Bilaterally controlled micromanipulation by pushing in 1-d with nano-Newton scale force feedback

Abstract

Bu tezde yoğunlaşılan konu, mikrometre ölçütündeki nesnelerin mekanik araçlar yardımıyla manipüle edilmesi anlamına gelen mekanik mikromanipülasyondur. ?İtme?, mikro nesnelere uygulanabilen bir devinim çeşididir. Mikro ölçütte itme yetisi, sistemlerin mikro montajı, mikro ölçütteki nesnelerin tribolojik özelliklerinin karakterize edilmesi gibi birçok uygulamada gereklidir. Burada anlatılacak çalışmanın amacı mikro ölçütteki nesnelerin bir boyutta itilmesi işleminde sağlanan performansı geliştirmektir. Bu gelişme, nano-Newton hassasiyetinde kuvvet geri besleme yetisine sahip çift taraflı kontrol vasıtası ile insan faktörünün operatör olarak kontrol döngüsüne katılmasıyla sağlanmaktadır. Bu amaçla, mikrometre ölçütündeki nesnelerin insan kontrolünde ve bir boyutta itilmesine imkân veren bir sistem inşa edilmiştir. Bu sistemde yöneten ve yönetilen kısımlardan oluşan çift taraflı bir yapı kullanılmıştır. Mikrometre ölçütündeki nesne yönetilen taraftaki piezo eyleyici tarafından itilmektedir. Yöneten tarafta ise mili insan tarafından döndürülerek kontrol edilen bir doğru akım motoru mevcuttur. Döndürme işleminde kolaylık sağlanması için motor miline dikdörtgen prizma şeklinde bir çubuk monte edilmiştir. Sağladığı çeşitli avantajlar sebebiyle bu sistem, literatürdeki muadillerine nazaran daha gelişmiştir. Bu avantajlardan biri, yönetilen sistemdeki piezo eyleyicinin yer değiştirme miktarı ile yöneten taraftaki doğru akım motorunun yaptığı döngü sayısı arasındaki ilişkinin derecelendirilebilmesidir. Böylece, yönetilen tarafın, yöneten taraftaki değişikliğe ne derecede hassas olacağı ayarlanabilir. Bunlara ek olarak, sistemin nano-Newton hassasiyetinde kuvvet ölçüm yetisi, kullanıcıya bunu çift taraflı yapı içerisinde geri besleme öğesi olarak kullanabilme olanağı vermektedir. Bu sayede yöneten taraftaki kullanıcı, yönetilen taraftaki eyleyicinin, itilecek olan mikro ölçütteki nesneye dokunduğu anı hissedebilme şansına sahip olmaktadır. Ayrıca nesnenin önünde herhangi bir engel ya da hareketini zorlaştıran karşı yönde bir kuvvet belirdiği zaman kullanıcı bunu hissedecek ve önlemini alacaktır.

In this thesis the focus is on mechanical micromanipulation which means manipulation of micro objects using mechanical tools. Pushing is a type of motion of the micro parts and pushing ability on micro scale is inevitable for many applications such as micro assembly of systems or characterization of tribological properties of micro scale things. The aim of the work in this thesis was to obtain an improved performance in 1-D pushing of micrometer scaled objects in the sense of giving more control to human operator where it allows human intervention via bilateral control with force feedback in nano-Newton scale. For this purpose a system which can practice 1-D pushing of micrometer scaled objects by human operator is built. A bilateral architecture which is composed of master and slave sides has been used in the system. The micrometer scaled object is pushed by the piezoactuator which constitutes the slave side and the master side is a DC motor where the shaft is turned by the human operator via a rectangular prism rod. This system can be considered as an improved system comparing with the ones in literature, since it has a number of different advantages together. One of them is the ability to calibrate the relation between the movement of the slave system and the cycle that is made by the DC motor shaft which is controlled by the operator. This gives the availability to decide how sensitive will the slave side motion be to the master side motion. Moreover, thanks to the nano-Newton scale force sensing ability of the system user has the chance to use this as a force feedback within the bilateral structure, where by the way the operator will understand when the piezoresistive cantilever beam touched the object that is going to be pushed by it. The operator also understands when there isan obstacle or opposite force that keeps the object from continuing on its track.