СМП роботов

Системы микроперемещений - СМП.
Микроэлектромеханические системы - МЭМС.
1 микрометр = 0.001 мм = одна тысячная миллиметра = одна миллионная метра.
1 ангстрем = 0.1 нм = одна десятимиллионная миллиметра.

Основные наиболее перспективные направления развития СМП.
1. Микроманипуляционные системы (ММС)
ММС для сборки.
ММС для технологических операций (пайка,сварка и т.д.).
ММС для биотехнологий (цитология,искусственное оплодотворение и т.д).
ММС для микротехнологий в фармакологии и пищевой промышленности.
ММС для микронейрохирургии.

2. Автономные микророботы (АМР)
Мобильные АМР для поиска и диагностики на суше, в воде и воздухе
(в атомной промышленности, в чрезвычайных ситуациях и т.д).
Микрохирургические АМР (внутрисосудистые, лапороскопические)
Микроэндоскопические АМР для диагностики организма.

3.Приборные СМП
Оптоэлектронные устройства (сканеры, адаптивная деформируемая оптика,
волоконно-оптические переключатели, микрозеркальные матрицы).
Мини и микроустройства пневматики и гидравлики(микроклапаны,микронасосы,
микрорегуляторы давления и потока).
Аналитико-технологические устройства (аналитико-диагностические чипы,
микрохимические реакторы).

Сенсорные микросистемы.
К приборным СМП относятся также сенсорные микросистемы. Чувствительные элементы сенсорных микросистем, являющиеся первичными преобразователями входящих сигналов, выдают на выходе электрический сигнал, соответствующий внешнему воздействию. Внешнее воздействие может иметь различную природу: механическую, электрическую, магнитную, химическую, радиоактивную и т.д. В этой области находят применение миниатюрные и микроэлектромеханические системы - МЭМС.
 

Особое место занимают вибрационные микрогироскопы, применение которых в беспилотных малогабаритных летательных аппаратах существенно улучшают их динамические характеристики при больших перегрузках.

Переход СМП к бионическим по сущности структурам, имеющим общие признаки развития с биологическими объектами.
Как известно, наиболее развитые животные организмы имеют иерархическую структуру управления движением отдельных частей тела: центральную и периферическую нервную системы. Причем периферическая нервная система обеспечивает управление на уровне элементарных движений, центральная нервная система осуществляет целевое управление, внося коррективы в движение исходя из информации, полученной от органов чувств (сенсоров).

Построенные по этой аналогии с биологическими организмами мехатронные СМП будут иметь качества живых организмов, прошедших эволюцию и естественный отбор в течение миллионов лет.
 

Микроэлектромеханичесике системы - МЭМС.

К миниатюрным электромеханическим системам условно можно отнести устройства, размеры которых лежат в пределах от 10x10x10 мм до 50х50х50 мм, все, что имеет меньшие габариты можно отнести к микросистемам. СМП включают в себя устройства, обеспечивающие движение выходного звена на расстояние до миллиметра с минимальным шагом до десятых долей микрометра. Кроме того, МЭМС могут быть элементами СМП, в частности рабочими органами.

Автоматические электромеханические устройства, предназначенные для перемещения миниатюрных объектов на расстояние менее 1 мм, можно назвать системами микроперемещений. Сфера их применения в последнее время постоянно расширяется. Это связано с интенсивным развитием таких областей приборостроения как микроэлектроника и микромеханика, оптика и оптоэлектроника, которые служат мощным стимулом прогресса робототехники, компьютерной техники, а также биологии и медицины.

Системы микроперемещений должны обладать достаточно высокой точностью: минимальный шаг обычно не превышает 1% от максимального хода. Для создания устройств с такими характеристиками актуальны принципы мехатроники. Она базируется на соединении в единую систему механических, электронных и электромеханических частей. Основные преимущества мехатронных систем микромеханики заключаются в компактности модулей и улучшении динамических характеристик вследствие упрощения кинематических цепей, а также высокой надежности и помехозащищенности.

Существуют СМП для движения на уровне микрометров с минимальным шагом до 0,15 ангстрем. Они используются для исследования микрорельефа поверхности при помощи сканирующих туннельных микроскопов и относятся к области нанотехники.
Одним из перспективных видов приводов мехатронных систем микроперемещений являются пьезоэлектрические приводы, которые позволяют через упругие кинематические механизмы сообщать выходным звеньям движение с необходимыми траекториями.

Для СМП характерны следующие типы элементов, преобразующих энергию электромагнитного поля в механическую энергию. Их можно разделить на две группы:

1.Приводы непосредственного преобразования электрической энергии в механическую.
2.Приводы многоступенчатого преобразования электрической энергии в механическую: сначала в тепловую или иную, например, волновую энергию (либо механических волн, либо электромагнитных волн, в частности волн оптического диапазона), а потом в механическую энергию однонаправленного движения выходного звена СМП.

Приводы непосредственного преобразования энергии достаточно широко применяют в микротехнических системах, к ним относятся следующие (они расположены по возрастающему значению быстродействия).

1.Мини - и микроэлектродвигатели постоянного тока и шаговые вращательного и линейного типов.
2.Электромагнитные приводы.
3.Магнитострикционные приводы.
4.Пьезоэлектрические и электрострикционные приводы.
5.Электростатические приводы.
6.Электроосмотические приводы.
7.Электрогидродинамические приводы.

Как правило, эти приводы имеют высокое быстродействие.Заслуживает внимания также пневматический электромагнитный микроклапан, предназначенный для управления малыми потоками.
В построении механики роботов современный уровень техники дает большой спектр физических эффектов, применяемых в приводах систем микроперемещений.

Можно сделать следующие выводы:

Наиболее часто встречаемые приводы - это электромеханические и электромагнитные, как наиболее универсальные.

Далее по распространенности следуют пьезоэлектрические и электростатические.

По быстродействию лучшими является электроcтатические приводы.

По cиловым характеристикам - пьезоэлектрические и магнитострикционные приводы, работающие на растяжение-сжатие.

По компактности c учетом использования технологий электронных компонентов наиболее перспективными для приборных микросистем являются электростатические приводы и приводы на основе преобразования тепловой энергии в механическую.

Электромеханические, микроэлектродвигатели, электромагнитные и пьезоэлектрические приводы имеют наибольшую перспективу для осуществления точного позиционирования рабочих органов ММС и АМР.