Technische Informatik - Mikrorobotik und Regelungstechnik (AMIR)

Forschungsgruppe: Automatisierte Nanorobotersysteme

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Die Aufgabe von Nanorobotersystemen ist die Manipulation und Montage kleinster Teilchen. Dabei bezeichnet „Nano“ nicht die Abmessungen der Roboter selbst, sondern ihre Fähigkeit, Werkzeuge und Proben mit einer Genauigkeit im Bereich einzelner Nanometer zu positionieren, was für herkömmliche Roboter unmöglich wäre. Typische Proben sind z. B. Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon-Nano-Tubes, CNTs) mit einem Durchmesser von 300 nm und einer Länge von max. 10 µm. Das Arbeitsgebiet der Gruppe umfasst die Erforschung und Entwicklung von Nanorobotern, deren Ansteuerung und Regelung sowie die Prozessplanung und –automatisierung in Nanorobotersystemen.

Entwicklung von Nanorobotersystemen

Der Forschungsbereich Mikro- und Nanoroboterentwicklung beschäftigt sich mit verschiedenen Komponenten für die genaue Positionierung von Werkzeugen und Proben sowie deren Validierung. Abbildung 1 zeigt einen mobilen Mikroroboter. Er weist Abmessungen von 22x22x11 mm³ auf und kann in drei Freiheitsgraden (x, y, φ) bewegt werden. Einzelne Schritte können dabei bis zu 1 nm klein sein und dennoch ist die Geschwindigkeit in weiten Bereichen frei wählbar.

 

Abbildung 1: Manuelle Steuerung eines Mikro-/Nanoroboters - Video auf You Tube

Der Roboter kann z. B. mit einer feinen Spitze oder einem Greifer ausgestattet werden. In der Kammer eines Rasterelektronenmikroskops sind damit Manipulationen an CNTs möglich (Abbildung 2).

 

Abbildung 2: Manipulation einer Kohlenstoffnanoröhre mit
dem Roboter - Video auf You Tube

Ein Hauptaugenmerk liegt auf der Entwicklung und der Verbesserung von Antriebsprinzipien, die die Anforderungen an die Mikro- und Nanorobotik erfüllen. Die wichtigsten Anforderungen sind eine hohe Stellgenauigkeit, Spielfreiheit und Vakuumtauglichkeit. U. a. wird der Ansatz verfolgt, Antriebe mittels geeignet strukturierter Piezokeramiken aufzubauen. Die dynamischen und elektromechanischen Eigenschaften der Keramik sowie die Möglichkeit zur lasergestützten Fertigung ermöglichen sehr kleine und komplexe Bauteile, mit denen entsprechende Antriebslösungen möglich sind. Abbildung 3 zeigt, wie mittels eines Mikrolasers Aktoren aus einer keramischen Platte (10x10x0.5mm³) heraus strukturiert werden.


Abbildung 3: Laserstrukturierung einer Piezokeramik - Video auf You Tube

Nanoroboter-Steuerung und -Regelung

Um die entwickelten Nanorobotersysteme für die Automatisierung nutzbar zu machen, müssen sie angesteuert und geregelt werden. Die am häufigsten verwendeten Antriebe arbeiten nach dem so genannten Stick-Slip-Prinzip (siehe Abbildung 4) mit Piezokeramiken zur Bewegungserzeugung. Dabei befindet sich ein Roboter zunächst in Ruhe in einer bestimmten Position. Dann wird der Piezoaktor durch Anlegen einer langsam steigenden Spannung langsam bewegt. Bei Erreichen der maximalen Spannung wird diese dann schlagartig umgepolt. Der dabei durch den Piezoaktor erzeugten starken Beschleunigung kann der Roboter aufgrund seiner Trägheit nicht folgen. Somit rutscht er auf dem Untergrund durch und macht einen kleinen Schritt.

Abbildung 4: Bewegung eines Roboters nach dem Stick-Slip-Prinzip

Für diese Art der Ansteuerung werden Signale mit einer großen Spannungsamplitude (bis zu 400 Vpp) und einer Sägezahnform benötigt. Das Verhalten des Roboters kann durch Signalparameter wie Amplitude, Frequenz und Polarität dieser Signale beeinflusst werden.

Für die im vorherigen Abschnitt beschriebenen mobilen Mikroroboter werden bis zu sechs solcher Signale mit unterschiedlichen Parametern benötigt. Die Signale müssen zeitlich sehr präzise generiert werden, um eine möglichst gleichförmige Bewegung der Roboter zu gewährleisten. Insbesondere muss auch der echtzeitfähige Eingriff in die Signalparameter möglich sein, ohne dass dadurch ungewollte, sprunghafte Veränderungen der Signale entstehen. Nur so ist eine flüssige Bewegung in einem positionsgeregelten Betrieb erreichbar. Um diese Anforderung erfüllen zu können, wird die komplette Ansteuerung durch eine speziell entwickelte Hardwarearchitektur realisiert. Ein Mikrocontroller berechnet dabei die Steuerungs- bzw. Regelwerte, eine Kombination aus programmierbarer Logik und digital-analog-Wandlern erzeugt die Signale und spezielle Hochspannungsverstärker verstärken Strom und Spannung auf das benötigte Niveau. 

Automatisierung von Mikro- und Nanohandhabungsprozessen

Für die Automatisierung von Mikro- und Nanohandhabungsprozessen ist die Entwicklung einer leistungsfähigen Regelungsstruktur von hohem Interesse. Insbesondere die flexible Integration und Nutzung von Hardware wie Rasterelektronenmikroskopen und aufwendiger Analysesoftware (z.B. Bildverarbeitungssoftware) stellen sich dabei als Schlüsselherausforderung für erfolgreiche Automatisierung auf der Nanoskala dar.
In Abbildung 1 ist die aktuelle, hierarchische Client/Server orientierte Regelungsarchitektur dargestellt.  Sie besteht aus Sensorprogrammen (SePro), der Bildverarbeitungssoftware Vision, Low-Level Regelungsservern (LoLeC), sowie dem Prozessleitsystem HiLeC.  HiLeC verarbeitet dabei Automatisierungsskripte und sendet einzelne Befehle wie z.B. Bewegungsbefehle an die LoLeCs. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Servern erfolgt über die Middleware CORBA. Für echtzeitrelevante Prozesse ist ein Echtzeitbus (RT-Bus) vorgesehen, über den die Einzelkomponenten direkt Informationen austauschen können.



Abbildung 5: Softwareregelungsarchitektur zur Automatisierung von Nanohandhabungsprozessen

Das Prozessleitsystem HiLeC muss mit verschiedenen Regelungsarchitekturen und verschiedenen Sensoren und Low-Level Reglern zusammenarbeiten können. Damit der HiLeC universell einsetzbar ist, werden Automatisierungssequenzen in einer architekturunabhängigen Skriptsprache erstellt. Bibliotheken für die Ansteuerung von Sensoren und Low-Level Reglern werden dynamisch zur Laufzeit den Automatisierungsskripten zur Verfügung gestellt.
Für die Entwicklung von Automatisierungssequenzen wurde eine leistungsfähige Entwicklungsumgebung erstellt, die laufende Automatisierungen überwachen, debuggen und profilen kann. Auch visuelles Feedback und Benutzerinteraktion in Sequenzen ist möglich.

Für viele Prozesse ist eine Echtzeitregelung von hoher Relevanz: Reagiert ein Aktor zu spät oder arbeitet auf veralteten Sensordaten, können Fehler bis hin zur Beschädigungen von Werkstücken und Werkzeugen auftreten. Dabei bezieht sich Echtzeit nicht auf die Geschwindigkeit, sondern vor allem auf die genaue Kenntnis über die Dauer eines Befehls oder das Alter eines Sensorwertes (Vorhersagbarkeit).
Das Ziel sind echtzeitfähige Regelungsschleifen für die Mikro- und Nanomanipulation, in denen die Zeiten von Sensorauswertungen, Aktorregelung und Kommunikation vorhersagbar sind. Für dieses Ziel werden verschiedene Techniken verfolgt: Hardware-Software Co-Design auf Basis von programmierbaren Logikbausteinen (FPGAs), der Einsatz von Echtzeitbetriebssystemen sowohl auf eingebetteten Systemen als auch auf Desktop PCs sowie der Einsatz von  zusätzlichen Datenbussen zur Echtzeitkommunikation.

Für das erfolgreiche Ausrichten von Werkzeug und Objekt (Abbildung 2) in einer Handhabung ist besonders die Kalibrierung der Sensorik und der Aktorik von Bedeutung. Ziel ist dabei das Finden von möglichst genauen Abbildungsvorschriften, die Bildkoordinaten in Abhängigkeit von Arbeitsabstand und Vergrößerung den zugehörigen Koordinaten des Roboters zuordnet.

 

Abbildung 6:  Kohlenstoffnanoröhre (links) berührt Rasterkraftmikroskopspitze (rechts). Die Position der Spitze wird dabei verfolgt (grün).

Mit Hilfe der gewonnenen Sensorinformationen soll ein Weltmodell generiert werden, das ähnlich wie in der Makrorobotik als globales Koordinatensystem für die Pfadplanung und Optimierung von Roboterbewegungen dienen soll.  Im Gegensatz zur Makrorobotik muss dieses Modell dynamisch generiert und aktualisiert werden, um Drifteffekte, z.B. induziert durch thermische Ausdehnung, kompensieren zu können.

Videos auf You Tube von der Hannover Messe 2009:

Projekte

Aktuelle Projekte

Abgeschlossene Projekte

 

Gruppenmitglieder

Studierende:
Tim Laube
Frank Wegmann


Angebote für Studierende

Eingebettete Systeme / FPGA Entwicklung:

Für eine genaue Roboterbewegung ist die Roboterregelung auf genaue Positionsdaten angewiesen. Diese Positionsdaten können unter anderem mit Hilfe von Kameras und Trackingverfahren berechnet. Abbildung 7 zeigt einen Ansatz, mit dem LEDs auf der Roboterunterseite verfolgt werden können. Um dieses Verfahren flexibel in einer Echtzeit-Regelungsarchitektur verwenden zu können, soll es als Hardware/Software Co-Design auf einem FGPA implementiert und erweitert werden. Die Trackingalgorithmen sollen zum Teil in Hardware implementiert und die ermittelten Positionsdaten über den so genannten Controller Area Network Bus (CAN-Bus) an die Regelung des mobilen Roboters übermittelt werden.

Abbildung 7: LED-basierte Positionsbestimmung

Automatisierung/Kalibrierung:

Die Kalibrierung von Sensor/Aktor-Systemen spielt eine große Rolle in der Makro und Mikrorobotik. Das Ziel dabei ist es, möglichst genaue Abbildungsvorschriften zwischen Bildkoordinaten und Roboterkoordinaten zu ermitteln. Eine besondere Herausforderung stellt dabei das Rasterelektronenmikroskop als Sensor dar. Die Abbildungsvorschriften müssen z.B. für beliebige Vergrößerungsstufen gelten und sich über die Zeit verändern können. Dieses Problem soll mit Hilfe von Onlinelernverfahren gelöst werden.
In der Mikro- und Nanorobotik ist das Rasterelektronenmikroskop der Hauptsensor zur Positionsbestimmung von Werkzeugen und Werkstücken. Im Gegensatz zur Makrorobotik ist es jedoch schwer Positionsdaten verschiedener Roboter mit den Bildkoordinaten in Verbindung zu bringen, da der gemeinsame Bezugspunkt (Weltkoordinatensystem) fehlt. Hier soll ein CAD-basiertes dynamisches Weltmodell helfen, in dem lokal gemessene Werkstückpositionen und Objektpositionen erfasst werden. Dieses kann später für Wegplanung und Kollisionsvermeidung genutzt werden.

Simulation von Mikrorobotern:

Die Funktion von Nanorobotern hängt stark von den dynamischen Eigenschaften der verwendeten Bauteile ab, sowie vom Reibverhalten der Körper, die im Kontakt stehen. Das dynamische Verhalten der Strukturen kann mit Hilfe der Finite-Elemente-Simulation untersucht werden. Daraus lassen sich die Bewegungen des angetriebenen Reibpartners ermitteln. Über ein geeignetes Reibmodell könnte aus diesen Verschiebungen die tatsächliche Bewegung des Mikroroboters abgeleitet und mit Messdaten verglichen werden. Allerdings ist das Reibverhalten nichtlinear und zeitlich variant, was eine aufwendige Modellierung und Simulation (z. B. mit MatLab/Simulink) erforderlich macht. Für ein vollständiges Reibmodell müssen zudem alle Einflussfaktoren zunächst identifiziert und anschließend charakterisiert werden.

Teleoperation über High-Level-Controller:

Vollautomatisierung ist in der Mikro- und Nanohandhabung bislang nur zum Teil zu realisieren. In vielen Fällen ist menschliche Interaktion notwendig und sinnvoll. Zum Beispiel ist das Greifen von Objekten bislang nur schwer zu automatisieren, weil zu wenige Sensorinformationen verfügbar sind. Ziel ist es, mit Hilfe von Eingabegeräten wie Gamepads Roboter manuell (teleoperiert) vom Benutzerinterface des High-Level-Controllers aus steuern zu können.

Real-Time Linux / Real-Time PC-Schnittstellen:

Die in der Abteilung eingesetzte Regelungsarchitektur soll um eine Echtzeitkomponente erweitert werden. Dazu ist es nötig,  die Prozessleitsoftware (High-Level-Control, HiLeC) um eine echtzeitfähige Schnittstelle zu den übrigen Modulen zu ergänzen. Ziel ist es, verschiedene Echtzeitbetriebssysteme für Desktop/Server PCs zu evaluieren. Ein weiterer Aufgabenbereich umfasst das Ermitteln echtzeitfähiger Schnittstellen für den Datenaustausch zwischen Desktop PC und Steuerungshardware. Es soll möglich sein, dass nur ein Teil der HiLeC-Software im Echtzeitkernel ausgeführt wird

Wichtigste Publikationen

  • D. Jasper and C. Edeler, “Characterization, optimization and control of a mobile platform,” International Workshop on Microfactories, IWMF, 2008.
  • C. Edeler, D. Jasper, and S. Fatikow, “Development, control and evaluation of a mobile platform for microrobots,” in Proc. of 17th IFAC World Congress, 2008.
  • C. Edeler and D. Jasper, Laser-based Structuring of Piezoceramics for Mobile Microrobots, EUCOMES08, Cassino, Italy, September, 2008
  •  C. Stolle, S. Fatikow: "Towards automated nanohandling in a scanning electron microscope", Proc. of the 6th IEEE Conf. on Industrial Informatics, Daejeon, Korea, July 13-16, 2008, pp. 160-165
  • T. Wich, C. Stolle, O. Frick, S. Fatikow: "Automated Nano-Assembly in the SEM: Challenges in Setting up a Warehouse", Proc. of the 17th IFAC World Congress, Seoul, Korea, July 6-11, 2008, pp.12751-12756