Micromanipulation-force feedback pushing

Abstract

Mikro-manipülasyon uygulamalarında sıklıkla çok köşeli nesnelerin düzlemsel bir yüzey üzerinde konumlanması ve yöneltilmesi amaçlanmaktadır. Mikro nesneleri nokta teması sağlayarak itmek tutup sonra yerleştirme operasyonuna göre daha esnek ve daha az karmaşık bir yöntemdir. Mikro dünyada yüzey kuvvetlerinin atalet kuvvetlerine göre daha baskın olmasından ve bu kuvvetlerin düzensiz dağılımından dolayı, bir mikro nesneyi ağırlık merkezi doğrultusunda itme yöntemi sadece doğrusal bir harekete sebep olmamaktadır. Bir mikro nesneyi sadece doğrusal yönde hareket ettirebilmek için, itme yönü sürtünme merkezinden geçmelidir. Ayrıca, mikro nesne ve taban arasındaki sürtünme kuvvetlerinin beklemeyen mizacından dolayı, itici milde ya da mikro nesnede oluşabilecek zararları engellemek için, mikro nesneye uygulanan maksimum kuvvet değeri sınırlanmalıdır. Bu tezde, özel üretilmiş bir uzaktan mikro manipülasyon düzeneğini kullanarak, insan yardımı ile mikro nesneleri sadece doğrusal yönde hareket ettirmeyi başaran bir yarı-otomatik manipülasyon tasarısı önerilmektedir. İtme operasyonu eş zamanlı gerçekleşen iki adet sürece ayrılabilir. İlkinde, kuvvet ve konum kontrolleri arasında geçiş yapmak için empedans denetleyicisi gibi davranan operatör, kuvvet geri beslemeli, ölçekli ve iki yönlü uzaktan kumanda etme yöntemi ile mikro nesnenin hızını değiştirir. Diğer süreçte ise, mikro nesnenin istenen itilme yönü, her zaman değişken olan sürtünme merkezinden geçecek şekilde belirlenir. Mikro nesnenin sadece doğrusal bir hareket yapmasını sağlamak için, temas noktasındaki bileşke hız vektörünün sürtünme merkezinden geçmesini sağlayan görsel geri besleme prosedürleri benimsenmiştir. Önerilen denetleyicinin etkinliğini ispatlamak için deneysel sonuçlarla birlikte nanometre ölçüsünde konum kontrolü, nano Newton ölçeğinde kuvvet algısı ve kuvvet geri beslemeli, ölçekli ve iki yönlü uzaktan kumanda etme yöntemi gösterilmiştir.

In micromanipulation applications, it is often desirable to position and orientpolygonal micro-objects lying on a planar surface. Pushing micro-objects using pointcontact provides more flexibility and less complexity compared to pick and place operation.Due to the fact that in micro-world surface forces are much more dominantthan inertial forces and these forces are distributed unevenly, pushing through thecenter of mass of the micro-object will not yield a pure translational motion. Inorder to translate a micro-object, the line of pushing should pass through the centerof friction. Moreover, due to unexpected nature of the frictional forces between themicro-object and substrate, the maximum force applied to the micro-object needsto be limited to prevent any damage either to the probe or micro-object. In thisdissertation, a semi-autonomous manipulation scheme is proposed to push microobjectswith human assistance using a custom built tele-micromanipulation setupto achieve pure translational motion. The pushing operation can be divided intotwo concurrent processes: In one process human operator who acts as an impedancecontroller to switch between force-position controllers and alters the velocity of thepusher while in contact with the micro-object through scaled bilateral teleoperationwith force feedback. In the other process, the desired line of pushing for themicro-object is determined continuously so that it always passes through the varyingcenter of friction. Visual feedback procedures are adopted to align the resultantvelocity vector at the contact point to pass through the center of friction in orderto achieve pure translational motion of the micro-object. Experimental resultsare demonstrated to prove the effectiveness of the proposed controller along withnanometer scale position control, nano-Newton range force sensing, scaled bilateralteleoperation with force feedback.