A survey of non-prehensible pneumatic manipulation surfaces : principles, models and control.

International audienceMany manipulation systems using air flow have been proposed for object handling in a non-prehensile way and without solid-to-solid contact. Potential applications include high-speed transport of fragile and clean products and high-resolution positioning of thin delicate objects. This paper discusses a comprehensive survey of state-of-the-art pneumatic manipulation from the macro scale to the micro scale. The working principles and actuation methods of previously developed air-bearing surfaces, ultra-sonic bearing surfaces, air-flow manipulators, air-film manipulators, and tilted air-jet manipulators are reviewed with a particular emphasis on the modeling and the control issues. The performance of the previously developed devices are compared quantitatively and open problems in pneumatic manipulation are discussed

研究速報 : Autonomous decentralized systems based on ditributed conrolled MEMS actuator for micro conveyance application

特集2 日仏マイクロメカトロニクス国際共同研究組織(LIMMS

Pneumatic contactless microfeeder design refinement through CFD simulation

A new contactless pneumatic microfeeder based on distributed manipulation is proposed. By cooperation of dynamically programmable microactuators, the part to be conveyed floats over an air cushion and is moved to the desired location with the desired orientation. CFD simulations are used to test the validity of the proposed concept and refine the design of the microactuator

Beitrag zur Gestaltung und Herstellung einer integrierten Mikropositionierungssystem

Modern positioning systems are significantly applied in many engineering fields dealing with products emerging from different technologies at macro-, micro- and nanoscale. These systems are the back-bone systems behind any manipulation task in these areas. Currently, miniaturization trend have led numerous scientific communities to realize down scaled versions of these systems with a footprint size up to few hundreds of millimeters. These miniature positioning systems are cost effective solutions in many micro applications. This thesis presents the development of a miniature positioning system integrated with a non-contact long range displacement sensor. The uniqueness of the presented positioning system lies in its simple design with ability to perform micrometer to millimeter level strokes with pre-embedded auto guidance feature. Its design consists of a mobile part driven with four electromagnetic linear motors. Each motor consists of a fixed two phase current carrying planar electric drive coil and permanent magnet array that is realized with 14 permanent magnets arranged in north-south configuration. In order to achieve smooth motion a four point contact technique with hemispherical glass beads has been adapted to minimize the adherence effect. The overall design of the planar positioning system have been optimized to achieve a footprint size of 80 mm × 80 mm. The device can deliver motion within working range of 10 mm × 10 mm in xy-plane with sub micrometer level resolution at a speed of 12 mm/s. The device is capable to deliver a rotation motion of ±11° about the z axis in the xy-plane. Secondly, in order to measure the displacement performed by the mobile part, a non-contact long range linear displacement sensor has been designed. The overall dimensions of the sensor were optimized using a geometrical model. The fabrication of the sensor has been carried out via microfabrication in silicon material to achieve compact dimensions, so that it could be integrated in the mobile part of the positioning system. The sensor is able to provide 30.8 nm resolution with a linear measurement range of 12.5 mm. At the end, a novel cross structure has been designed and fabricated using microfabrication with the perspective to integrate the long range sensor.Moderne Positioniersysteme werden in vielen aufstrebenden Bereichen der Technik eingesetzt. Die Produkte stammen hierbei aus unterschiedlichen Technologiebereichen, die den Makro-, Mikro- und Nano- Maßstab abdecken. Diese Systeme bilden die Basis jeder Manipulationsaufgabe, in diesen Bereichen. In jüngster Zeit hat der Miniaturisierungstrend dazu geführt, dass in zahlreichen wissenschaftlichen Bereichen immer kleinere Versionen von Systemen realisiert wurden. Die typischen Abmessungen wurden dabei auf einige hundert Millimeter reduziert. Diese Miniatur Positioniersysteme sind kostengünstige Lösungen in vielen Mikro Anwendungen. Die vorliegende Arbeit stellt die Entwicklung eines Miniatur-Positioniersystems dar, in welches ein berührungsloser Wegsensor für lange Distanzen integriert wurde. Die Einzigartigkeit dieses Positionierungssystems liegt in der Einfachheit der Konstruktion in Kombination mit der Fähigkeit Bewegungen vom Mikrometer bis zum Millimeter Bereich mittels einer eingebetteten Autopilotfunktion auszuführen. Das Design besteht aus einem beweglichen Teil, welches mit vier elektrischen Linearmotoren angetrieben wird. Jeder Motor besteht aus zwei Teilen: Einem planaren elektrisch angetriebenen Schlitten und einer Anordnung von Permanentmagneten. Die Anordnung ist mit 14 Permanentenmagneten in Nord-Süd Ausrichtung realisiert. Um eine sanfte Bewegung zu erreichen wird eine Vierpunktauflage mit halbkugelförmigen Glasperlen verwendet. Hierdurch werden Adhäsionseffekte minimiert. Das Positionierungssystem kann Bewegungen im Arbeitsbereich von 10 mm × 10 mm in der xy-Ebene mit Submikrometer Auflösung und einer Geschwindigkeit von 12 mm/s ausführen. Das Gerät ist in der Lage eine Drehbewegung von ±11° um die z-Achse in der xy-Ebene auszuführen. Weiterhin wurde, um die Verschiebung des beweglichen Teils zu messen, ein kontak tloser Langstrecken-Wegsensor entworfen. Die Gesamtabmessungen des Sensors wurden mit einem geometrischen Modell optimiert. Die Herstellung des Sensors wurde mittels Mikrostrukturierung in Silizium ausgeführt um eine kompakte Abmessung zu erreichen, so dass es in den beweglichen Teil des Positionierungssystems integriert werden konnte. Der Sensor erreicht eine Auflösung von 30,8 nm in einem linearen Messbereich von 12.5 mm. Am Ende der Arbeit wurde eine neue Kreuz-Struktur konzipiert und hergestellt, gleichfalls mit Hilfe der Mikrostrukturierungstechnik. Hieraus ergibt sich die Perspektive den Langstrecken Wegsensor problemlos zu integrieren

Real-time surface formation using a network of interconnected programmable actuators

This research has explored methods for developing a large interactive dynamic 3D surface using an array of interconnected pneumatically actuated cylinders. People can control the surface using body movement, sound or pre-programmed sequences. The main contribution is a method for accurately positioning cylinders without the need for position feedback

Conception, modélisation et commande d’une surface de manipulation sans contact à flux d’air induit

This thesis presents the design, the modeling and the control of a pneumatic manipulatorbased on an original aerodynamic traction principle. An horizontal air flow is induced by strongvertical air jets in order to manipulate objects without contact. The objects are maintained inconstant levitation on an air cushion. Three degrees of freedom positioning of the objects canbe realized thanks to the right combination of distributed air jets. The design of an originalmanipulator using this aerodynamic principle is detailed. The device has been integrated in anexperimental setup in order to validate the manipulation principle : objects can reach velocityof 180 mm/s. Several models of the system have been established. A first model, based on experimentaldata, gives the evolution of the 1 DOF-position of an object on the device. Twoother models, based on a fundamental aerodynamic study, respectively give the evolution of the2- and 3-DOF position of the objet. The three models have been validated experimentally. Inorder to control the position of the object, different controllers have been designed : a PID oneand a robust H1 one. The control of one and two degrees of freedom of the device gives goodperformances : settling time of around 2 s and overshoot less than 5% in most of the cases. Wehave also studied a micro-manipulator that is able to position millimetric sized objects, in twodirections, thanks to inclined air jets. Objects can reach velocity of 123 mm/s, and the resolutionof the positioning is less than 0.4 μm.Ce mémoire décrit la conception, la modélisation et la commande d’un manipulateur pneumatique,fondé sur un principe de traction aérodynamique original. De puissants jets d’air verticauxpermettent de créer un flux d’air horizontal pour manipuler des objets sans contact. Les objetssont maintenus en constante lévitation sur la surface grâce à un coussin d’air, et peuvent positionnés selon trois degrés de libert´ du plan, grâce à la combinaison adéquate et distribuéede jets d’air verticaux. Nous détaillons la conception d’un prototype original de manipulateurexploitant ce principe fluidique. Ce prototype a été intégré dans une plate-forme expérimentaleafin de valider le principe de manipulation : le système permet de déplacer des objets à unevitesse atteignant 180 mm/s. Nous avons modélisé le fonctionnement de la surface selon plusieursméthodes. Un premier modèle comportemental, fond´e sur des données expérimentales, aété établi. Il permet de simuler l’´evolution de la position d’un objet sur la surface, selon un degréde liberté . Deux modèles de connaissance, fond´es sur une étude aérodynamique fondamentale,donnent l’´evolution de la position de l’objet selon respectivement deux et trois degrés de libertédu plan. Chacun des modèles a été validé expérimentalement. Nous avons synthétisé différentscontrˆoleurs afin d’asservir la position de l’objet : un premier, de type PID, et un second, de typerobuste (méthode H1). La commande de un, puis deux degrés de liberté du système, a permisd’atteindre de bonnes performances : temps de réponse d’environ 2 s et dépassement souventinférieur à 5%. Nous avons également étudié un micro-manipulateur pneumatique permettant ded´eplacer des objets de taille millimétrique selon deux directions, grâce à des jets d’air inclinés.Ces objets peuvent atteindre des vitesses de 123 mm/s. La résolution du positionnement estinférieure à 0.4 μm

Contribution au micro-actionnement multi-stable piloté par radiations optiques

In this work, a bistable mechanism based on antagonistic pre-shaped double beams was proposed. Employing the proposed bistable mechanism, a quadristable micro-actuator was designed. ln order to validate the quadristability of the device, a meso-scaled prototype was fabricated from MDF by laser cutting. After the quadristability was experimentally confirmed, a quadristable micro-actuator was realized on SOl wafer using DRIE technique. Strokes for inner row and outer row were reduced to 300 µm and 200 µm respectively. For the actuation of the quadristable micro-actuator,laser heated SMA elements with deposited Si02 layer were used to realize the optical wireless actuation. With the help of a laser beam steering micro-mirror, both inner row and outer row were successfully actuated. ln order to further reduce the stroke, a bistable actuator with stroke reducing structure was designed and a prototype eut from MDF was tested. Bistability was validated and a stroke of 1µm was experimentally achieved. Based on this bistable module, a multistable nano-actuator, which contains four parallel coupled bistable modules,was designed and simulated. The simulated result have indicated that it was capable of outputs 16 discrete stable positions available from 0 nm to 150 nm with a step of 10 nm between two stable positions.Cette thèse traite le sujet du micro-actionnement multistable employant des radiations optiques pour atteindre les différentes positions offertes par le micro-actionneur. Dans le cadre des travaux réalisés, un mécanisme bistable reposant sur un principe de doubles poutres préformées situées en position antagoniste est proposé, et, sur cette brique élémentaire, un micro-actionneur quadristable a été conçu. Afin de valider le principe de fonctionnement de micro-actionneur, des procédés de fabrication Laser (sur le matériau « médium - MDF») puis DRIE (sur un wafer SOI de silicium) ont été utilisés. Sur le prototype en silicium, permettant une réduction des courses du rang interne et du rang externe du micro-actionneur, celles-ci ont été fixées à 300 µm et 200 µm respectivement. L’actionnement à distance de ce micro-actionneur a été prouvé en utilisant le chauffage laser d’un élément actif en Nitinol structuré par un dépôt de SiO2, ceci générant un effet « deux sens » de l’élément actif permettant d’annuler la charge sur les poutres du micro-actionneur une fois celui-ci déclenché puis en position stable. L’utilisation d’un banc expérimental incluant une membrane MEMS de balayage laser a permis de démontrer la quadristabilité du micro-actionneur sur 90 000 cycles. Afin de réduire davantage la course de ce micro-actionneur, des concepts de dispositifs de réduction de course ont été développés pour démontrer, à partir de prototypes fabriqué en MDF par usinage laser, la capacité à atteindre une course de 1 µm. Enfin, à la suite de ces travaux de réduction de course, un concept de nano-actionneur multistable a été proposé. Ce nano-actionneur est composé de quatre modules bistables liés et disposés en parallèle pour offrir 16 positions discrètes sur une course rectiligne. Les simulations de cet actionneur montrent la possibilité d’atteindre les 15 positions espacées de 10 nm sur une course de 150 nm

International Workshop on MicroFactories (IWMF 2012): 17th-20th June 2012 Tampere Hall Tampere, Finland

This Workshop provides a forum for researchers and practitioners in industry working on the diverse issues of micro and desktop factories, as well as technologies and processes applicable for micro and desktop factories. Micro and desktop factories decrease the need of factory floor space, and reduce energy consumption and improve material and resource utilization thus strongly supporting the new sustainable manufacturing paradigm. They can be seen also as a proper solution to point-of-need manufacturing of customized and personalized products near the point of need