Cơ cấu chuyển động thẳng hành trình lớn (Large-Displacement Linear-Motion Mechanisms)

Summary

Ba thiết kế dưới đây là các cơ cấu linear-motion compliant có hành trình lớn (large-displacement).

Trong thiết kế cơ cấu truyền thống, chuyển động thẳng (linear motion) rất được ưa chuộng cho việc điều khiển vị trí, lắp ráp các hệ thống lớn, v.v. Các cơ cấu linear-motion thường được tạo từ một kết cấu đỡ để dẫn hướng một “shuttle” chuyển động theo đường thẳng. Chuyển động này nhìn chung đạt được nhờ prismatic joints. Prismatic joints là các khớp trượt (sliding joints) có thể giới hạn thiết bị linear-motion còn một bậc tự do; tuy vậy, các khớp này cũng có nhiều thách thức như ma sát, mài mòn và khó bôi trơn.

Vì các vấn đề vốn có đó, những cơ cấu linear-motion large-displacement này được phát triển như các phương án thay thế cho prismatic joints nhưng vẫn giữ được chuyển động thẳng như mong muốn. Các cơ cấu compliant này có lợi thế là giảm mài mòn và không cần bôi trơn.

Explanation

Ba thiết bị được công bố ở đây được phát triển để tạo ra chuyển động thẳng với hành trình nói chung là lớn so với footprint (kích thước chiếm chỗ). Cơ cấu compliant cải thiện các cơ cấu linear-motion truyền thống bằng cách tăng tính năng, đồng thời giảm mài mòn, ma sát và chi phí sản xuất.

Mechanisms

Folded Beam Suspension

Folded beam suspension là một thiết kế phổ biến nhờ sự đơn giản và khả năng dự đoán tốt. Nền tảng của thiết bị là một cơ cấu dẫn hướng song song (parallel-guiding mechanism), tức một liên kết trong đó các “chân” đối diện nhau có cùng chiều dài. Để tạo thành folded-beam suspension, nhiều cơ cấu dẫn hướng song song được ghép nối theo dạng nối tiếp và song song như hình bên dưới. Folded beam suspension cho độ cứng xoắn ngoài trục (torsional off-axis stiffness) cao nhưng độ cứng theo phương ngang (transverse stiffness) thấp.

Tổ hợp các phần tử dẫn hướng song song này sẽ ràng buộc shuttle để xấp xỉ chuyển động theo đường thẳng.

X-Bob

X-Bob, như minh hoạ bên dưới, là một ví dụ khác của thiết bị dạng phẳng (planar) có hành trình lớn, gồm một shuttle trung tâm đặt trên một hệ treo compliant. X-Bob được tạo ra bằng cách kết hợp bốn cơ cấu Robert’s theo kiểu đối xứng phản chiếu để giới hạn chuyển động của shuttle còn một bậc tự do. Cấu hình X-Bob đã chứng minh hiệu quả cho các micro-systems; bên dưới cũng có minh hoạ một phiên bản micro machined. X-Bob có độ cứng xoắn ngoài trục thấp nhưng độ cứng theo phương ngang cao.

Compliant Translational (CT) Joint

CT joint được các đồng nghiệp tại University of Michigan đề xuất như một cải tiến của khớp leaf spring, giúp tăng tầm chuyển động và cải thiện độ cứng theo phương ngang. Cơ cấu này gồm các phần tử compliant được ràng buộc bởi cách bố trí song song của hai tấm (plates) giống hệt nhau. Khớp có thể được mô hình hoá như một cơ cấu bốn khâu song song (parallel four-bar mechanism) và chỉ cho phép chuyển động tịnh tiến thuần (pure translational motion). CT joint được minh hoạ ở hình dưới; các đường nét đứt thể hiện trạng thái bị biến dạng (deflected) của cơ cấu khi xem tấm bên trái là nền (ground). Trong các thiết kế này, CT joint với các flexures mỏng là loại có hành trình dài nhất nhưng lại có độ cứng ngoài trục thấp ở cả trường hợp tịnh tiến (transitional) lẫn xoắn (torsional).

Application

Các nghiên cứu thực hiện năm 2014 đã dùng cơ cấu linear-motion large-displacement để tạo ra các cơ cấu kẹp vi cơ điện (microelectromechanical grasping mechanisms) hỗ trợ việc cố định tế bào.

Trong các nghiên cứu này, các nhà khoa học/sinh viên dùng một pipette để nhỏ một phôi chuột gần các “cánh tay” của thiết bị và đẩy nó vào đúng vị trí. Sau đó, vẫn dùng pipette đó, họ có thể đẩy cơ cấu để giữ chặt tế bào trong các tay kẹp, giúp việc tiêm vào phôi đã được cố định trở nên dễ dàng hơn.

Cơ cấu linear-motion large-displacement có thể áp dụng cho bất kỳ sản phẩm nào dùng cơ cấu tịnh tiến (translating mechanisms) như:
-Thiết bị/khay có thể thu vào (retractable)
-Bộ đẩy đĩa (media ejectors)
-Thiết bị định vị tuyến tính (linear positioning devices)
-Thiết bị điện tử cầm tay có cơ cấu trượt
-Thiết bị tịnh tiến trong môi trường khắc nghiệt, nơi không thể bôi trơn

Cơ cấu linear-motion large-displacement compliant đã được dùng trong nhiều loại sản phẩm, từ ứng dụng micro đến macro, bao gồm microelectromechanical systems, công tắc (switches), bộ dẫn hướng (guides) và ly hợp (clutches). Tính compliant của các thiết bị này mang lại nhiều lợi thế so với các cơ cấu linear-displacement truyền thống.

Learn More

Thiết kế này được phát triển bởi Compliant Mechanisms Research Group (CMR) thuộc Brigham Young University (BYU). Theo dõi tụi mình tại @byucmr trên Instagram hoặc ghé website BYU Compliant Mechanisms Research (CMR) để tìm hiểu thêm về compliant mechanisms.

Xem https://rdcu.be/dnHx0 để đọc một bài trên Nature Communications nói về cách và lý do tụi mình chia sẻ các maker resources này.

Technical Information

Để xem thông tin kỹ thuật chuyên sâu, tham khảo các ấn phẩm sau:

Fowler, Robert M., et al. "Flex-16: A large-displacement monolithic compliant rotational hinge." Mechanism and Machine Theory 82 (2014): 203-217.

Hubbard, N. B., Wittwer, J. W., Kennedy, J. A., Wilcox, D. L., & Howell, L. L. (2004). A novel fully compliant planar linear-motion mechanism 57008. Paper presented at the Proceedings of the ASME Design Engineering Technical Conference, , 2 A 1-5,

MacKay, A. B., Smith, D. G., Magleby, S. P., Jensen, B. D., & Howell, L. L. (2012). “Metrics for evaluation and design of large-displacement linear-motion compliant mechanisms.” Journal of Mechanical Design, Transactions of the ASME, 134(1) doi:10.1115/1.4004191,

Mackay, A.B., Smith, D.G., Magleby, S.P., Jensen, B.D., Howell, L.L., “Metrics for Evaluation and Design of Large-displacement Linear-motion Compliant Mechanisms,” Journal of Mechanical Design, DOI: 10.1115/1.4004191, Vol. 134, pp. 0011008-1 to 0011008-9, 2012.

Smith, D. G., Larsen, G. T., & Howell, L. L. (2010). Design optimization of a linear-motion large-displacement micro mechanism for high off-axis stiffness. Paper presented at the Proceedings of the ASME International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference 2009, DETC2009, , 6 459-464. doi:10.1115/DETC2009-87301.

Toone, N. C., Fazio, W. C., Lund, J. M., Teichert, G. H., Jensen, B. D., Burnett, S. H., & Howell, L. L. (2014). Investigation of unique carbon nanotube cell restraint compliant mechanisms. Mechanics Based Design of Structures and Machines, 42(3), 343-354. doi:10.1080/15397734.2014.908298.

Trease, B. P., Moon, Y.-M., and Kota, S., 2005, “Design of Large-Displacement Compliant Joints”. ASME J. Mechan. Des., 127(4), pp. 788–798.

Để tìm hiểu thêm về compliant mechanisms nói chung, xem website BYU Compliant Mechanisms Research (CMR) hoặc các cuốn sách: Compliant Mechanisms, Handbook of Compliant Mechanisms

Intellectual Property

Các file in 3D có thể tải về được cung cấp ở đây có thể được sử dụng, chỉnh sửa và trải nghiệm cho mục đích phi thương mại. Để cấp phép công nghệ này cho các ứng dụng thương mại, vui lòng liên hệ:

BYU Technology Transfer Office

3760 Harold B. Lee Library

Brigham Young University

Provo, UT 84602

Phone: (801) 422-6266

https://techtransfer.byu.edu/contact