Abstract
The past few years have witnessed an increasing maturity of the micro- and nano-electro-mechanical systems (Mems/Nems) industry and a rapid introduction of new products addressing applications ranging from biochemical analysis to fiber-optic telecommunications. The assembly of micro-devices involves handling of parts that are extremely very small. A microgripper compliant mechanism is one of the key elements in micro-robotics and micro-assembly technologies for handling and manipulating micro- objects without damage. This paper presents the design of compliant grip and move manipulators with parallel movement tips. The integration of both, gripping and moving manipulators, with parallel movement tips is accomplished by the use of compliant mechanisms, which generate paths that are symmetric. These mechanisms can grip an object and convey it from one point to another with parallel movement. The structural topology optimization approach is applied in order to find the optimal material distribution in the proposed domain for compliant mechanisms. The objective of the optimization problem is to maximize the structural stiffness within the limit of prescribed design volume. A two-dimensional finite element analysis model using Ansys is constructed for the proposed design domain. Three optimal configurations of two-dimensional compliant mechanism, which can realize a micro grip and move with parallel movement tips for a wide range of micro- and nano-objects, are demonstrated.
Kurzfassung
Die letzten Jahre haben eine wachsende Reife der Industrie für Mikro- und Nano-Elektro-Meachnischen Systeme (Mems/Nems) erfahren sowie eine rapide Einführung neuer Produkte für Applikationen, die von der biomedizinischen Handhabung bis zur faser-optischen Telekommunikation reichen. Der Zusammenbau von Mikroapparaten umfasst die Handhabung von extreme kleinen Teilen. Ein Mechanismus für das federnde Greifen stellt ein Schlüsselelement für die Technologie der Mikrorobotik und Mikroanordnung dar, um Mikroobjekte ohne Schädigung handhaben und manipulieren zu können. Im vorliegenden Beitrag wird das Design eines federnden Greifers und der Bewegungsmanipulatoren mit parallel beweglichen Spitzen vorgestellt. Die Integration von beiden, der Greif- und Bewegungsmanipulatoren, mit parallelen beweglichen Spitzen wird durch die Anwendung eines Federmechanismus erreicht, der Pfade generiert, die symmetrisch verlaufen. Diese Mechanismen können ein Objekt greifen und es mit einer Parallelbewegung von einem zum anderen Ort bringen. Hierzu wird ein Ansatz zur strukturellen Topologieoptimierung angewendet, um die optimal Materialverteilung in dem vorgesehenen Anwendungsbreich für den federnden Mechanismen zu finden. Das Ziel der Optimierungsaufgabe liegt darin, die strukturelle Steifigkeit innerhalb eines vorgeschriebenen Designvolumens zu maximieren. Für den vorgegebenen Designumfang wurde ein zweidimensionales Model mit dem Programmpaket Ansys entworfen. Drei optimale Konfigurationen des zweidimensionalen federnden Mechanismus, der einen Mikrogriff und eine Bewegung mit parallelen Spitzen für einen großen Bereich von Mikro- und Nano-Objekten realisieren kann, werden vorgestellt.
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