Un manipulator conform este un sistem în mișcare care constă dintr-un mecanism conform antrenat de actuatoare de poziționare de înaltă rezoluție. Spre deosebire de mecanismele tradiționale cu legături rigide, un mecanism conform își câștigă mobilitatea din deformarea elementelor flexibile (Howell 2001), care sunt denumite articulații interspațiale. Folosind avantajele deflecțiunii elastice, o articulație interspațială depășește limitările unei articulații convenționale bazate pe rulmenți, cum ar fi frecarea uscată, reculul și uzura (Smith 2000). În consecință, un mecanism conform oferă o mișcare înalt repetabilă datorită caracteristicilor fără frecare ale acestor articulații interspațiale. Acționate de actuatoare de poziționare de înaltă rezoluție, cum ar fi actuatoarele solid-state piezoelectrice (PZT) și actuatoarele electromagnetice (EM), mecanismele conforme devin manipulatoare de înaltă precizie care sunt candidate ideale pentru sarcini de poziționare la scară micro/nano (Teo și colab. 2010a; Yang și colab. 2008; Ryu și colab. 1997; Lee și Kim 1997; Jywe și colab. 2008). Figura 1a prezintă un exemplu de manipulator conform dezvoltat de Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) pentru a automatiza sarcinile de aliniere și imprimare în afara planului pentru un proces de Litografie Nanoimprint (NIL). Acest manipulator conform cu trei grade de libertate (DOF) este antrenat de actuatoare EM cu forță Lorentz și a atins o rezoluție de poziționare și unghiulară de 10 nm și 0,05 arcsec (^± 0,242 x 10^-6 rad), respectiv, pe un spațiu de lucru de 5 ^o x 5 ^o x 5 mm.

Manipulatorul conform poate fi clasificat ca un manipulator conform parțial sau total. Un manipulator parțial conform are membre care constau atât din corpuri rigide, cât și din articulații interspațiale, în timp ce un manipulator complet conform are membre flexibile continuu. De exemplu, manipulatorul prezentat în Fig. 1a este considerat un manipulator parțial conform, deoarece fiecare membru este articulat printr-o combinație de corpuri rigide și articulații interspațiale. Pe de altă parte, mecanismul prezentat în Fig. 1b este considerat un manipulator complet conform deoarece fiecare membru este format dintr-o articulație interspațială continuă fără a fi nevoie de corpuri rigide. În afară de câștigul performanței, aceste manipulatoare conforme beneficiază și de construcțiile simple ale articulațiilor interspațiale care duc la reducerea pieselor și a timpului de asamblare. Luând modulul conform cu articulația spațială prezentat în Fig. 2a ca exemplu, este o singură articulație cu tăietură monolitică care are semnificativ mai puține părți în comparație cu o articulație sferică pe bază de rulmenți, așa cum se arată în Fig. 2b. A avea mai puține piese poate scurta timpul de producție și asamblare și, în cele din urmă, poate reduce costurile. În plus, reducerea pieselor poate reduce și erorile de asamblare, care afectează adesea acuratețea și repetabilitatea mișcării unui manipulator.

Printre diferitele sisteme de mișcare care utilizează rulmenți fără contact, cum ar fi rulmenții conformi, de aer, magnetici, fluidici și ultrasonici, manipulatoarele conforme sunt rentabile și nu necesită întreținere, deoarece articulațiile interspațiale nu necesită nicio sursă electrică/fluid/aer, acționare, senzor și sistem de control complex pentru a funcționa ca rulment fără contact. A nu necesita întreținere este un merit semnificativ, deoarece manipulatoarele conforme ar putea opera în medii dure care pot deteriora sau degrada articulațiile. De exemplu, articulațiile interspațiale din teflon ar putea fi utilizate în soluții chimice și chiar în sistemele de explorare spațială, deoarece nu este necesară lubrifierea. Caracteristicile fără frecare ale unui manipulator conform se potrivesc, de asemenea, cu mediul de vid curat, deoarece nu vor fi generate particule prin frecare. Cel mai important, reducerea numărului de părți cuplată cu construcțiile simple ale articulațiilor interspațiale devine o soluție atractivă pentru dezvoltarea manipulatoarelor conforme la microscală, cum ar fi sistemele micro-electro-mecanice (MEMS) și nanopoziționarea macro-/microscală (Chen și Culpepper 2006). Figura 1b prezintă un mecanism pe deplin conform la scară macro 3-DOF care a beneficiat de construcția simplă a articulațiilor interspațiale, care permit fabricarea mecanismului folosind material polimeric pentru utilizare în mediu dur.

Deși un manipulator conform are o abundență de beneficii, utilizarea deflecției elastice de la articulațiile interspațiale este, de asemenea, însoțită de limitări. Deoarece toate articulațiile interspațiale trebuie să deflecteze sau să se îndoaie în regiunea elastică a materialelor, deflecția acestor elemente flexibile limitează mișcarea manipulatorului conform. De exemplu, o articulație interspațială nu poate produce mișcarea continuă de rotație a unei articulații rotative cu rulmenți. În general, spațiul de lucru al unui manipulator obișnuit conform este limitat la câțiva milimetri și grade, deoarece concentrația de tensiuni a fiecărei articulații interspațiale nu trebuie să depășească limita de curgere a materialului. În afară de caracteristicile de efort-deformare ale materialelor, caracteristicile forță-deplasare (sau rigiditate) ale unei articulații interspațiale sunt, de asemenea, cruciale pentru dezvoltarea unui manipulator conform. Predicția exactă a caracteristicilor de rigiditate necesită cunoaștere aprofundată a principiului mecanicii, teoria deflecției, sinteza mecanismului și metodele de sinteză. Însă, din progresele recente în manipulatorul conform, articulațiile interspațiale au sarcina de a produce deviații mai mari, care prezintă un comportament neliniar. Prin urmare, ecuațiile clasice ale fasciculului derivate din teoria deflexiunii mici nu mai sunt valabile. Chiar și cu cunoștințe suficiente, toleranțele de fabricație pot duce cu ușurință la incertitudini în ceea ce privește performanța reală a manipulatorului conform.

Confruntarea cu rulmenții bazați pe interspațialitate (sau conforme) implică transferul sau transformarea energiei stocate de la intrare la ieșire. Pentru a depăși energia stocată, energia utilizată pentru a crea o deplasare tinde să fie mai mare în comparație cu alți rulmenți fără contact. În condiții de stres semnificativ, stres prelungit sau expunere constantă la temperatură ridicată, energia stocată va provoca, de asemenea, un anumit grad de histerezis în caracteristicile stres-deformare, rezultând efecte de fluaj. Deși energia stocată poate fi redusă prin scăderea rigidității de deplasare, această abordare reduce și mai mult rigiditatea în afara axei manipulatorului conform, care este relativ mai mică în comparație cu sistemele de mișcare care folosesc alți rulmenți fără contact.

Astfel, manipulatoarele conforme nu sunt potrivite pentru a transporta sarcini utile mari și orice suprasarcină accidentală poate duce la instabilități, de exemplu, flambaj. Oboseala este un alt factor crucial care determină fiabilitatea unui manipulator conform, deoarece articulațiile interspațiale sunt deflectate ciclic cu sarcină constantă. Din păcate, modelul teoretic existent, care prezice durata de viață la oboseală, este aplicabil numai formelor standard ale specimenelor, de exemplu, dreptunghiulare și circulare. În plus, proprietățile materialului, geometriile/dimensiunile articulațiilor interspațiale și tipurile/cantitatea de încărcări au efecte semnificative asupra duratei de viață la oboseală. Ca urmare, sunt necesare evaluări plictisitoare și meticuloase pentru a determina durata de viață a oricărui rulment conform în îndeplinirea sarcinilor prescrise.

Acest capitol prezintă esența manipulatoarelor conforme prin prezentarea mai multor subiecte fundamentale care sunt asociate cu această tehnologie avansată. După scurta istorie a evoluției și aplicațiilor sale, primul subiect acoperă principiul mecanicii, care este folosit pentru a explica limitările acestor manipulatoare. Următorul subiect prezintă conceptele fundamentale de proiectare care sunt utilizate de obicei pentru a sintetiza mecanismul conform. Subiectul următor acoperă diverse abordări teoretice de modelare care sunt în general utilizate pentru a prezice rigiditatea la deformare a articulațiilor interspațiale și caracteristicile de rigiditate ale manipulatoarelor conforme. În urma acestor subiecte fundamentale, sunt discutate proprietățile materialelor, tipurile de fabricații și limitările de fabricație. Subiectul despre acționare, detecție și control rezumă tipurile de dispozitive de acționare și senzori de înaltă rezoluție pe care le folosesc manipulatoarele conforme pentru a obține performanțe de poziționare de înaltă precizie. În sfârșit, este prezentată evoluția viitoare a tehnologiei manipulatoarelor conforme.