Title: Modellierung und Regelung von Impact Drives für Positionierungen im Nanometerbereich
Authors : Büchi, Roland
Advisors / Reviewers : Schweitzer, Gerhard
Hugel, Jörg
Siegwart, Roland
Publisher / Ed. Institution : Eidgenössisch Technische Hochschule Zürich
Publisher / Ed. Institution: Zürich
Issue Date: 1996
License (according to publishing contract) : Licence according to publishing contract
Language : German
Subjects : Nanoroboter; Robotersteuerung; Servo Drive; Aktuatoren
Subject (DDC) : 620: Engineering
Abstract: 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. Abstract The progression of miniaturisation in technics and science demands new tools for very accurate positioning. These could be used in Biology, Chemistry or Medicine. Until now, processes can only be viewed through suitable microscopes. Tools for very accurate positioning allow the user to interact with these processes. The actuators in today's robots are usually DC-or stepper motors. They have to deal with the nonlinearity of friction. Therefore, it is difficult to attain highly accurate position control down to the nanometer scale. In this thesis, possible actuators and actuator principles for nanorobots will be discussed. The impact drive actuated by piezoelements is examinated in detail. To understand its behaviour, we firstly modelled the impact drive with a rigid body model. This led to analytical equations for the motion. To inspect its characteristics near the mechanical resonant frequency, a more accurate model, which contains the dynamic behaviour of the piezoelement, is established. It is shown, that impact drives actuated by piezoelements are able to operate with nanometer resolution in an infinite working range. The impact drive is controlled by dividing its motion into rough and fine manoeuvres. Rough motion is used for manoeuvres down to the micrometer scale using the impact principle. Fine motion provides a linear driving signal for the piezoelement in its working range and nanometer-resolution can then be reached. In order to extend the nanorobots manoeuvres to several degrees of freedom, suitable sensor configurations are discussed. This thesis, together with the work of the other PhD students in the ETH -Nanorobotics Polyproject, was coordinated in order to construct a 5 degree of freedom robot. This robot contains the impact drive as its actuator principle, uses parallel kinematics and is controlled by a light microscope combined with vision processing algorithms.
Departement: School of Engineering
Organisational Unit: Institute of Mechatronic Systems (IMS)
Publication type: Doctoral Thesis
URI: https://digitalcollection.zhaw.ch/handle/11475/3830
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