7.5.
Задачи, решаемые КМР МКС ....................................................... 206
7.5.1.
Оперативное использование SSRMS ............................................ 206
7.5.2.
Оперативное использование Dextre .............................................. 208
7.5.2.1.
Монтажные операции, выполненные Dextre на МКС ............................209
7.5.2.2.
Операция дозаправки спутника, выполненная Dextre на МКС .............211
7.5.2.3.
Операция саморемонта Dextre на МКС ...................................................215
7.5.3.
Оперативное использование ERA ................................................. 216
7.5.4.
Оперативное использование JEMRMS ........................................ 216
7.6.
Описание дизайна и параметров космических роботов МКС ..... 216
7.6.1.
SSRMS ............................................................................................ 216
7.6.2.
ERA ................................................................................................. 217
7.6.3.
SPDM (Dextre) ............................................................................... 219
7.6.4.
JEMRMS ........................................................................................ 220
7.6.5.
Характеристики роботов МКС ..................................................... 221
Литература ................................................................................................ 222
ГЛАВА 8
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫХ
ЭКЗОСКЕЛЕТНЫХ СИСТЕМ ........................................................... 224
(С.Ф. Яцун, А.С. Яцун)
Введение ................................................................................................... 224
8.1.
Основные понятия и структура БТШС ........................................ 225
8.2.
Описание процесса поднятия грузов человеком .......................... 226
8.3.
Требования, предъявляемые к экзоскелетной
человеко-машинной системе ........................................................ 227
8.4.
Описание и структура ЧМИ .......................................................... 228
8.5.
Математическая модель БТШС .................................................... 230
8.5.1.
Кинематическая модель БТШС .................................................... 232
8.5.2.
Динамическая модель БТШС ....................................................... 235
Заключение .............................................................................................. 240
Литература ................................................................................................ 241
ГЛАВА 9
СИНТЕЗ МНОГОСЕКЦИОННЫХ
РОБОТОВ-МАНИПУЛЯТОРОВ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ
СТРУКТУРЫ ТИПА «ХОБОТ» ........................................................... 243
(А.П. Карпенко, Ю.Т. Каганов)
Введение ................................................................................................... 243
9.1.
Определение формы продольного сечения ММТХ ..................... 245
9.2.
Определение длин секций ММТХ ................................................ 247
9.3.
Определение геометрических параметров
секций ММТХ ............................................................................... 250
9.4.
Планирование целевой конфигурации ММТХ ............................ 253
9.5.
Многоагентный подход к управлению ММТХ ............................ 258
Заключение .............................................................................................. 261
Литература ................................................................................................ 263
ГЛАВА 10
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ
МЕХАНИЗМОВ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ
С ГИБКИМИ ЗВЕНЬЯМИ ................................................................. 265
(В.А. Борисов)
10.1.
Синтез механизмов параллельной структуры
с четырьмя степенями свободы ..................................................... 265
10.2.
Разработка классификации манипуляционных
механизмов параллельной структуры
с гибкими звеньями ....................................................................... 275
10.3.
Кинематический анализ манипуляционных механизмов
параллельной структуры с гибкими звеньями .............................. 280
10.3.1.
Решение задачи о положениях ..................................................... 280
10.3.2.
Решение задачи о положениях с учетом
упруго-динамических свойств гибких звеньев ........................... 282
10.3.3.
Решение задачи о скоростях ......................................................... 284
10.4.
Динамический анализ манипуляционных механизмов
параллельной структуры с гибкими звеньями .............................. 285
10.4.1.
Анализ сил и моментов ................................................................. 286
10.4.2.
Определение сил, действующих на гибкие звенья ...................... 286
10.5.
Примеры применения манипуляционных механизмов
параллельной структуры с гибкими звеньями
в технических решениях ............................................................... 287
Литература ................................................................................................ 294
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данная работа является продолжением первой монографии
«Новые механизмы в современной робототехнике».
В новой монографии «Механизмы перспективных робототехни-
ческих систем» представлены научные подходы к проектированию и
созданию новых механизмов и машин для аддитивных технологий,
авиационных робототехнических систем, медицинской робототехни-
ки, объектов наноиндустрии, экзоскелетов и других систем. Приве-
денные исследования позволяют обеспечить заданные функциональ-
ные свойства, сократить и автоматизировать процессы разработки и
последующей эксплуатации робототехнических систем. Собранные
в монографию знания отражают современное состояние дел и на-
правления развития робототехники, что формирует актуальный науч-
ный фундамент для выполнения прикладных исследований и прак-
тических проектов.
Кроме того, ряд глав книги посвящен обзорным исследованиям,
представляющим современный уровень применяемых механизмов
в различных робототехнических системах, в частности в сварочном
производстве, космической и медицинской робототехнике.
Круг авторов данной монографии расширен и представляет
разные организации: ИМАШ РАН, ИКТИ РАН, МГТУ им. Н.Э. Бау-
мана, РГУ им. А.Н. Косыгина, ЮЗГУ, МАИ, научно-производствен-
ную компанию «Шторм», компанию «Ассистирующие хирургиче-
ские технологии».
Представленные результаты могут быть использованы при проек-
тировании машин и робототехнических систем новых классов.
ГЛАВА 1
МАНИПУЛЯТОР ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ
СТРУКТУРЫ НА ГИБКИХ
ШАРНИРАХ ДЛЯ МИКРО-
НАНОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТОВ
В.А. Глазунов, А.В. Орлов, А.К. Алешин, Н.А. Серков
1.1. Введение
Стремительно вошедшие в деловой обиход несколько лет назад слож-
носоставные слова, начинающиеся с приставки «нано-», которую
присоединяли к любым другим терминам, часто обозначавшим поня-
тия, вовсе не поддающиеся измерению, мелькнув яркими звездами,
стали потихоньку забываться, поскольку по законам моды поднадо-
ели и уже не производили желаемого впечатления на госчиновников.
Но в научном сообществе в последние три десятилетия, напротив,
эта приставка прижилась и стала сопровождать исследования во все
большем числе направлений. Это и бионанотехнологии, и наноме-
трология, изготовление полупроводниковых наноструктур, химиче-
ские нанотехнологии, нанообработка, нанопроизводство, материа-
ловедение, системы хранения данных сверхвысокой плотности и т.п.
Сканирующий туннельный микроскоп. Начало реальному про-
никновению исследователей в мир нанообъектов положило появ-
ление туннельных микроскопов, которые были созданы как одно
из применений метода измерения сверхмалых сил. В отличие от
традиционных «световых» и сканирующих электронных микро-
скопов, получающих изображение на основе отраженных электро-
магнитных волн, с помощью туннельных изучали поверхность, судя
по величине тока, протекавшего через сверхтонкий зонд, двигав-
шийся над поверхностью образца. И если у обычных микроскопов
разрешение ограничивается рефракцией электромагнитной волны,
то у туннельных оно зависит в основном от точности позициониро-
вания зонда. Естественное ограничение – возможность исследова-
ния таким методом только проводящих материалов – было преодолено в 1986 г. с появлением так называемых атомно-силовых микро-
скопов (АСМ – atomic force microscope) [7] – гибрида туннельного
микроскопа и профилометра. С их помощью получают трехмерное
изображение поверхности путем ее не посредственного «ощупыва-
ния» микрозондом, закрепленным на гибкой пластине, деформация
которой определяется по положению отраженного от нее лазерно-
го луча. Вместо вольфрамового зонда стали использовать алмазное
острие, атом на вершине которого, благодаря возникновению при
сближении с атомом образца отталкивающих сил Ван-дер-Ваальса,
огибал его, а система управления, сообразуясь с его передвижением,
поддерживала оптимальное расстояние.
Центральным элементом АСМ является сканер, осуществляю-
щий сверхточное взаимное перемещение зонда и образца по трем
осям. В ранних коммерческих реализациях использовались три типа
таких нанопозиционеров: «трипод», на пьезотрубках и конический.
«Трипод» осуществляет независимое перемещение по трем осям
при помощи линейных двигателей. Основными его недостатками
являются большие размеры и значительная зависимость от измене-
ния температуры, вызванная несимметричностью конструкции.
Двигатели сканеров используют пьезотрубки, состоящие из изо-
лированных друг от друга секторов радиально поляризованного пье-
зоматериала, изгибающихся под действием приложенного напря-
жения в трех плоскостях. Достоинствами таких аппаратов являются
их простота, дешевизна, а также вполне достаточная рабочая зона
при умеренной длине пьезодвигателя. Но в числе недостатков подоб-
ных конструкций – низкие резонансные частоты, на них сильно дей-
ствуют эффекты гистерезиса и «дотягивания» (см. замечание о «дотя-
гивании»), проявляющиеся в пьезоматериалах, а также значительное
взаимовлияние между всеми тремя осями.
Разновидностью только что описанной конструкции является
сканер, использующий коническую пьезотрубку. Это усовершен-
ствование дает увеличение жесткости двигателя, повышение ре-
зонансных частот механизма и расширение рабочей зоны. Однако
сложность изготовления и большая стоимость предопределили ма-
лую распространенность такого решения.
Замечание о «дотягивании». Здесь и далее по тексту вместо англо-
язычного термина «creep» – сползание, будем применять более точно
описывающее суть явления, хотя и не вполне литературно правильное,
слово «дотягивание». Дело в том, что при приложении высокого напряжения к пьезоэлементу он быстро перемещается в прогнозируемое
положение. Но далее на протяжении нескольких минут при неизмен-
ном напряжении продолжает медленно изменять свой размер, причем
в заданном ранее направлении. Наибольшее перемещение можно наблю-
дать при снижении напряжения от максимума до нуля, когда оно со-
ставляет до 5% от наибольшего.
Усовершенствование туннельного микроскопа и превращение
его в АСМ не только чрезвычайно расширили область применения,
но и позволили наблюдать многие процессы, например в живой
клетке, в реальном времени, что, в свою очередь, в последнее де-
сятилетие сформировало новые требования к системам микронано-
позиционирования. Их скоростные свойства теперь должны обе-
спечить частоту сменяемости кадров, сравнимую с видеосъемкой, и
разрешение, сопоставимое с величиной атома, – менее одного на-
нометра.
1.2. Гибкие шарниры
В конструкции сканера типа «трипод», когда образец плоскопарал-
лельно перемещается относительно зонда, для поддержания пред-
метного столика были применены гибкие шарниры. Таким образом,
их реальное использование для создания сверхточных механизмов
имеет более чем тридцатилетнюю историю. Уже в работе [1] и ряде
других были заложены основные принципы их построения. В 90-х
годах ХХ века кроме микроскопии подобные механизмы нашли огра-
ниченное практическое применение в микроэлектромеханических
устройствах (MEMS), в первую очередь из-за отсутствия люфтов,
шума, трения (а значит, и смазки) и их компактности. В последние
десять лет общий прогресс в технологиях и понимании принципов
работы гибких шарниров выявил и такое их преимущество, как воз-
можность создания монолитных устройств, что значительно снижает
затраты при сборке. Следствием также является уменьшение массы,
а значит, улучшение частотных свойств. Износ устройства тоже за-
медляется. Кроме того, стал очевидным большой потенциал их даль-
нейшей миниатюризации и повышения точности. Выявились и не-
достатки, связанные с паразитными эффектами при перемещении,
девиациями траекторий движения, малой рабочей зоной, а также
сложностью разработки [4]. Но, несмотря на это, спектр применения
гибких механизмов все расширяется, они используются в микробиологии при операциях с клетками, в процессах сборки микролинз на
кристалле, производстве полупроводниковых структур и др. [7].
Примерно в это же время стали все шире распространяться ме-
ханизмы с параллельной структурой, обладающие, по сравнению
с последовательными, меньшей инерцией, большими жесткостью и
полезной нагрузкой, однако и меньшей рабочей зоной.
Влияние окружающей среды и быстродействие. Грозным вызовом
при проектировании нанопозиционеров является влияние окру-
жающей среды. Температурный дрейф, добавляясь к гистерезису и
«дотягиванию» – явлениям, органически свойственным пьезоэле-
ментам, может внести существенные искажения в результат. Если не
принять специальных мер для защиты механизма от возмущающих
воздействий, то на него, кроме вышеперечисленных факторов, бу-
дут действовать конвекционные потоки воздуха, вызывающие сто-
хастические перемещения. Это хорошо видно на рис. 1.1, где пред-
ставлен график зависимости положения центра рабочей зоны на-
нопозиционера от времени. Измерения проводились с помощью
интерферометра Майкельсона.
Кроме того, можно заметить, что самые короткие периоды сто-
хастических колебаний составляют около одной секунды. Это озна-
чает, что для снижения влияния этих колебаний на систему управ-
ления быстродействие манипулятора должно обеспечивать выпол-
нение нужного цикла перемещений за существенно более короткие,
чем одна секунда, отрезки времени.
Таким образом, не только скорость смены кадров при наблю-
дениях в реальном времени в атомно-силовых микроскопах требу-
ет повышения быстродействия самого манипулятора и его системы
управления, но и минимизация воздействия окружающей среды,
которая может быть достигнута аналогичными мерами. Впрочем, и
высокоточное термостатирование, и вакуумирование рабочей зоны
являются опробованными методами, хорошо зарекомендовавшими
себя в туннельной микроскопии.
Пьезодвигатель и его предварительное нагружение. Несмотря на
все упомянутые выше недостатки, двигатели на основе пьезоэле-
ментов, благодаря большому развиваемому усилию и быстродей-
ствию, чаще других используются в системах микронанопозицио-
нирования. Так, линейный пьезодвигатель, составленный из набора
керамических пластин, может создавать давление порядка тысяч
ньютонов на квадратный миллиметр, время изменения его длины
до максимальной может составлять единицы микросекунд, а уско-
рение при этом может доходить до 104 g.
Однако основным недостатком таких двигателей (а речь идет
именно о линейных моторах, с которыми все же приходится ми-
риться) является небольшой диапазон перемещения. Для одной и
той же конструкции он в основном определяется физическими ха-
рактеристиками применяемой пьезокерамики, количеством пла-
стин, и в среднем составляет примерно 1 мкм на 1 мм длины набора.
В реальности же бесконечно увеличивать число пластин толщина которых составляет порядка 100 мкм, увы, невозможно из-за их ко-
робления и потери плоскостности при сборке в пакет.
Для расширения диапазона можно либо включать ряд двигате-
лей последовательно, увеличивая общую длину, что существенно
удорожает конструкцию, либо применять специальные механизмы,
которые мы рассмотрим ниже.
В целях предохранения пакета пьезопластин от разрушения рас-
тягивающими силами инерции механизма и самого двигателя, воз-
никающими при переходных процессах, производители рекоменду-
ют предварительно сжимать его с некоторым усилием. В случае мо-
нолитных конструкций это можно сделать при помощи гибких эле-
ментов, которые перед установкой пьезодвигателя смещаются [6].
Простейший вариант представлен на рис. 1.2. Роль пружины может
выполнять и сам гибкий механизм.
В случае разработанного авторами механизма, описываемо-
го во второй части, производитель рекомендовал предварительное
сжатие с силой 350 Н. Для этого пьезодвигатель был помещен в ла-
тунный цилиндрический корпус (см. рис. 1.3). Давление приклады-
валось торцевыми крышками, закрепленными винтами с подложен-
ными под гайки шайбами, выполняющими роль упругих элементов.
Замечание о саморазогреве пьезоэлементов. Говоря о предваритель-
ном нагружении с помощью различных вариантов корпусов, уместно
упомянуть, что интенсивное изменение размеров пьезопластин под
действием приложенного напряжения приводит к повышению их тем-
пературы, что впоследствии может стать причиной их преждевре-
менного разрушения или, при превышении температуры Кюри, даже из-
менения их поляризации. Поэтому при расположении двигателя внутри
корпуса необходимо учитывать, что воздушная прослойка между ним
и внешней оболочкой может служить термоизолятором, что ухудшит
его температурный режим. Напротив, хороший температурный кон-
такт пьезопластин с соответствующим по теплоотдаче окружением
может его существенно улучшить.
Выбор материала для гибких шарниров. Есть множество меха-
нических характеристик материалов, влияющих на свойства изго-
товленных из них гибких шарниров. Основными являются модуль
упругости (E), удельная плотность () и температурный коэффи-
циент линейного расширения (ТКЛР). Если изделие планируется
изготавливать с помощью электроискровой обработки, то к этому
списку стоит добавить величину удельной электропроводности.
Для изготовления высокоточных и стабильных устройств пози-
ционирования, обладающих достаточным быстродействием, были
опробованы различные материалы с высоким модулем упругости,
как можно более низким температурным коэффициентом и плот-
ностью. Технология изготовления также наложила отпечаток на вы-
бор: известны удачные попытки изготовления механизмов на гиб-
ких элементах из различных пластмасс методом 3D-печати [6].
Из-за относительной дешевизны и легкости механической об-
работки в качестве материала для гибких элементов часто выби-
рают алюминиевые сплавы типа 7075 и 6061. Последний является
полным аналогом отечественного материала АД-33, тогда как раз-
личные варианты 7075, в зависимости от технологии закалки и
старения, по параметрам приближаются к Д16Т. Однако подобные
сплавы на основе алюминия обладают высоким значением темпе-
ратурного коэффициента, что ограничивает область их применения
системами, где все операции укладываются в секундный интервал
или ра ботающими в лабораторных условиях с хорошей термостаби-
лизацией.
Титановые сплавы обладают почти таким же отношением модуля
упругости к удельной плотности, но имеют существенно меньший
температурный коэффициент, что позволяет применять их в микро-
нанопозиционерах, долговременно работающих в условиях измене-
ния температуры окружающей среды. Но при всех положительных
свойствах этих материалов при сравнении со сплавами алюминия не
стоит забывать о существенно большей их цене и трудности механи-
ческой обработки.
Инвар, сплав никеля и стали, обладает еще более низким темпе-
ратурным коэффициентом и может применяться в особо ответственных механизмах, работающих в условиях температурной нестабиль-
ности. Он более дорог и труднее поддается механической обработке.
И, кроме того, инвар проявляет высокие магнитные свойства, что не
всегда удобно.
Термопластичные материалы, применяемые при трехмерной
печати, благодаря низкой цене, относительной простоте и ско-
рости изготовления привлекают внимание создателей устройств
на гибких шарнирах. По отношению величины модуля упругости
к плотности (19,8) они занимают почетное третье место вслед за
сплавами титана, а по температурному коэффициенту им вообще
нет равных (кроме суперинвара) – 0,8 · 10–6 K-1! Поэтому, если
в устройстве не создаются условия для превышения в гибких эле-
ментах предела прочности на растяжение (41,4 МПа), то, учитывая
вышесказанное, пластмассы вполне могут найти в нем примене-
ние. Вышеприведенные данные относятся к наиболее доступному
поликарбонату типа ABS, но существует еще целый ряд других ма-
териалов для объемной печати с более высокими механическими
характеристиками.
Бериллиевые бронзы (сплавы меди с бериллием и другими при-
садками) являются общепризнанными лидерами среди пружиня-
щих материалов. Примененная в описанном ниже нанопозиционе-
ре бронза марки БрБ2 обладает высоким значением модуля упруго-
сти, превосходящим алюминиевые и титановые сплавы (117,6 МПа)
и лучшим, чем у алюминиевых, температурным коэффициентом.
Она обрабатывается легче, чем титан, но проигрывает всем вышепе-
речисленным по плотности. Характеристики описанных выше материалов сведены в таблицу 1.
Диапазон перемещения. Нетрудно предположить, что для боль-
шинства применений размер рабочей зоны устройства является
критически важной величиной. Казалось бы, простое увеличение
диапазона перемещения путем последовательного соединения не-
скольких линейных пьезодвигателей на самом деле оборачивается
не только ростом габаритов и стоимости, но также и повышением
требований к мощности блоков питания за счет кратного увеличе-
ния силы тока при работе на высоких частотах.
В ряде критических случаев при оценке рабочей зоны необхо-
димо также учитывать и возможное ее сокращение из-за влияния
жесткости гибких шарниров, стремясь к тому, чтобы последняя
не превышала 10–20% от жесткости самого линейного двигателя.
Для расширения диапазона перемещения используют различ-
ные дополнительные устройства. Так, широко применяются парал-
лелограммы на гибких шарнирах, коэффициент трансформации
которых определяется отношением общей длины рычага к рас-
стоянию от нижнего по рисунку шарнира до линейного двигателя:
Kтр = (a + b) / b.
При реализации нанопозиционера в виде монолитной кон-
струкции часто используют так называемые мостовые механизмы,
в которых пьезодвигатель, расположенный внутри ромба из гибких
элементов, исходно находится в расширенном состоянии, а для со-
вершения нужного движения сокращается. Его коэффициент транс-
формации определяется как
Kтр = ((l 2 · sin2 + di · (2 · l · cos – di )) – l · sin ) / di .
Одним из самых известных устройств для расширения диа-
пазона является классический механизм Скотта – Рассела (Scott-
Russell), замечательный тем, что его выходное звено двигается
по прямой, строго перпендикулярной оси линейного двигателя.
Замечание о частотных свойствах. При проектировании рычаж-
ных устройств, изменяющих величину рабочей зоны в ту или иную сто-
рону, не следует забывать о том, что при добавлении их масс к общей
массе механизма понижаются его резонансные частоты. Для улучше-
ния частотных свойств устройства трансформации диапазона долж-
ны быть как можно более компактными и жесткими.
Последовательная или параллельная кинематика? Механизмы на
гибких шарнирах строятся с применением как последовательной,
так и параллельной кинематики. И каждая из них, в зависимости
от требований ТЗ, имеет свои достоинства и недостатки.
Последовательная кинематика в гибких механизмах строится
либо путем соединения друг за другом нескольких пьезодвигателей
в целях увеличения диапазона перемещения, либо путем расположе-
ния одного нанопозиционера внутри другого. Последняя схема дает
относительно хорошие частотные свойства при высокоскоростном
сканировании. Известны реализации подобных конструкций, обе-
спечивающие скорость сканирования до 70 кадров в секунду при
размере поля 1010 мкм [7]. Однако широкую полосу пропускания
можно обеспечить только по одной из осей. Это происходит в ос-
новном потому, что пьезодвигателю, соединенному с основанием,
приходится перемещать довольно значительную массу механизма
другой оси. Кроме того, очень трудно обеспечить измерение и кор-
рекцию ее паразитных перемещений, возникающих из-за влияния
других осей. Среди плюсов – возможность сэкономить за счет того,
что мощный и высокочастотный усилитель нужно ставить только на
одном направлении перемещения!
Параллельные структуры обеспечивают высокую точность дви-
жения, жесткость конструкции, следствием чего являются высокие
частотные свойства. Этому способствует и то обстоятельство, что все
двигатели закрепляются на основании, что уменьшает инерцион-
ную массу рабочей платформы. А то, что параллельные кинематики
обычно имеют симметричную структуру, в нанопозиционировании
дает еще один дополнительный плюс в виде меньшей чувствитель-
ности к температурным изменениям. Поэтому параллельная кине-
матика предпочтительнее для быстрого и точного сканирования.
Сложность подобных решений – в трудности минимизации взаи-
мовлияния осей x и y. Но известны конструкции, где действие этих
осей друг на друга уменьшено до -70 дБ [8].
Реализация нанопозиционеров в виде микроэлектромеханиче-
ских устройств (MEMS). Как уже упоминалось выше, разработка
микроэлектромеханических устройств началась около 30 лет на-
зад, превратившись ныне в мощную индустрию с многомилли-
ардными оборотами. В последнее десятилетие были предприня-
ты попытки реализации нанопозиционеров в виде монолитных
микроминиатюрных конструкций, выполненных по технологии
изготовления электронных интегральных схем. Одно из основ-
ных применений – создание миниатюрных устройств постоянного
хранения данных со сверхвысокой плотностью на основе принци-
пов действия микроскопа на атомных силах с одной лишь разни-
цей: для увеличения скорости считывания вместо одного микро-
зонда применяются большие их массивы. Областью применения
подобных приборов может быть архивирование или мобильные
устройства.
Каждый из тысяч микрозондов для записи и считывания инфор-
мации представляет собой иглу с острием, имеющим размер поряд-
ка одного нанометра. С их помощью записываются и считываются
данные, закодированные крошечными углублениями в носителе
из тонкой полимерной пленки.
Перемещение к нужному участку происходит посредством дву-
мерного сканера, который позиционирует носитель относительно
массива зондов. Такой метод позволяет достичь плотности записи
порядка нескольких терабит на квадратный дюйм [9].
Двигатели для MEMS-нанопозиционеров. Электромагнитные.
Для перемещения носителя относительно массива зондов разра-
ботано несколько конструкций, в большинстве из которых исполь-
зуются электромагнитные линейные двигатели. Они состоят из не-
большого постоянного магнита и катушки. Достоинством такого
рода устройств является то, что величина перемещения линейно
зависит от тока, что значительно упрощает управление и дает воз-
можность использовать низковольтные источники питания, харак-
терные для мобильных применений. Очевидным существенным
недостатком является то, что сборка электромагнитных двигателей
производится отдельно от остального механизма, который удается
изготовить в ходе группового процесса обработки, а это существен-
но увеличивает трудоемкость и сложность сборки. Потребление
энергии такими соленоидами также относительно велико.
Электростатические. Этот тип двигателей наиболее органич-
но подходит для использования в MEMS-приборах и хорошо из-
учен [10]. Их изготовление происходит в одном пакетном производственном процессе со всеми остальными деталями нанопозиционера. Существует ряд конструкций
электростатических двигателей, но наиболее распространенными являются так называемые расчески, представляющие собой два вложенных друг в друга с небольшим зазором ряда плоских
стержней (зубьев). При сообщении им противоположных потенци-
алов они притягиваются друг к другу с некоторой небольшой силой,
которую увеличивают путем наращивания их числа.
К достоинствам таких двигателей, кроме уже упомянутой про-
стоты изготовления, можно отнести малое энергопотребление.
Недостатком же является высокое напряжение, необходимое для их
работы, составляющее 100 и более вольт, что в мобильных примене-
ниях требует установки дополнительных преобразователей.
Диапазон перемещения устройств с такими двигателями срав-
ним с двигателями на пьезоэлементах и может составлять 50 и бо-
лее микрометров [11].
Электротермические. Наиболее часто используемым в микро-
исполнении термическим двигателем является устройство типа
«шеврон». Оно представляет собой массив из пар одинаковых пло-
ских стержней, соединенных друг с другом под небольшим углом.
Противоположные их концы упираются в общее основание. При
пропус кании через них тока они расширяются и вся конструкция
выгибается в направлении угла, образованного при соединении
стержней.
Электротермические микродвигатели по сравнению с электро-
статическими способны развивать большее усилие при меньшей
разности приложенных потенциалов, однако при значительно боль-
ших затратах энергии. Причем она расходуется даже тогда, когда
движения нет, а нужно только сохранять занятое положение.
В ряде применений решающим доводом в пользу электротерми-
ческих двигателей может стать их высокая вибрационная стойкость.
Реализация нанопозиционеров в микроисполнении. Исследова-
телями из разных стран был предпринят ряд попыток создать тун-
нельный микроскоп в виде MEMS-устройства, первая из которых
восходит к 1992 г. Нанопозиционер в той конструкции должен был
перемещать зонд относительно образца, а не наоборот, как это было
принято в «макрореализациях» туннельных микроскопов. Диапазон
такого движения составлял всего 200 нм, что существенно сужало
область применения микроскопа.
В 2012 году был создан АСМ, сканер которого был выполнен
в виде MEMS-устройства [10]. Он представлял конструкцию из
кремния, расположенную на изолирующем основании. В ее центре
находилась рабочая платформа размером 33 мм, которая приводи-
лась в движение двумя электростатическими двигателями типа «рас-
ческа». Они соединялись с ней посредством пружинящих стержней,
ориентированных вдоль направления перемещения. Такой кон-
струкцией удалось минимизировать взаимовлияние осей. Для мак-
симизации усилия двигателей «зубья расчески» были расположены
на минимально возможном по технологическим ограничениям рас-
стоянии в 2 мкм. Рабочая зона устройства оказалась равной 15 мкм
во всех направлениях, что вполне сравнимо с аналогичными пара-
метрами нанопозиционеров в «макроисполнении».
Все основные устройства микроскопа на атомных силах, вклю-
чая платформу, двигатели и пружинящие стержни, были выполнены
из легированного кремния толщиной 25 мкм.
Факторы, влияющие на работу нанопозиционеров
На характеристики устройств позиционирования субнаноме-
трового диапазона значительное влияние оказывают вибрации, ин-
дуцированные самим механизмом, гистерезис и «дотягивание» пье-
зодвигателей, взаимовлияние осей, окружающая среда, а также тем-
пературный дрейф. В частности, внутренняя вибрация ограничивает
частотную полосу механизма из-за возбуждения гибких элементов
в результате колебаний, наблюдающихся в системе в момент окон-
чания короткого фронта или спада управляющих сигналов, прихо-
дящих на пьезодвигатели. Обычно частота сканирования составляет
лишь от 1/10 до 1/100 от основной резонансной частоты механизма.
Повышения рабочей частоты можно добиться, используя более
жесткие пьезодвигатели с высокой резонансной частотой. Снизить
влияние гистерезиса подобных двигателей можно, ограничивая диа-
пазон его перемещения до 10% от максимального, что входит в оче-
видное противоречие с желательностью расширения рабочей зоны
при сохранении высокого разрешения.
При медленном же позиционировании начинают сказываться
эффекты «дотягивания» в пьезоэлементах и дрейфа. Для того что-
бы уменьшить их влияние, позиционирование должно происходить
достаточно быстро (при сканировании частота смены строк должна
быть более 1 Гц).
Если если в созданном механизме не удастся добиться полной
симметрии или избавиться от инерционных масс, которые приведут
к дисбалансу, то это увеличит взаимовлияние осей, что в конечном
итоге снизит точность позиционирования и быстродействие.
Однако в реалиях современного развития отечественной на-
уки и техники приходится учитывать, что кроме механики свои
существенные ограничения на величину разрешения может на-
кладывать и электронная система управления механизмом. Явля-
ясь в большинстве случаев цифровой, она вынуждена управлять
пьезодвигателями аналоговым сигналом посредством цифро-
аналоговых преобразователей (ЦАП). Одной из основных харак-
теристик, определяющих точность преобразования, является раз-
рядность ЦАП, определяющая минимальный интервал между дву-
мя значениями выходного сигнала, а значит, и наименьшее рас-
стояние между соседними положениями пьезодвигателя, которым
преобразователь управляет посредством усилителя. И даже при
использовании появившихся на российском рынке относитель-
но недавно микросхем 16-разрядных ЦАП минимальный шаг не
может быть менее чем в 216 раз меньше, чем весь диапазон пере-
мещения. Если величина последнего – 50 мкм, то минимальный
шаг составит около 1,5 нм, что несколько великовато по сравне-
нию с размером атома – пределом, к которому стремится поиск
методов получения так называемых двумерных материалов – од-
ноатомных слоев типа графена.
Судя по сообщениям от фирм – разработчиков интегральных
схем, выпускаются и 20-разрядные ЦАП, но они труднодоступны
на отечественном рынке. О существовании еще более прецизион-
ных преобразователей можно только догадываться хотя бы потому,
что этот вопрос никогда не рассматривается зарубежными исследо-
вателями, работающими в области нанопозиционирования.
Одним из путей преодоления искусственно созданной «элек-
тронной» проблемы минимального шага, описанной выше, являет-
ся создание механического каскада – редуктора, который обеспечил
бы его (шага) деление до нужной величины. Он мог бы стать частью
двухкаскадных систем с обратными связями, где в первом каскаде
перемещение пьезодвигателей будет умножаться, увеличивая рабо-
чую зону, а во втором – делиться, обеспечивая требуемое разреше-
ние. Такое решение позволит использовать 10–12-разрядные ЦАП
серийных микроконтроллеров, выпускаемых во многих странах
мира, а значит, значительно снизить стоимость электронной систе-
мы управления нанопозиционеров.
Описанию разработки каскада, обеспечивающего предельно
малый шаг передвижения выходного звена, посвящена следующая
часть этой статьи.
1.3. Еще один шаг вглубь. Понижающий редуктор шага
Первый вариант привода для микронанопозиционирования был
предложен в работе [12]. В нем, как и в установках зарубежных ис-
следователей, описанных в [3–5], в качестве электромеханических
преобразователей используются линейные пьезодвигатели, пред-
ставляющие собой композицию из некоторого (обычно большого --
до тысячи и более) количества пьезокерамических пластин толщи-
ной порядка 100 мкм. В нашем случае была использована продукция
фирмы «ЭЛПА» с максимальным перемещением около 60 мкм при изменении управляющего
на пряжения от 0 до 150 В.
В целях предохранения пакета пьезопластин от разрушения напряжением обратной полярности, которое может возникнуть при переходных процессах, производитель
рекомендовал предварительно сжимать его с усилием 350 Н. Для этого
пьезодвигатель был помещен в латунный цилиндрический корпус.
Его чертеж приведен на рис. 1.3.
Эксперимент показал, что характеристики пьезодвигателя «напряжение – перемещение» с корпусом и без него практически идентичны (см. рис. 1.10).
Для достижения субнанометровой повторяемости позициони-
рования в предложенном параллельном механизме с тремя степеня-
ми свободы использованы рычажные редукторы перемещения, обе-
спечивающие требуемое дробление шага линейного двигателя.
Модель такого рычага представлена на рис. 1.11.
Пьезодвигатель (на рисунке не показан) посредством закон-
тренного стального винта, упирающегося в торец набора пластин,
через гибкий шарнир классической формы типа сектора окружности 1 жестко соединяется
с входным звеном рычага.
Выходное звено рычага через аналогичный шарнир 2 воздействует на рабочую
платформу. Минимальное расстояние между полуцилиндрическими поверхностями шарниров составляет 1 мм. Хвостовик рычага 3 жестко закреплен в заделке, а та соединена с основанием.
Кинематическая схема первого варианта усnройства микронанопози ционирования приведена на рис. 1.13.
Первый вариант
Перемещение выходного звена 2 выполняется посредством
управления тремя линейными пьезодвигателями. Линейный дви-
гатель 9, жестко закрепленный одним концом с основанием 1, че-
рез кинематическую пару 8 воздействует на рычаг 5, опора которого
консольно соединена с основанием 1 посредством заделки 6 и гиб-
кого шарнира 7, который может поворачиваться относительно сво-
ей оси в зависимости от перемещения линейного двигателя 9. При
повороте рычага 5 усилие передается через кинематическую пару 4
платформе (выходному звену) 2. Учитывая разность плеча приложе-
ния усилий от двигателя 9 к рычагу 5 и плеча передачи усилия от
рычага 5 в сторону платформы 2, представляется возможным обе-
спечение передачи субмикронных перемещений выходному звену,
на котором размещается объект. Аналогично действуют два других
рычага. Задаваемое сложное перемещение платформы 2 относи-
тельно основания 1 достигается совместным действием всех линей-
ных двигателей.
Реализация механизма. Гибкие шарниры, составляющие основу
описанной выше кинематической схемы, были выполнены из бе-
риллиевой бронзы БрБ2. Для экономии материала основная длина
рычагов, не участвующая в изгибных процессах, сделана из сталь-
ных стержней, жестко соединенных с собственно шарнирами. За-
делки рычагов, связывающие их с основанием, были напечатаны на
3D-принтере из пластика типа ABS. Впоследствии они были заме-
нены на выполненные из Ст 3, что не привело к изменению характе-
ристик. Противоположные концы рычагов поддерживают треуголь-
ную платформу, выполненную из 20-мм листа алюминиевого спла-
ва. В качестве основания использована дюралевая плита, закреп-
ленная, в свою очередь, для проведения измерений на массивном
гранитном постаменте.
Как упоминалось ранее, линейные пьезодвигатели в круглых ла-
тунных корпусах посредством винтов консольно соединены с одной
стороны с входными звеньями (шарнирами) рычагов, с другой –
с основанием через упор из конструкционной стали.
На рис. 1.14 показан вид сверху на описанный механизм в мо-
мент проведения измерений. На рабочей платформе установлено
зеркало интерферометра, а к входному звену одного из рычагов по-
ставлен датчик перемещений (первоначально – механический, за-
менен впоследствии на индуктивный).
Контакт гайки на винте, который связывает линейный двига-
тель с упором, оказывает существенное влияние на характеристики
и требует и шлифовки поверхности, и полировки шайбы.
Экспериментальная установка. Для исследования перемещения
рабочей платформы был применен интерферометр Майкельсона
фирмы Reneshaw. Как и основание описываемого механизма, его
блок, содержащий лазер, был размещен на гранитной плите. Непро-
зрачное зеркало интерферометра, в зависимости от плана экспери-
мента, закреплялось в различных точках платформы, а его датчики,
корректирующие показания в зависимости от температуры, давле-
ния и влажности были размещены в непосредственной близости.
Полупрозрачное зеркало фиксировалось на гранитной плите.
Движение выходных звеньев рычагов регистрировалось индук-
тивными датчиками перемещения с минимальным разрешением
до 0,01 мкм. Блок-схема экспериментальной установки приведена
на рис. 1.15.
В процессе экспериментов с помощью интерферометра про-
водились измерения передвижения двух точек на рабочем столе:
центра на пересечении медиан и точки прикрепления выходного
звена рычага на пересечении оси симметрии шарнира с краем тре-
угольной поверхности. Регистрировалось смещение в направлении,
параллельном оси активного пьезодвигателя. Два других при этом
принимали участие в процессе пассивно, оставаясь под нулевым на-
пряжением.
Одновременно с помощью двух индуктивных датчиков фик-
сировались перемещения на входных звеньях активного и одного
из пассивных рычагов, что позволяло оценить их взаимовлияние.
Блок управления пьезодвигателями спроектирован как с воз-
можностью ручного задания посредством трех потенциометров,
так и путем подачи постоянного управляющего напряжения 0–5 В
от внешних устройств. Увеличение амплитуды сигнала осуществля-
ется с помощью трех мощных операционных усилителей, питаю-
щихся от высоковольтных стабилизаторов напряжения.
Усредненные результаты измерения зависимости перемещения
центра рабочей платформы и точки присоединения к ней выходнония положения входного
звена рычага приведены на рис. 1.16 и 1.17.
Второй вариант механизма. Анализ результатов измерений, приведенных на рис. 1.16 и 1.17, выявил необходимость поиска конструкции, обладающей более линейными, знакопостоянными реакциями на воздействие рычагов, что позволило бы упростить создание замкнутой системы управления. Добиться существенного изменения в поведении манипулятора удалось с минимальными затратами: путем установки в каждом рычаге дополнительного шарнира, плоскость изгиба которого перпендикулярна основному упругому элементу, ранее имевшемуся во входном звене рычага. Кинематическая схема
второго варианта механизма для микронаноперемещения приведена на рис. 1.18.
Все элементы, обозначенные на схеме, сохранили свое функци-
ональное назначение, упомянутое при описании первого варианта
устройства. Исключением являются дополнительные шарниры 10,
компенсирующие продольные перемещения в рычагах. Их кон-
струкция аналогична примененным в первом варианте. Выполнены
они из того же материала – бериллиевой бронзы. Существенно из-
менившиеся зависимости перемещения двух точек рабочего стола
от движения пьезодвигателя, особенно заметные при спаде напря-
жения на нем, приведены на рис. 1.19 и 1.20.
Экспериментальное исследование динамики микронаноманипу-
лятора. Для подачи на пьезодвигатель ступенчатого напряжения
близкой к идеальной формы была собрана специальная управля-
ющая схема на микроконтроллере, подающая сигнал на усилитель
напряжения в заданный момент времени, а затем снимающая его.
Таким образом, исключалась проблема дребезга контактов в меха-
нических переключателях. Перемещение центра стола во времени
фиксировалось интерферометром на описанной ранее эксперимен-
тальной установке.
Однако абсолютно чистого эксперимента провести не удалось
из-за органически присущей всем операционным усилителям склон-
ности к самовозбуждению при работе исключительно на емкостную
нагрузку. А именно таковой является пьезодвигатель! Для устране-
ния этого явления приходится последовательно с ним добавлять ак-
тивный компонент, что, естественно, сказывается на длительности переходного процесса. Таким образом, экспериментально был по-
добран включенный последовательно резистор минимально воз-
можного номинала, не позволявший электронной части системы
перейти в режим автоколебаний. Эксперименты показали, что вли-
яние дополнительной нагрузки на длительность переходного про-
цесса относительно невелико и не превышает 5%. На рис. 1.21 и 1.22
та или спада управляющего сигнала.
1.4. Выводы
Практически продемонстрирована работоспособность механизма
и возможность его применения в двухкаскадных устройствах, обла-
дающих как большой рабочей зоной, так и предельно малым раз-
решением.
Предложенный принцип построения манипуляторов для ми-
кронаноперемещения позволяет широко варьировать коэффици-
ент дробления минимального шага двигателя, доводя его в пределе
до величин, сравнимых с размерами атомов.
Исследованный механизм после перемещения стабильно воз-
вращается в исходное положение (с учетом наличия у пьезодвигате-
ля петли гистерезиса).
Взаимного влияния входных звеньев рычагов в процессе пере-
мещения не зафиксировано.
Литература
1. А.Ф. Крайнев, В.А. Глазунов, В.И. Нагорных. Разработка механизмов парал-
лельной структуры для малых перемещений с упругими изгибными кине-
матическими парами // Проблемы машиностроения и надежности машин.
1992, № 4, с. 79–86.
2. J. Yao S. Arney, N. C. MacDonald. Fabrication of High Frequency Two-
Dimensional Nanoactuators for Scanned Probe Devices. J. of Microelectromechanical
Systems vol. 1, no. 1, pp. 14–22, March 1992.
3. Fazenda, N., Lubrano, E., Rossopoulos, S., Clavel, R. Calibration of the 6 DOF
high-precision flexure parallel robot «Sigma 6» // 5th Chemnitzer Parallelkinematik
Seminar, pp. 379–398, Chemnitz (2006).
4. D. Schoenen, I. Prause, S. Palacios, B. Corves. Overview and Classification of Flexure
Hinge Based Micromanipulators // Microactuators and Micromechanisms,
Mechanisms and Machine Science 30, Springer International Publishing Switzerland
2015, pp. 51–59.
5. Yuan Yun, Yangmin Li. Design and analysis of a novel 6-DOF redundant actuated
parallel robot with compliant hinges for high precision positioning // Nonlinear
Dyn. (2010) 61, pp. 829–845.
6. Mohammadali Ghafarian, Bijan Shirinzadeh, Tilok Kumar Das, Ammar
Al-Jodah, Weichen Wei. Design of a novel parallel monolithic 6-DOF compliant
micromanipulation mechanism // Proceedings of the 2018 IEEE/ASME
International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), pp. 997–
1002, Auck land, New Zealand, July 9–12, 2018.
7. G. Binnig, C.F. Quate, C. Gerber. Atomic force microscope // Physical review
letters, Volume 56, № 9, pp. 930–934, 1986.
8. Y.K. Yong, S. O.R. Moheimani. Collocated Z-axis Control of a High-Speed
Nanopositioner for Video-rate Atomic Force Microscopy // IEEE Transactions on
Nanotechnology, 14 (2), pp. 338–345, 2015.
9. A. Pantazi, A. Sebastian, T.A. Antonakopoulos, P. Bächtold, A.R. Bonaccio, ...
Probe-based ultrahigh-density storage technology // IBM Journal of Research and
Development 52 (4.5), 493–511, 2008.
10. A. G. Fowler, A. N. Laskovski, A. C. Hammond, S. O. R. Moheimani. A 2-DOF
Electrostatically Actuated MEMS Nanopositioner for On-Chip AFM // Journal
of Microelectromechanical Systems, vol. 21, № 4, August 2012, pp. 771–773.
11. J.F. Alfaro and G. Fedder. Actuation for Probe-Based Mass Data Storage // Technical
Proceedings of the Fifth International Conference on Modeling and Simulation of
Microsystems (MSM ‘02), pp. 202–205, April 22–25, 2002, San Juan, Puerto Rico.
12. А.К. Алешин, Л.В. Гаврилина, А.С. Галигерова, В.А. Глазунов, А.В. Орлов.
Прецизионный привод микроперемещений объектов на основе механиз-
мов параллельной структуры // Сборник трудов 4-го Московского междуна-
родного симпозиума «Приводная техника и компоненты машин», Москва,
2018 г.
Данная работа является продолжением первой монографии
«Новые механизмы в современной робототехнике».
В новой монографии «Механизмы перспективных робототехни-
ческих систем» представлены научные подходы к проектированию и
созданию новых механизмов и машин для аддитивных технологий,
авиационных робототехнических систем, медицинской робототехни-
ки, объектов наноиндустрии, экзоскелетов и других систем. Приве-
денные исследования позволяют обеспечить заданные функциональ-
ные свойства, сократить и автоматизировать процессы разработки и
последующей эксплуатации робототехнических систем. Собранные
в монографию знания отражают современное состояние дел и на-
правления развития робототехники, что формирует актуальный науч-
ный фундамент для выполнения прикладных исследований и прак-
тических проектов.
Кроме того, ряд глав книги посвящен обзорным исследованиям,
представляющим современный уровень применяемых механизмов
в различных робототехнических системах, в частности в сварочном
производстве, космической и медицинской робототехнике.
Круг авторов данной монографии расширен и представляет
разные организации: ИМАШ РАН, ИКТИ РАН, МГТУ им. Н.Э. Бау-
мана, РГУ им. А.Н. Косыгина, ЮЗГУ, МАИ, научно-производствен-
ную компанию «Шторм», компанию «Ассистирующие хирургиче-
ские технологии».
Представленные результаты могут быть использованы при проек-
тировании машин и робототехнических систем новых классов.
ГЛАВА 1
МАНИПУЛЯТОР ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ
СТРУКТУРЫ НА ГИБКИХ
ШАРНИРАХ ДЛЯ МИКРО-
НАНОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТОВ
В.А. Глазунов, А.В. Орлов, А.К. Алешин, Н.А. Серков
1.1. Введение
Стремительно вошедшие в деловой обиход несколько лет назад слож-
носоставные слова, начинающиеся с приставки «нано-», которую
присоединяли к любым другим терминам, часто обозначавшим поня-
тия, вовсе не поддающиеся измерению, мелькнув яркими звездами,
стали потихоньку забываться, поскольку по законам моды поднадо-
ели и уже не производили желаемого впечатления на госчиновников.
Но в научном сообществе в последние три десятилетия, напротив,
эта приставка прижилась и стала сопровождать исследования во все
большем числе направлений. Это и бионанотехнологии, и наноме-
трология, изготовление полупроводниковых наноструктур, химиче-
ские нанотехнологии, нанообработка, нанопроизводство, материа-
ловедение, системы хранения данных сверхвысокой плотности и т.п.
Сканирующий туннельный микроскоп. Начало реальному про-
никновению исследователей в мир нанообъектов положило появ-
ление туннельных микроскопов, которые были созданы как одно
из применений метода измерения сверхмалых сил. В отличие от
традиционных «световых» и сканирующих электронных микро-
скопов, получающих изображение на основе отраженных электро-
магнитных волн, с помощью туннельных изучали поверхность, судя
по величине тока, протекавшего через сверхтонкий зонд, двигав-
шийся над поверхностью образца. И если у обычных микроскопов
разрешение ограничивается рефракцией электромагнитной волны,
то у туннельных оно зависит в основном от точности позициониро-
вания зонда. Естественное ограничение – возможность исследова-
ния таким методом только проводящих материалов – было преодолено в 1986 г. с появлением так называемых атомно-силовых микро-
скопов (АСМ – atomic force microscope) [7] – гибрида туннельного
микроскопа и профилометра. С их помощью получают трехмерное
изображение поверхности путем ее не посредственного «ощупыва-
ния» микрозондом, закрепленным на гибкой пластине, деформация
которой определяется по положению отраженного от нее лазерно-
го луча. Вместо вольфрамового зонда стали использовать алмазное
острие, атом на вершине которого, благодаря возникновению при
сближении с атомом образца отталкивающих сил Ван-дер-Ваальса,
огибал его, а система управления, сообразуясь с его передвижением,
поддерживала оптимальное расстояние.
Центральным элементом АСМ является сканер, осуществляю-
щий сверхточное взаимное перемещение зонда и образца по трем
осям. В ранних коммерческих реализациях использовались три типа
таких нанопозиционеров: «трипод», на пьезотрубках и конический.
«Трипод» осуществляет независимое перемещение по трем осям
при помощи линейных двигателей. Основными его недостатками
являются большие размеры и значительная зависимость от измене-
ния температуры, вызванная несимметричностью конструкции.
Двигатели сканеров используют пьезотрубки, состоящие из изо-
лированных друг от друга секторов радиально поляризованного пье-
зоматериала, изгибающихся под действием приложенного напря-
жения в трех плоскостях. Достоинствами таких аппаратов являются
их простота, дешевизна, а также вполне достаточная рабочая зона
при умеренной длине пьезодвигателя. Но в числе недостатков подоб-
ных конструкций – низкие резонансные частоты, на них сильно дей-
ствуют эффекты гистерезиса и «дотягивания» (см. замечание о «дотя-
гивании»), проявляющиеся в пьезоматериалах, а также значительное
взаимовлияние между всеми тремя осями.
Разновидностью только что описанной конструкции является
сканер, использующий коническую пьезотрубку. Это усовершен-
ствование дает увеличение жесткости двигателя, повышение ре-
зонансных частот механизма и расширение рабочей зоны. Однако
сложность изготовления и большая стоимость предопределили ма-
лую распространенность такого решения.
Замечание о «дотягивании». Здесь и далее по тексту вместо англо-
язычного термина «creep» – сползание, будем применять более точно
описывающее суть явления, хотя и не вполне литературно правильное,
слово «дотягивание». Дело в том, что при приложении высокого напряжения к пьезоэлементу он быстро перемещается в прогнозируемое
положение. Но далее на протяжении нескольких минут при неизмен-
ном напряжении продолжает медленно изменять свой размер, причем
в заданном ранее направлении. Наибольшее перемещение можно наблю-
дать при снижении напряжения от максимума до нуля, когда оно со-
ставляет до 5% от наибольшего.
Усовершенствование туннельного микроскопа и превращение
его в АСМ не только чрезвычайно расширили область применения,
но и позволили наблюдать многие процессы, например в живой
клетке, в реальном времени, что, в свою очередь, в последнее де-
сятилетие сформировало новые требования к системам микронано-
позиционирования. Их скоростные свойства теперь должны обе-
спечить частоту сменяемости кадров, сравнимую с видеосъемкой, и
разрешение, сопоставимое с величиной атома, – менее одного на-
нометра.
1.2. Гибкие шарниры
В конструкции сканера типа «трипод», когда образец плоскопарал-
лельно перемещается относительно зонда, для поддержания пред-
метного столика были применены гибкие шарниры. Таким образом,
их реальное использование для создания сверхточных механизмов
имеет более чем тридцатилетнюю историю. Уже в работе [1] и ряде
других были заложены основные принципы их построения. В 90-х
годах ХХ века кроме микроскопии подобные механизмы нашли огра-
ниченное практическое применение в микроэлектромеханических
устройствах (MEMS), в первую очередь из-за отсутствия люфтов,
шума, трения (а значит, и смазки) и их компактности. В последние
десять лет общий прогресс в технологиях и понимании принципов
работы гибких шарниров выявил и такое их преимущество, как воз-
можность создания монолитных устройств, что значительно снижает
затраты при сборке. Следствием также является уменьшение массы,
а значит, улучшение частотных свойств. Износ устройства тоже за-
медляется. Кроме того, стал очевидным большой потенциал их даль-
нейшей миниатюризации и повышения точности. Выявились и не-
достатки, связанные с паразитными эффектами при перемещении,
девиациями траекторий движения, малой рабочей зоной, а также
сложностью разработки [4]. Но, несмотря на это, спектр применения
гибких механизмов все расширяется, они используются в микробиологии при операциях с клетками, в процессах сборки микролинз на
кристалле, производстве полупроводниковых структур и др. [7].
Примерно в это же время стали все шире распространяться ме-
ханизмы с параллельной структурой, обладающие, по сравнению
с последовательными, меньшей инерцией, большими жесткостью и
полезной нагрузкой, однако и меньшей рабочей зоной.
Влияние окружающей среды и быстродействие. Грозным вызовом
при проектировании нанопозиционеров является влияние окру-
жающей среды. Температурный дрейф, добавляясь к гистерезису и
«дотягиванию» – явлениям, органически свойственным пьезоэле-
ментам, может внести существенные искажения в результат. Если не
принять специальных мер для защиты механизма от возмущающих
воздействий, то на него, кроме вышеперечисленных факторов, бу-
дут действовать конвекционные потоки воздуха, вызывающие сто-
хастические перемещения. Это хорошо видно на рис. 1.1, где пред-
ставлен график зависимости положения центра рабочей зоны на-
нопозиционера от времени. Измерения проводились с помощью
интерферометра Майкельсона.
Кроме того, можно заметить, что самые короткие периоды сто-
хастических колебаний составляют около одной секунды. Это озна-
чает, что для снижения влияния этих колебаний на систему управ-
ления быстродействие манипулятора должно обеспечивать выпол-
нение нужного цикла перемещений за существенно более короткие,
чем одна секунда, отрезки времени.
Таким образом, не только скорость смены кадров при наблю-
дениях в реальном времени в атомно-силовых микроскопах требу-
ет повышения быстродействия самого манипулятора и его системы
управления, но и минимизация воздействия окружающей среды,
которая может быть достигнута аналогичными мерами. Впрочем, и
высокоточное термостатирование, и вакуумирование рабочей зоны
являются опробованными методами, хорошо зарекомендовавшими
себя в туннельной микроскопии.
Пьезодвигатель и его предварительное нагружение. Несмотря на
все упомянутые выше недостатки, двигатели на основе пьезоэле-
ментов, благодаря большому развиваемому усилию и быстродей-
ствию, чаще других используются в системах микронанопозицио-
нирования. Так, линейный пьезодвигатель, составленный из набора
керамических пластин, может создавать давление порядка тысяч
ньютонов на квадратный миллиметр, время изменения его длины
до максимальной может составлять единицы микросекунд, а уско-
рение при этом может доходить до 104 g.
Однако основным недостатком таких двигателей (а речь идет
именно о линейных моторах, с которыми все же приходится ми-
риться) является небольшой диапазон перемещения. Для одной и
той же конструкции он в основном определяется физическими ха-
рактеристиками применяемой пьезокерамики, количеством пла-
стин, и в среднем составляет примерно 1 мкм на 1 мм длины набора.
В реальности же бесконечно увеличивать число пластин толщина которых составляет порядка 100 мкм, увы, невозможно из-за их ко-
робления и потери плоскостности при сборке в пакет.
Для расширения диапазона можно либо включать ряд двигате-
лей последовательно, увеличивая общую длину, что существенно
удорожает конструкцию, либо применять специальные механизмы,
которые мы рассмотрим ниже.
В целях предохранения пакета пьезопластин от разрушения рас-
тягивающими силами инерции механизма и самого двигателя, воз-
никающими при переходных процессах, производители рекоменду-
ют предварительно сжимать его с некоторым усилием. В случае мо-
нолитных конструкций это можно сделать при помощи гибких эле-
ментов, которые перед установкой пьезодвигателя смещаются [6].
Простейший вариант представлен на рис. 1.2. Роль пружины может
выполнять и сам гибкий механизм.
В случае разработанного авторами механизма, описываемо-
го во второй части, производитель рекомендовал предварительное
сжатие с силой 350 Н. Для этого пьезодвигатель был помещен в ла-
тунный цилиндрический корпус (см. рис. 1.3). Давление приклады-
валось торцевыми крышками, закрепленными винтами с подложен-
ными под гайки шайбами, выполняющими роль упругих элементов.
Замечание о саморазогреве пьезоэлементов. Говоря о предваритель-
ном нагружении с помощью различных вариантов корпусов, уместно
упомянуть, что интенсивное изменение размеров пьезопластин под
действием приложенного напряжения приводит к повышению их тем-
пературы, что впоследствии может стать причиной их преждевре-
менного разрушения или, при превышении температуры Кюри, даже из-
менения их поляризации. Поэтому при расположении двигателя внутри
корпуса необходимо учитывать, что воздушная прослойка между ним
и внешней оболочкой может служить термоизолятором, что ухудшит
его температурный режим. Напротив, хороший температурный кон-
такт пьезопластин с соответствующим по теплоотдаче окружением
может его существенно улучшить.
Выбор материала для гибких шарниров. Есть множество меха-
нических характеристик материалов, влияющих на свойства изго-
товленных из них гибких шарниров. Основными являются модуль
упругости (E), удельная плотность () и температурный коэффи-
циент линейного расширения (ТКЛР). Если изделие планируется
изготавливать с помощью электроискровой обработки, то к этому
списку стоит добавить величину удельной электропроводности.
Для изготовления высокоточных и стабильных устройств пози-
ционирования, обладающих достаточным быстродействием, были
опробованы различные материалы с высоким модулем упругости,
как можно более низким температурным коэффициентом и плот-
ностью. Технология изготовления также наложила отпечаток на вы-
бор: известны удачные попытки изготовления механизмов на гиб-
ких элементах из различных пластмасс методом 3D-печати [6].
Из-за относительной дешевизны и легкости механической об-
работки в качестве материала для гибких элементов часто выби-
рают алюминиевые сплавы типа 7075 и 6061. Последний является
полным аналогом отечественного материала АД-33, тогда как раз-
личные варианты 7075, в зависимости от технологии закалки и
старения, по параметрам приближаются к Д16Т. Однако подобные
сплавы на основе алюминия обладают высоким значением темпе-
ратурного коэффициента, что ограничивает область их применения
системами, где все операции укладываются в секундный интервал
или ра ботающими в лабораторных условиях с хорошей термостаби-
лизацией.
Титановые сплавы обладают почти таким же отношением модуля
упругости к удельной плотности, но имеют существенно меньший
температурный коэффициент, что позволяет применять их в микро-
нанопозиционерах, долговременно работающих в условиях измене-
ния температуры окружающей среды. Но при всех положительных
свойствах этих материалов при сравнении со сплавами алюминия не
стоит забывать о существенно большей их цене и трудности механи-
ческой обработки.
Инвар, сплав никеля и стали, обладает еще более низким темпе-
ратурным коэффициентом и может применяться в особо ответственных механизмах, работающих в условиях температурной нестабиль-
ности. Он более дорог и труднее поддается механической обработке.
И, кроме того, инвар проявляет высокие магнитные свойства, что не
всегда удобно.
Термопластичные материалы, применяемые при трехмерной
печати, благодаря низкой цене, относительной простоте и ско-
рости изготовления привлекают внимание создателей устройств
на гибких шарнирах. По отношению величины модуля упругости
к плотности (19,8) они занимают почетное третье место вслед за
сплавами титана, а по температурному коэффициенту им вообще
нет равных (кроме суперинвара) – 0,8 · 10–6 K-1! Поэтому, если
в устройстве не создаются условия для превышения в гибких эле-
ментах предела прочности на растяжение (41,4 МПа), то, учитывая
вышесказанное, пластмассы вполне могут найти в нем примене-
ние. Вышеприведенные данные относятся к наиболее доступному
поликарбонату типа ABS, но существует еще целый ряд других ма-
териалов для объемной печати с более высокими механическими
характеристиками.
Бериллиевые бронзы (сплавы меди с бериллием и другими при-
садками) являются общепризнанными лидерами среди пружиня-
щих материалов. Примененная в описанном ниже нанопозиционе-
ре бронза марки БрБ2 обладает высоким значением модуля упруго-
сти, превосходящим алюминиевые и титановые сплавы (117,6 МПа)
и лучшим, чем у алюминиевых, температурным коэффициентом.
Она обрабатывается легче, чем титан, но проигрывает всем вышепе-
речисленным по плотности. Характеристики описанных выше материалов сведены в таблицу 1.
Диапазон перемещения. Нетрудно предположить, что для боль-
шинства применений размер рабочей зоны устройства является
критически важной величиной. Казалось бы, простое увеличение
диапазона перемещения путем последовательного соединения не-
скольких линейных пьезодвигателей на самом деле оборачивается
не только ростом габаритов и стоимости, но также и повышением
требований к мощности блоков питания за счет кратного увеличе-
ния силы тока при работе на высоких частотах.
В ряде критических случаев при оценке рабочей зоны необхо-
димо также учитывать и возможное ее сокращение из-за влияния
жесткости гибких шарниров, стремясь к тому, чтобы последняя
не превышала 10–20% от жесткости самого линейного двигателя.
Для расширения диапазона перемещения используют различ-
ные дополнительные устройства. Так, широко применяются парал-
лелограммы на гибких шарнирах, коэффициент трансформации
которых определяется отношением общей длины рычага к рас-
стоянию от нижнего по рисунку шарнира до линейного двигателя:
Kтр = (a + b) / b.
При реализации нанопозиционера в виде монолитной кон-
струкции часто используют так называемые мостовые механизмы,
в которых пьезодвигатель, расположенный внутри ромба из гибких
элементов, исходно находится в расширенном состоянии, а для со-
вершения нужного движения сокращается. Его коэффициент транс-
формации определяется как
Kтр = ((l 2 · sin2 + di · (2 · l · cos – di )) – l · sin ) / di .
Одним из самых известных устройств для расширения диа-
пазона является классический механизм Скотта – Рассела (Scott-
Russell), замечательный тем, что его выходное звено двигается
по прямой, строго перпендикулярной оси линейного двигателя.
Замечание о частотных свойствах. При проектировании рычаж-
ных устройств, изменяющих величину рабочей зоны в ту или иную сто-
рону, не следует забывать о том, что при добавлении их масс к общей
массе механизма понижаются его резонансные частоты. Для улучше-
ния частотных свойств устройства трансформации диапазона долж-
ны быть как можно более компактными и жесткими.
Последовательная или параллельная кинематика? Механизмы на
гибких шарнирах строятся с применением как последовательной,
так и параллельной кинематики. И каждая из них, в зависимости
от требований ТЗ, имеет свои достоинства и недостатки.
Последовательная кинематика в гибких механизмах строится
либо путем соединения друг за другом нескольких пьезодвигателей
в целях увеличения диапазона перемещения, либо путем расположе-
ния одного нанопозиционера внутри другого. Последняя схема дает
относительно хорошие частотные свойства при высокоскоростном
сканировании. Известны реализации подобных конструкций, обе-
спечивающие скорость сканирования до 70 кадров в секунду при
размере поля 1010 мкм [7]. Однако широкую полосу пропускания
можно обеспечить только по одной из осей. Это происходит в ос-
новном потому, что пьезодвигателю, соединенному с основанием,
приходится перемещать довольно значительную массу механизма
другой оси. Кроме того, очень трудно обеспечить измерение и кор-
рекцию ее паразитных перемещений, возникающих из-за влияния
других осей. Среди плюсов – возможность сэкономить за счет того,
что мощный и высокочастотный усилитель нужно ставить только на
одном направлении перемещения!
Параллельные структуры обеспечивают высокую точность дви-
жения, жесткость конструкции, следствием чего являются высокие
частотные свойства. Этому способствует и то обстоятельство, что все
двигатели закрепляются на основании, что уменьшает инерцион-
ную массу рабочей платформы. А то, что параллельные кинематики
обычно имеют симметричную структуру, в нанопозиционировании
дает еще один дополнительный плюс в виде меньшей чувствитель-
ности к температурным изменениям. Поэтому параллельная кине-
матика предпочтительнее для быстрого и точного сканирования.
Сложность подобных решений – в трудности минимизации взаи-
мовлияния осей x и y. Но известны конструкции, где действие этих
осей друг на друга уменьшено до -70 дБ [8].
Реализация нанопозиционеров в виде микроэлектромеханиче-
ских устройств (MEMS). Как уже упоминалось выше, разработка
микроэлектромеханических устройств началась около 30 лет на-
зад, превратившись ныне в мощную индустрию с многомилли-
ардными оборотами. В последнее десятилетие были предприня-
ты попытки реализации нанопозиционеров в виде монолитных
микроминиатюрных конструкций, выполненных по технологии
изготовления электронных интегральных схем. Одно из основ-
ных применений – создание миниатюрных устройств постоянного
хранения данных со сверхвысокой плотностью на основе принци-
пов действия микроскопа на атомных силах с одной лишь разни-
цей: для увеличения скорости считывания вместо одного микро-
зонда применяются большие их массивы. Областью применения
подобных приборов может быть архивирование или мобильные
устройства.
Каждый из тысяч микрозондов для записи и считывания инфор-
мации представляет собой иглу с острием, имеющим размер поряд-
ка одного нанометра. С их помощью записываются и считываются
данные, закодированные крошечными углублениями в носителе
из тонкой полимерной пленки.
Перемещение к нужному участку происходит посредством дву-
мерного сканера, который позиционирует носитель относительно
массива зондов. Такой метод позволяет достичь плотности записи
порядка нескольких терабит на квадратный дюйм [9].
Двигатели для MEMS-нанопозиционеров. Электромагнитные.
Для перемещения носителя относительно массива зондов разра-
ботано несколько конструкций, в большинстве из которых исполь-
зуются электромагнитные линейные двигатели. Они состоят из не-
большого постоянного магнита и катушки. Достоинством такого
рода устройств является то, что величина перемещения линейно
зависит от тока, что значительно упрощает управление и дает воз-
можность использовать низковольтные источники питания, харак-
терные для мобильных применений. Очевидным существенным
недостатком является то, что сборка электромагнитных двигателей
производится отдельно от остального механизма, который удается
изготовить в ходе группового процесса обработки, а это существен-
но увеличивает трудоемкость и сложность сборки. Потребление
энергии такими соленоидами также относительно велико.
Электростатические. Этот тип двигателей наиболее органич-
но подходит для использования в MEMS-приборах и хорошо из-
учен [10]. Их изготовление происходит в одном пакетном производственном процессе со всеми остальными деталями нанопозиционера. Существует ряд конструкций
электростатических двигателей, но наиболее распространенными являются так называемые расчески, представляющие собой два вложенных друг в друга с небольшим зазором ряда плоских
стержней (зубьев). При сообщении им противоположных потенци-
алов они притягиваются друг к другу с некоторой небольшой силой,
которую увеличивают путем наращивания их числа.
К достоинствам таких двигателей, кроме уже упомянутой про-
стоты изготовления, можно отнести малое энергопотребление.
Недостатком же является высокое напряжение, необходимое для их
работы, составляющее 100 и более вольт, что в мобильных примене-
ниях требует установки дополнительных преобразователей.
Диапазон перемещения устройств с такими двигателями срав-
ним с двигателями на пьезоэлементах и может составлять 50 и бо-
лее микрометров [11].
Электротермические. Наиболее часто используемым в микро-
исполнении термическим двигателем является устройство типа
«шеврон». Оно представляет собой массив из пар одинаковых пло-
ских стержней, соединенных друг с другом под небольшим углом.
Противоположные их концы упираются в общее основание. При
пропус кании через них тока они расширяются и вся конструкция
выгибается в направлении угла, образованного при соединении
стержней.
Электротермические микродвигатели по сравнению с электро-
статическими способны развивать большее усилие при меньшей
разности приложенных потенциалов, однако при значительно боль-
ших затратах энергии. Причем она расходуется даже тогда, когда
движения нет, а нужно только сохранять занятое положение.
В ряде применений решающим доводом в пользу электротерми-
ческих двигателей может стать их высокая вибрационная стойкость.
Реализация нанопозиционеров в микроисполнении. Исследова-
телями из разных стран был предпринят ряд попыток создать тун-
нельный микроскоп в виде MEMS-устройства, первая из которых
восходит к 1992 г. Нанопозиционер в той конструкции должен был
перемещать зонд относительно образца, а не наоборот, как это было
принято в «макрореализациях» туннельных микроскопов. Диапазон
такого движения составлял всего 200 нм, что существенно сужало
область применения микроскопа.
В 2012 году был создан АСМ, сканер которого был выполнен
в виде MEMS-устройства [10]. Он представлял конструкцию из
кремния, расположенную на изолирующем основании. В ее центре
находилась рабочая платформа размером 33 мм, которая приводи-
лась в движение двумя электростатическими двигателями типа «рас-
ческа». Они соединялись с ней посредством пружинящих стержней,
ориентированных вдоль направления перемещения. Такой кон-
струкцией удалось минимизировать взаимовлияние осей. Для мак-
симизации усилия двигателей «зубья расчески» были расположены
на минимально возможном по технологическим ограничениям рас-
стоянии в 2 мкм. Рабочая зона устройства оказалась равной 15 мкм
во всех направлениях, что вполне сравнимо с аналогичными пара-
метрами нанопозиционеров в «макроисполнении».
Все основные устройства микроскопа на атомных силах, вклю-
чая платформу, двигатели и пружинящие стержни, были выполнены
из легированного кремния толщиной 25 мкм.
Факторы, влияющие на работу нанопозиционеров
На характеристики устройств позиционирования субнаноме-
трового диапазона значительное влияние оказывают вибрации, ин-
дуцированные самим механизмом, гистерезис и «дотягивание» пье-
зодвигателей, взаимовлияние осей, окружающая среда, а также тем-
пературный дрейф. В частности, внутренняя вибрация ограничивает
частотную полосу механизма из-за возбуждения гибких элементов
в результате колебаний, наблюдающихся в системе в момент окон-
чания короткого фронта или спада управляющих сигналов, прихо-
дящих на пьезодвигатели. Обычно частота сканирования составляет
лишь от 1/10 до 1/100 от основной резонансной частоты механизма.
Повышения рабочей частоты можно добиться, используя более
жесткие пьезодвигатели с высокой резонансной частотой. Снизить
влияние гистерезиса подобных двигателей можно, ограничивая диа-
пазон его перемещения до 10% от максимального, что входит в оче-
видное противоречие с желательностью расширения рабочей зоны
при сохранении высокого разрешения.
При медленном же позиционировании начинают сказываться
эффекты «дотягивания» в пьезоэлементах и дрейфа. Для того что-
бы уменьшить их влияние, позиционирование должно происходить
достаточно быстро (при сканировании частота смены строк должна
быть более 1 Гц).
Если если в созданном механизме не удастся добиться полной
симметрии или избавиться от инерционных масс, которые приведут
к дисбалансу, то это увеличит взаимовлияние осей, что в конечном
итоге снизит точность позиционирования и быстродействие.
Однако в реалиях современного развития отечественной на-
уки и техники приходится учитывать, что кроме механики свои
существенные ограничения на величину разрешения может на-
кладывать и электронная система управления механизмом. Явля-
ясь в большинстве случаев цифровой, она вынуждена управлять
пьезодвигателями аналоговым сигналом посредством цифро-
аналоговых преобразователей (ЦАП). Одной из основных харак-
теристик, определяющих точность преобразования, является раз-
рядность ЦАП, определяющая минимальный интервал между дву-
мя значениями выходного сигнала, а значит, и наименьшее рас-
стояние между соседними положениями пьезодвигателя, которым
преобразователь управляет посредством усилителя. И даже при
использовании появившихся на российском рынке относитель-
но недавно микросхем 16-разрядных ЦАП минимальный шаг не
может быть менее чем в 216 раз меньше, чем весь диапазон пере-
мещения. Если величина последнего – 50 мкм, то минимальный
шаг составит около 1,5 нм, что несколько великовато по сравне-
нию с размером атома – пределом, к которому стремится поиск
методов получения так называемых двумерных материалов – од-
ноатомных слоев типа графена.
Судя по сообщениям от фирм – разработчиков интегральных
схем, выпускаются и 20-разрядные ЦАП, но они труднодоступны
на отечественном рынке. О существовании еще более прецизион-
ных преобразователей можно только догадываться хотя бы потому,
что этот вопрос никогда не рассматривается зарубежными исследо-
вателями, работающими в области нанопозиционирования.
Одним из путей преодоления искусственно созданной «элек-
тронной» проблемы минимального шага, описанной выше, являет-
ся создание механического каскада – редуктора, который обеспечил
бы его (шага) деление до нужной величины. Он мог бы стать частью
двухкаскадных систем с обратными связями, где в первом каскаде
перемещение пьезодвигателей будет умножаться, увеличивая рабо-
чую зону, а во втором – делиться, обеспечивая требуемое разреше-
ние. Такое решение позволит использовать 10–12-разрядные ЦАП
серийных микроконтроллеров, выпускаемых во многих странах
мира, а значит, значительно снизить стоимость электронной систе-
мы управления нанопозиционеров.
Описанию разработки каскада, обеспечивающего предельно
малый шаг передвижения выходного звена, посвящена следующая
часть этой статьи.
1.3. Еще один шаг вглубь. Понижающий редуктор шага
Первый вариант привода для микронанопозиционирования был
предложен в работе [12]. В нем, как и в установках зарубежных ис-
следователей, описанных в [3–5], в качестве электромеханических
преобразователей используются линейные пьезодвигатели, пред-
ставляющие собой композицию из некоторого (обычно большого --
до тысячи и более) количества пьезокерамических пластин толщи-
ной порядка 100 мкм. В нашем случае была использована продукция
фирмы «ЭЛПА» с максимальным перемещением около 60 мкм при изменении управляющего
на пряжения от 0 до 150 В.
В целях предохранения пакета пьезопластин от разрушения напряжением обратной полярности, которое может возникнуть при переходных процессах, производитель
рекомендовал предварительно сжимать его с усилием 350 Н. Для этого
пьезодвигатель был помещен в латунный цилиндрический корпус.
Его чертеж приведен на рис. 1.3.
Эксперимент показал, что характеристики пьезодвигателя «напряжение – перемещение» с корпусом и без него практически идентичны (см. рис. 1.10).
Для достижения субнанометровой повторяемости позициони-
рования в предложенном параллельном механизме с тремя степеня-
ми свободы использованы рычажные редукторы перемещения, обе-
спечивающие требуемое дробление шага линейного двигателя.
Модель такого рычага представлена на рис. 1.11.
Пьезодвигатель (на рисунке не показан) посредством закон-
тренного стального винта, упирающегося в торец набора пластин,
через гибкий шарнир классической формы типа сектора окружности 1 жестко соединяется
с входным звеном рычага.
Выходное звено рычага через аналогичный шарнир 2 воздействует на рабочую
платформу. Минимальное расстояние между полуцилиндрическими поверхностями шарниров составляет 1 мм. Хвостовик рычага 3 жестко закреплен в заделке, а та соединена с основанием.
Кинематическая схема первого варианта усnройства микронанопози ционирования приведена на рис. 1.13.
Первый вариант
Перемещение выходного звена 2 выполняется посредством
управления тремя линейными пьезодвигателями. Линейный дви-
гатель 9, жестко закрепленный одним концом с основанием 1, че-
рез кинематическую пару 8 воздействует на рычаг 5, опора которого
консольно соединена с основанием 1 посредством заделки 6 и гиб-
кого шарнира 7, который может поворачиваться относительно сво-
ей оси в зависимости от перемещения линейного двигателя 9. При
повороте рычага 5 усилие передается через кинематическую пару 4
платформе (выходному звену) 2. Учитывая разность плеча приложе-
ния усилий от двигателя 9 к рычагу 5 и плеча передачи усилия от
рычага 5 в сторону платформы 2, представляется возможным обе-
спечение передачи субмикронных перемещений выходному звену,
на котором размещается объект. Аналогично действуют два других
рычага. Задаваемое сложное перемещение платформы 2 относи-
тельно основания 1 достигается совместным действием всех линей-
ных двигателей.
Реализация механизма. Гибкие шарниры, составляющие основу
описанной выше кинематической схемы, были выполнены из бе-
риллиевой бронзы БрБ2. Для экономии материала основная длина
рычагов, не участвующая в изгибных процессах, сделана из сталь-
ных стержней, жестко соединенных с собственно шарнирами. За-
делки рычагов, связывающие их с основанием, были напечатаны на
3D-принтере из пластика типа ABS. Впоследствии они были заме-
нены на выполненные из Ст 3, что не привело к изменению характе-
ристик. Противоположные концы рычагов поддерживают треуголь-
ную платформу, выполненную из 20-мм листа алюминиевого спла-
ва. В качестве основания использована дюралевая плита, закреп-
ленная, в свою очередь, для проведения измерений на массивном
гранитном постаменте.
Как упоминалось ранее, линейные пьезодвигатели в круглых ла-
тунных корпусах посредством винтов консольно соединены с одной
стороны с входными звеньями (шарнирами) рычагов, с другой –
с основанием через упор из конструкционной стали.
На рис. 1.14 показан вид сверху на описанный механизм в мо-
мент проведения измерений. На рабочей платформе установлено
зеркало интерферометра, а к входному звену одного из рычагов по-
ставлен датчик перемещений (первоначально – механический, за-
менен впоследствии на индуктивный).
Контакт гайки на винте, который связывает линейный двига-
тель с упором, оказывает существенное влияние на характеристики
и требует и шлифовки поверхности, и полировки шайбы.
Экспериментальная установка. Для исследования перемещения
рабочей платформы был применен интерферометр Майкельсона
фирмы Reneshaw. Как и основание описываемого механизма, его
блок, содержащий лазер, был размещен на гранитной плите. Непро-
зрачное зеркало интерферометра, в зависимости от плана экспери-
мента, закреплялось в различных точках платформы, а его датчики,
корректирующие показания в зависимости от температуры, давле-
ния и влажности были размещены в непосредственной близости.
Полупрозрачное зеркало фиксировалось на гранитной плите.
Движение выходных звеньев рычагов регистрировалось индук-
тивными датчиками перемещения с минимальным разрешением
до 0,01 мкм. Блок-схема экспериментальной установки приведена
на рис. 1.15.
В процессе экспериментов с помощью интерферометра про-
водились измерения передвижения двух точек на рабочем столе:
центра на пересечении медиан и точки прикрепления выходного
звена рычага на пересечении оси симметрии шарнира с краем тре-
угольной поверхности. Регистрировалось смещение в направлении,
параллельном оси активного пьезодвигателя. Два других при этом
принимали участие в процессе пассивно, оставаясь под нулевым на-
пряжением.
Одновременно с помощью двух индуктивных датчиков фик-
сировались перемещения на входных звеньях активного и одного
из пассивных рычагов, что позволяло оценить их взаимовлияние.
Блок управления пьезодвигателями спроектирован как с воз-
можностью ручного задания посредством трех потенциометров,
так и путем подачи постоянного управляющего напряжения 0–5 В
от внешних устройств. Увеличение амплитуды сигнала осуществля-
ется с помощью трех мощных операционных усилителей, питаю-
щихся от высоковольтных стабилизаторов напряжения.
Усредненные результаты измерения зависимости перемещения
центра рабочей платформы и точки присоединения к ней выходнония положения входного
звена рычага приведены на рис. 1.16 и 1.17.
Второй вариант механизма. Анализ результатов измерений, приведенных на рис. 1.16 и 1.17, выявил необходимость поиска конструкции, обладающей более линейными, знакопостоянными реакциями на воздействие рычагов, что позволило бы упростить создание замкнутой системы управления. Добиться существенного изменения в поведении манипулятора удалось с минимальными затратами: путем установки в каждом рычаге дополнительного шарнира, плоскость изгиба которого перпендикулярна основному упругому элементу, ранее имевшемуся во входном звене рычага. Кинематическая схема
второго варианта механизма для микронаноперемещения приведена на рис. 1.18.
Все элементы, обозначенные на схеме, сохранили свое функци-
ональное назначение, упомянутое при описании первого варианта
устройства. Исключением являются дополнительные шарниры 10,
компенсирующие продольные перемещения в рычагах. Их кон-
струкция аналогична примененным в первом варианте. Выполнены
они из того же материала – бериллиевой бронзы. Существенно из-
менившиеся зависимости перемещения двух точек рабочего стола
от движения пьезодвигателя, особенно заметные при спаде напря-
жения на нем, приведены на рис. 1.19 и 1.20.
Экспериментальное исследование динамики микронаноманипу-
лятора. Для подачи на пьезодвигатель ступенчатого напряжения
близкой к идеальной формы была собрана специальная управля-
ющая схема на микроконтроллере, подающая сигнал на усилитель
напряжения в заданный момент времени, а затем снимающая его.
Таким образом, исключалась проблема дребезга контактов в меха-
нических переключателях. Перемещение центра стола во времени
фиксировалось интерферометром на описанной ранее эксперимен-
тальной установке.
Однако абсолютно чистого эксперимента провести не удалось
из-за органически присущей всем операционным усилителям склон-
ности к самовозбуждению при работе исключительно на емкостную
нагрузку. А именно таковой является пьезодвигатель! Для устране-
ния этого явления приходится последовательно с ним добавлять ак-
тивный компонент, что, естественно, сказывается на длительности переходного процесса. Таким образом, экспериментально был по-
добран включенный последовательно резистор минимально воз-
можного номинала, не позволявший электронной части системы
перейти в режим автоколебаний. Эксперименты показали, что вли-
яние дополнительной нагрузки на длительность переходного про-
цесса относительно невелико и не превышает 5%. На рис. 1.21 и 1.22
та или спада управляющего сигнала.
1.4. Выводы
Практически продемонстрирована работоспособность механизма
и возможность его применения в двухкаскадных устройствах, обла-
дающих как большой рабочей зоной, так и предельно малым раз-
решением.
Предложенный принцип построения манипуляторов для ми-
кронаноперемещения позволяет широко варьировать коэффици-
ент дробления минимального шага двигателя, доводя его в пределе
до величин, сравнимых с размерами атомов.
Исследованный механизм после перемещения стабильно воз-
вращается в исходное положение (с учетом наличия у пьезодвигате-
ля петли гистерезиса).
Взаимного влияния входных звеньев рычагов в процессе пере-
мещения не зафиксировано.
Литература
1. А.Ф. Крайнев, В.А. Глазунов, В.И. Нагорных. Разработка механизмов парал-
лельной структуры для малых перемещений с упругими изгибными кине-
матическими парами // Проблемы машиностроения и надежности машин.
1992, № 4, с. 79–86.
2. J. Yao S. Arney, N. C. MacDonald. Fabrication of High Frequency Two-
Dimensional Nanoactuators for Scanned Probe Devices. J. of Microelectromechanical
Systems vol. 1, no. 1, pp. 14–22, March 1992.
3. Fazenda, N., Lubrano, E., Rossopoulos, S., Clavel, R. Calibration of the 6 DOF
high-precision flexure parallel robot «Sigma 6» // 5th Chemnitzer Parallelkinematik
Seminar, pp. 379–398, Chemnitz (2006).
4. D. Schoenen, I. Prause, S. Palacios, B. Corves. Overview and Classification of Flexure
Hinge Based Micromanipulators // Microactuators and Micromechanisms,
Mechanisms and Machine Science 30, Springer International Publishing Switzerland
2015, pp. 51–59.
5. Yuan Yun, Yangmin Li. Design and analysis of a novel 6-DOF redundant actuated
parallel robot with compliant hinges for high precision positioning // Nonlinear
Dyn. (2010) 61, pp. 829–845.
6. Mohammadali Ghafarian, Bijan Shirinzadeh, Tilok Kumar Das, Ammar
Al-Jodah, Weichen Wei. Design of a novel parallel monolithic 6-DOF compliant
micromanipulation mechanism // Proceedings of the 2018 IEEE/ASME
International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), pp. 997–
1002, Auck land, New Zealand, July 9–12, 2018.
7. G. Binnig, C.F. Quate, C. Gerber. Atomic force microscope // Physical review
letters, Volume 56, № 9, pp. 930–934, 1986.
8. Y.K. Yong, S. O.R. Moheimani. Collocated Z-axis Control of a High-Speed
Nanopositioner for Video-rate Atomic Force Microscopy // IEEE Transactions on
Nanotechnology, 14 (2), pp. 338–345, 2015.
9. A. Pantazi, A. Sebastian, T.A. Antonakopoulos, P. Bächtold, A.R. Bonaccio, ...
Probe-based ultrahigh-density storage technology // IBM Journal of Research and
Development 52 (4.5), 493–511, 2008.
10. A. G. Fowler, A. N. Laskovski, A. C. Hammond, S. O. R. Moheimani. A 2-DOF
Electrostatically Actuated MEMS Nanopositioner for On-Chip AFM // Journal
of Microelectromechanical Systems, vol. 21, № 4, August 2012, pp. 771–773.
11. J.F. Alfaro and G. Fedder. Actuation for Probe-Based Mass Data Storage // Technical
Proceedings of the Fifth International Conference on Modeling and Simulation of
Microsystems (MSM ‘02), pp. 202–205, April 22–25, 2002, San Juan, Puerto Rico.
12. А.К. Алешин, Л.В. Гаврилина, А.С. Галигерова, В.А. Глазунов, А.В. Орлов.
Прецизионный привод микроперемещений объектов на основе механиз-
мов параллельной структуры // Сборник трудов 4-го Московского междуна-
родного симпозиума «Приводная техника и компоненты машин», Москва,
2018 г.