Micro motion stages with flexure hinges - design and control

Abstract

Mikro ve Nano teknolojilerindeki gelişmeler yüksek hassasiyetli mikro konumlandırma platformlarının hücre manipülasyonu, ameliyatlar, uzay sistemleri, mikro akışkan sistemler, optik sistemler, mikro işleme ve mikro montaj gibi mikro/nano uygulamalarda kullanımı için tasarımını gerektirmiştir. Esnek bağlantı elemanlı mikro hareket platformları gerekli doğruluk ve hassasiyeti sağlamak için geliştirilmiş mekanizmalardır. Bu tezde yeni kontrol metotları uygulayarak düzlemsel esnek bağlantı elemanlı mikro hareket platformlarının x-y yönlerinde mikro konumlandırma düzeneği olarak kullanılması amaçlanılmıştır. İlk önce literatürde de çokça kullanılmış olan 3-RRR düzlemsel paralel kinematik yapı seçilmiştir. Daha sonra mekanizma geliştirilmiş ve yeni bir yapıya sahip olup 3-PRR mekanizma haline gelmiştir. Gerekli geometrik parametreler sonlu elemanlar analizi ile seçilmiştir. Mekanizmaların yer değişimi, stres ve frekans davranışları karşılaştırılıp tartışılmıştır. Ayrıca 3-PRR esnek bağlantı elemanlı mekanizmanın modellemesi de esnek bağlantı elemanlarının komplians hesaplarını mekanizmanın kinematiği ile birleştiren kinetostatik modelleme metodu kullanılarak yapılmıştır. Platformların tahriki için piezoelektrik eyleyiciler, ölçümü için de lazer bir kaynak kullanan optik 2 boyutta pozisyon sensörü kullanılmıştır. Deneysel çalışmalardan sonra görülmüştür ki deneysel sonuçlar sonlu elemanlar analizinin sonuçları ile imalat ve montajdan dolayı ortaya çıkan, öngörülemeyen hatalardan dolayı uyuşmamaktadır. Bu hataları, kayan kipli kontrol ile doğrusal piezoelektrik eyleyici modeli kullanarak yine kayan kipli kontrolle oluşturulmuş bozan etmen gözleyicisi kontrol metodu uygulayarak elemeyi başardık. Son olarak, her tahrik yönü için platformun deneysel modelini çıkardık ve bu modelleri piezoelektrik eyleyici modelleri yerine kullanarak pozisyon kontrol hatamızı kullandığımız ölçüm sisteminin hassasiyetine indirgedik ve platformumuzu mikro sistem uygulamaları için yüksek hassasiyetli bir mikro konumlandırma platformu olarak kullanılabilir haline getirdik.

The developments in micro and nano technologies brought the need of high precision micropositioning stages to be used in micro/nano applications such as cell manipulation, surgery, aerospace, micro fluidics, optical systems, micromachining and microassembly etc. Micro motion stages with flexible joints called compliant mechanisms are built to provide the needed accuracy and precision. This thesis aims to build compliant planar micro motion stages using flexure hinges to be used as micropositioning devices in x-y directions by applying new control methods. First 3-RRR planar parallel kinematic structure is selected which is also popular in the literature. Then the mechanism is developed to have a new structure which is a 3-PRR mechanism. The necessary geometric parameters are selected by using Finite Element Analysis (FEA). The displacement, stress and frequency behaviors of the mechanisms are compared and discussed. Modeling of the flexure based mechanisms is also studied for 3-PRR compliant stage by using Kinetostatic modeling method which combines the compliance calculations of flexure hinges with kinematics of the mechanism. Piezoelectric actuators and optical 2d position sensor which uses a laser source are used for actuation and measurement of the stages. After the experimental studies it's seen that the results are not compatible with FEA because of the unpredictable errors caused by manufacturing and assembly. We have succeeded to eliminate those errors by implementing a control methodology based on Sliding Mode Control with Disturbance Observer which is also based on Sliding Mode Control using linear piezoelectric actuator models. Finally, we have extracted experimental models for each actuation direction of the stage and used those models instead of piezoelectric actuator models which lowered our errors in the accuracy of our measurement and ready to be used as a high precision micro positioning stage for our micro system applications.