Modellierung und Regelung von Impact Drives für Positionierungen im Nanometerbereich
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Anmeldedatum
Publikationsdatum
1996
Departement
School of Engineering
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Publikationstyp
Dissertation
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Konferenz
Übergeordnetes Werk
Tagungsband
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Band – Heft – Seitenzahlen - Artikelnummer
Reihe
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ETH Zürich
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Veröffentlicht als
Zusammenfassung
Kurzfassung
Die zunehmende Miniaturisierung in der Technik und Wissenschaft verlangt nach neuen Werkzeugen für sehr genaue Positionierungen. Diese können die Forschung in der Biologie, der Chemie und der Medizin weiter vorantreiben. Es wird möglich, Vorgänge nicht mehr nur durch geeignete Mikroskope zu betrachten, sondern interaktiv in das Geschehen einzugreifen.
Die Aktoren von heute eingesetzten Robotern sind meist Gleichstrom-oder Schrittmotoren. Diese eignen sich jedoch nur bedingt, um sehr hohe Positioniergenauigkeiten zu erreichen, da die Reibung ihre Auflösung begrenzt.
Es werden in dieser Arbeit zuerst mögliche Aktorprinzipien für sehr genaue Positionierungen diskutiert. Der von einem Piezoelement angetriebene Impact Drive wird im Anschluss weiterverfolgt. Um sein Verhalten verstehen zu können, wird er zuerst mit starren Körpern modelliert. Dies führt auf geschlossene analytische Formeln für seine Bewegung. Um seine Eigenschaften nahe bei der mechanischen Resonanzfrequenz zu untersuchen, wird in der Folge ein erweitertes Modell erstellt, welches die Dynamik des Piezoelementes beinhaltet. Dieses wird numerisch ausgewertet. Es wird gezeigt, dass der mit einem Piezoelement angetriebene Impact Drive in einem unbeschränkt grossen Arbeitsraum operieren kann und dabei eine Positionierauflösung von wenigen Nanometern erreicht.
Seine Regelung wird mit einer Unterteilung in Grob- und Feinpositionierung ausgeführt. Auf diese Weise werden an die Oberflächenrauhigkeit des Untergrundes keine hohen Anforderungen gestellt. Im Zusammenhang mit der Erweiterung des Impact Drive auf mehrere Freiheitsgrade werden geeignete Sensorkonfigurationen für einen Nanoroboter miteinander verglichen.
Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse führen schliesslich zusammen mit den Erkenntnissen der anderen Mitarbeiter des ETHPolyprojektes Nanorobotik auf den Bau eines Nanoroboters mit fünf Freiheitsgraden. Dieser Roboter besitzt den Impact Drive als Aktorik, eine parallele Kinematik und wird über ein Lichtmikroskop mit Bildverarbeitung geregelt.
Beschreibung
Schlagwörter
Nanoroboter, Robotersteuerung, Servo Drive, Aktuatoren