Modelarea, Simularea Si Proiectarea Microsistemelor Electromecanice

8/13/2019 Modelarea, Simularea Si Proiectarea Microsistemelor Electromecanice

1/83


2/83

Modelarea, simularea si proiectarea microsistemelor electromecanice (MEMS)

2

Este evident c nano - i microtehnologiile schimb drastic fabricarea i procesul defabricaie a materialelor, dispozitivelor, precum i a sistemelor prin:

proprieti previzibile ale nano-compozitelor i a materialelor (de exemplu, greutate redusi rezistenridicat, stabilitate termic, dimensiuni i volumul redus, putere extrem de mare, cuplu,for, sarcini i densiti de curent, conductivitate termici rezistivitate specificate, etc),

crearea rapid de prototipuri virtuale (reducerea ciclului de proiectare, a costului i a

ntreinerii), mbuntirea preciziei, fiabilitate i durabilitate, creerea gradului de eficien, a capaciti, a integritii i flexibilitii, a accesibilitii i

suportabilitii, a redundanei i a duratei de via, robustee i stabilitate mbuntit, grad mai ridicat de siguran, competitivitate n ceea ce privete mediul.Prevzut de Richard Feyman, termenul de "nanotehnologie" a fost folosit prima dat de

ctre N. Taniguchi n 1974 n lucrarea Cu privire la conceptul de baz al nanotehnologiei. nultimele doudecenii nanofabricarea i nanoengineria i au fost popularizate de ctre Eric Drexler

prin Institutul Foresight.Avansarea miniaturizrii la nivel molecular cu scopul final de a proiecta i fabrica

nanocomputere i nanomanipulatoare, folosirea pe scar larg a sistemelor inteligente NEMS iMEMS (care contin nanocomputere ca i componentele de baz), fac ca proiectantul sse confruntecu un numr mare de probleme nerezolvate.

Conceptele de bazposibile n dezvoltarea nanocomputerelor sunt enumerate mai jos."Calculatoarele" mecaniceau cea mai bogat istorie, ce poate fi urmritcu mii de ani n

urm. n timp ce mainile i teoriile cele mai creative au fost dezvoltate i demonstrate, fezabilitateananocomputerelor mecanice este contestata de ctre unii cercettori datorit numrului decomponente mecanice (care este necesar a fi controlate), precum i datoritproblemelor nerezolvatecare in de fabricaie (montaj) i de dificultile tehnologice.

Nanocomputerele chimicepot fi proiectate pe baza informaiilor prelucrate din legarea sausau ruperea legaturilor chimice, precum i prin stocarea informaiilor n substana chimicrezultat.n schimb, n nanocomputerele cuantice, informaiile pot fi prezentate printr-o stare cuantic (de

exemplu, rotaia atomului poate fi controlatde ctre cmpul electromagnetic).Nanocomputerele electronicepot fi proiectate folosind concepte convenionale care au fost

testate i utilizate n ultimii treizeci de ani. n particular, tranzistori moleculari sau puncte cuanticepot fi folosite ca elemente de baz. Nanontreruptoarele (elemente de procesare frcapacitate dememorare), porile logice, i regitrii trebuie a fi construite la scara unei singure molecule. Aanumitelepuncte cuanticesunt cutii de metal care conin un numr discret de electroni care esteschimbat prin aplicarea unui cmp electromagnetic.

Punctele cuantice sunt aranjate n celule de puncte cuantice. Celulele de puncte cuanticeconin fiecare cte cinci puncte cuantice, dintre care dou conin electroni. Dou stri diferite alecelulelor sunt ilustrate n Figura 1.1.1 (punctele colorate conin electroni, iar cele albe nu coninelectroni).

Figura 1.1.1 Puncte cuantice aflate n strile 0 i 1, i n configuraia 1 1

Este evident faptul cpunctele cuantice pot fi utilizate in a sintetiza dispozitivele logice. Afost subliniat faptul cn sistemele convenionale electromecanice, sistemele nanoelectromecanice


3/83


3

(actuatori i alte dispozitive moleculare) sunt controlate prin schimbarea cmpului electromagnetic.Devine evident faptul c alte structuri i dispozitive la scar nanometric (nanodiode inanotransistori) sunt de asemenea controlae prin aplicarea unui cmp electromagnetic (reamintimfaptul ctensiunea i curentul sunt rezultante ale cmpului electromagnetic).

1.2. Analogii cu biologia

Comportamentul i micarea coordonat, vizualizarea i detectarea, deplasarea i luareadeciziilor, memorarea i nvarea organismelor vii sunt rezultatele transmisiei electrice(electromagnetice) a informaiei ctre neuroni. Un centimetru cub din creier conine milioane decelule nervoase, iar aceste celulele comuniccu mii de neuroni crend reele de prelucrare a datelor(reele de comunicare).

Informaia este transmisde la creier la muchi n cteva milisecunde. Juctorii de baseball,fotbal, baschet i tenis calculeaz viteza mingii, analizeaz situaia, iau decizii i acioneaz (deexemplu alearg, sar, aruncsau lovesc mingea, etc).

Sistemul nervos central uman, care include creierul i coloana vertebral, servete dreptlegatur ntre senzori (receptori) i sistemul nervos periferic motor (efectori, muchi i celuleglandulare).

Trebuie pus accent pe meniunea csistemul nervos prezinturmtoarele funcii principale:senzorial, de integrare i luare a deciziilor i de acionare.Creierul umaneste mprit n trei zone majore. Acestea sunt partea inferioar(controleaz

homeostaza i coordoneaz micarea), partea central (controleaz receptarea, integrarea iprocesarea informaiei senzoriale) i partea frontal(controleazprocesarea neuronal, integrareainformaiei, procesarea imaginilor, memoria de scurti lungdurat, funciile de nvare, luareadeciziilor i dezvoltarea funciilor motoare).

Sistemul nervos periferic const n sistemul senzorial (neuronii senzoriali transmitinformaia din mediul intern i extern ctre sistemul nervos central, iar neuronii motori transportinformaia de la creier sau coloana vertebral ctre efectori), care transmite informaia de lareceptorii senzoriali ctre sistemul nervos central i sistemul nervos motor, care furnizeazsemnale(comenzi) de la sistemul nervos central ctre muchi (efectori) i glande.

Coloana vertebralmediazreflexele care integreazintrrile senzoriale i ieirile/reaciilemotrice, iar prin coloana vertebral neuronii transport informaia spre i dinspre creier.Transmiterea semnalelor electrice prin neuroni reprezintun proces foarte complex.

Potenialul membranei pentru un neuron netransmitor se datoreaz distribuirii inegale aionilor (de sodiu i de potasiu) de-a lungul membranei. Potenialul de repaus este meninut datorit

pereabilitii difereniale a ionilor i a aa-numitelor pompe Na+ - K+. Stimulul modificpermeabilitatea membranei, iar ionii pot depolariza sau hiperpolariza potenialul repausuluimembranei. Acest potenial (tensiune) este proporional cu intensitatea stimulului. Stimulul estetransmis ca urmare a mecanismului - axon. Sistemul nervos este ilustrat n figura 1.2.1.

Figura 1.2.1 Sistemul nervos al organismelor vertebrate: diagrama generalde funcionare


4/83


4

Existo mare diversitate de organizaii ale sistemului nervos. Reeaua nervoascnidarian(hydra) este un sistem organizat de nervi farun control central, iar un simplu nerv poate executa osarcin elementar (notul meduzelor). Echinodermele au un inel central cu nervi radiali (deexemplu, stelele de mare au nervi centrali i radiali cu reea de nervi).

Planarianele au creieri mici, care transmit informaii prin intermediul a dousau mai multetrunchiuri nervoase, dupcum sunt prezentate n figura 1.2.2.

Fig. 1.2.2. Imagine de ansamblu asupra sistemelor nervoase al organismelor nevertebrate

1.3. Sisteme nano- i microelectromecanice

Prin analogie cu biosistemele, o mare varietate de sisteme electromecanice au fost proiectatei realizate de ctre om. Pentru a analiza, proiecta, dezvolta, implementa noi sisteme NEMS iMEMS, proiectantul trebuie s sintetizeze arhitecturi avansate, s integreze cele mai recente

progrese n nano- i microactuatori/senzori (traductoare), structuri inteligente, circuite integrate(ICS) i multiprocesoare, fabricaie i materiale, proiectare structural i optimizare, modelare isimulare, etc.

Este evident faptul cnoile arhitecturi optimizate de NEMS i MEMS (cu procesoare saumultiprocesoare, ierarhii de memorie i parelelism multiplu pentru a garanta un calcul i o putere deluare a deciziilor avansate), noi structuri i actuatori, circuite integrate (IC) i antene, precum i altesubsisteme, joac un rol esenial n avansarea cercetrilor, a evoluiei i a punerii n aplicare arezultatelor.

Sistemele electromecanice, dupcum sunt prezentate n figura 1.3.1, pot fi clasificate astfel:

sisteme electromecanice convenionale,

sisteme microelectromecanice (MEMS),sisteme nanoelectromechanice (NEMS).

Fig. 1.3.1. Clasificarea sistemelor electromecanice

Principiile de operare i fundaiile de baz a sistemelor convenionale i electromecaniceMEMS sunt aceleai, n timp ce sistemele NEMS sunt studiate cu ajutorul diferitelor concepte iteorii. De fapt, proiectantul aplic principiile de mecanic implementate de ctre Newton iLagrange, precum i principii electromagnetice (ecuaiile lui Maxwell) pentru a studia sistemeleconvenionale i electromecanice i sistemele MEMS. n contrast, sistemele NEMS sunt studiate cuajutorul teoriilor cuantice i a conceptelor de nanoelectromecanic. Figura 1.3.2 prezint teoriilefundamentale folosite pentru a studia procesele i fenomenele n sistemele micro inanoelectromecanice convenionale.


5/83


5

Fig. 1.3.2. Teoriile fundamentale folosite pentru studiul sistemelor electromecanice

Sistemele NEMS i MEMS integreaz diferite structuri, dispozitive, i subsisteme.Cercetrile n domeniul integrrii i a optimizrii (arhitecturi optimizate i optimizare structural)acestor subsisteme nu au fost instituite i efectuate, iar performanele i comportamentul trebuiestudiate de la un capt la altul (procesoare - reele subsisteme de intrare/ieire circuiteintegrate/antene - actuatori/senzori).

Sistemele MEMS i NEMS de scar larg, care pot integra un procesor (multiprocesor) imemorii, reele de naltperformani sisteme de intrare/ieire (IO), sunt mult mai complexe dectsistemele MEMS folosite uzual n acest moment.

n particular, sistemele MEMS i NEMS de scarlargpot integra:mii de noduri de actuatori/senzori de naltperformani structuri inteligente controlate

de circuite integrate i antene;procesoare de naltperformansau multiprocesoare;memorii cu stagii multiple i ierarhii de stocare cu diferii timpi de accesare a datelor (mii

de dispozitive de stocare secundare i teriare ncrcate cu arhive de date);baze de date heterogene interconectate i distribuite;reele de comunicare de naltperforman(reele robuste, adaptabile, inteligente).

Trebuie accentuat faptul ci cele mai simple nanosisteme (de exemplu, un actuator pur), deobicei nu pot funciona de sine stttoare. De exemplu, este nevoie de cel puin o sursinternsauexternde energie.

Complexitatea sistemelor MEMS i NEMS de scar larg cere noi cercetri i dezvoltrifundamentale i aplicate. De asemenea, crete cererea de coordonare a unuei game largi dehardware i software.

De exemplu, proiectarea de nano- i microactuatori/senzori avansai i de structuriinteligente, sintetizarea arhitecturilor optimizate (balansate), dezvoltarea de noi limbaje de

programare i compilatoare, programe pentru depanare, sisteme de operare i de management aresurselor, sisteme de vizualizare de nalt fidelitate i de reprezentare, proiectarea de reele denalt performan etc. Este mare nevoie de noi algoritmi i structuri de date, sisteme softwareavansate i acces distribuit la arhive vaste de date, tehnici sofisticate de cutare a datelor i de

vizualizare, precum i analize avansate a datelor. n plus, mai este nevoie i de procesoare imultiprocesoare avansate pentru a atinge capabilitatea susinut cerut de sistemele MEMS i

NEMS de scarnaltfuncionale, pentru a putea fi folosite.Cercetrile fundamentale i aplicate n domeniul MEMS i NEMS au fost afectate dramatic

de ctre apariia calculatoarelor de naltperforman. Analiza i simularea sistemelor MEMS iNEMS au avut rezultate semnificative. Problemele care apar n analiza, modelarea i simulareasistemelor MEMS i NEMS de scarlargi care includ dinamica molecularcomplet, nu pot firezolvate deoarece teoria cuantic clasic nu poate fi aplicat practic n molecule complexe saunanostructuri simpliste (1 nm3dintr-un actuator conine mii de molecule).


6/83


6

Exist cteva probleme de cercetare provocatoare n care teoriile i puterea de calculavansate sunt necesare pentru a progresa n ceea ce privete teoriile i aplicarea acestora n practic.Fundamentele multidisciplinare ale nanoelectromecanicii trebuie dezvoltate pentru a garanta

posibilitatea de a sintetiza, analiza i realiza sisteme MEMS i NEMS de naltperformancare sdein caracteristicile dorite (specificate). Acest lucru va scurta semnificativ timpul i costuldezvoltrii de sisteme MEMS i NEMS utilizate n scop medical i biomedical, n aeronautic i

automobilism, n sisteme electronice i de fabricaie.Importana dezvoltrii de modele matematice i analize numerice a fost accentuat.Simularea numeric sporete, dar nu nlocuiete metodele de cercetare fundamentale. Mai mult,simulrile explicite ar trebui bazate pe studii fundamentale sigure i trebuie validate prinexperimente. Totui, este evident faptul c simulrile conduc la nelegerea performanelorsistemelor MEMS i NEMS complexe (nano- i microstructuri, dispozitive i subsisteme), lareducerea timpului i a costului procesului pe care trebuie s l urmeze tehnologiile sistemelorMEMS i NEMS de la concept la dispozitiv/sistem i de la dispozitiv/sistem la scoaterea pe pia.

Cercetarile fundamentale i aplicate sunt nucleul simulrii, iar eforturile trebuie concentrateasupra modelrilor complete i asupra calculrii avansate eficiente. Pentru a studia completsistemele MEMS i NEMS, sunt necesare instrumente avansate de modelare i calcul n primul rnd

pentru simulri i modelri intensive de tip 3D+ (dinamica geometric tridimensional), pentru a

studia comportamentul dinamic complet al actuatorilor i a senzorilor. Modelele matematice alesistemelor MEMS i NEMS, mpreun cu componentele acestora (structuri, dispozitive isubsisteme), trebuie dezvoltate. Aceste modele (augmentate cu algoritmi computaionali eficieni,computere terascalare i software avansat) vor juca un rol major n simularea i proiectarea desisteme MEMS i NEMS din punctul de vedere al realizrii rapide de prototipuri virtuale.

Exist trei categorii generale de probleme pentru care este critic dezvoltarea de noialgoritmi i metode de calcul:

1.Probleme pentru care sunt dezvoltate teorii fundamentale, dar complexitatea solu iilor esten afara razei acoperite de tehnologiile de calcul care vor aparea n viitorul apropiat.

De exemplu, mecanica cuantic conceptual clasic i dinamica molecular nu pot fiaplicate nici mcar pentru nanoactuatori. n contrast, este posibilcrearea de simulri predictive alcomportamentului molecular al nano- i microactuatorilor/senzorilor i de structuri inteligente care

ar putea conine milioane de molecule.2.Probleme pentru care teoriile fundamentale nu sunt dezvoltate complet pentru a justifica

simulri directe, dar care pot fi avansate sau dezvoltate prin metode avansate de bazi numerice.3.Probleme pentru care metodele de modelare i simulare dezvoltate vor conduce la avansri

majore i vor avea un impact important. De exemplu, comportamentul tranzitoriu complet 3D+ alsistemelor MEMS i NEMS. Pentru sistemele MEMS i NEMS, precum i pentru dispozitivelesubsistemelelor, modelarea fidel i simulrile computaionale masive (modele matematice

proiectate cu ajutorul librriilor i bazelor de date/arhivelor inteligente, manipularea i stocareainteligent a datelor, corelarea i gruparea datelor, vizualizarea, cutarea i interpretarea datelor)ofer perspectiva dezvoltrii i nelegerii mecanismelor, fenomenelor i a proceselor pentrumbuntirea eficienei i a modului de proiectare a noilor sisteme de naltperformanMEMS i

NEMS. Simulrile predictive bazate pe modelare necesitresurse de calcul avansate i un nivel de

integrare fr precedent ntre inginerie i tiin. Pentru a modela i simula sisteme MEMS iNEMS, se augumenteazmecanica cuanticmodern, electromagnetica i electromecanica, toate lascarnano- i micro. n particular, scopul principal este de a dezvolta teoria nanoelectromecanicii.

Se poate efectua analiza dinamic steady-state/starii de echilibru. Dei analiza starii deechilibru i optimizarea structuralsunt importante pentru a nelege actuatorii/senzorii i structurileinteligente, sistemele MEMS i NEMS trebuie analizate n domeniul timpului. Scopul de lungduratal nanoelectromecanici este de a dezvolta o teorie fundamentalpentru analiza interaciunilordintre acionare i sim, calcul i comunicare, procesarea semnalelor i stocarea ierarhica datelor ia altor procese i fenomene regsite n cadrul sistemelor MEMS i NEMS.


7/83


7

Folosind conceptul interaciunilor electromagnetice-electromecanice puternice, teoriananoelectromecanicfundamentalva fi dezvoltati aplicatnanostructurilor i nanodispozitivelor

pentru a prezice performanele prin soluii analitice i simulri numerice. Macromodelele dinamiceal nodurilor pot fi dezvoltate, iar moleculele singure sau grupurile de molecule pot fi studiate.Efectuarea acestui studiu este decisiv n determinarea unui numr de parametrii pentru a obineevaluri corecte ale performanelor i pentru a analiza fenomenul prin efectuarea de simulri i prin

compararea rezultatelor experimentale dupmodelare i simulare.Progresele i dezvoltrile curente n modelarea i simularea fenomenelor complexe dincadrul sistemelor MEMS i NEMS sunt tot mai mult dependente de noi metode de abordare pentrua calcula, vizualiza i valida rezultatele clarificnd, corelnd, definind i descriind limitele dintrerezultatele numerice i analiza calitativ-cantitativ analitic, n scopul de a nelege trsturile de

baz.Pentru simularea sistemelor MEMS i NEMS este nevoie de metode de calul avansate care

vor fi disponibile n anii imediat urmtori. Limitrile computaionale i inabilitatea de a dezvoltamodele matematice clare (unele fenomene non-lineare nu pot fi nelese), concentreaz studiileavansate asupra cercetrii de baz a modelrii i simulrii afectate de incertitudini. Procesele demodelare, simulare i proiectare sunt decisive n privina avansului i protejrii cutezanelorteoretice i inginereti. Ne concentrm cercetrile asupra dezvoltrii teoriei nanoelectromecanice

pentru a modela i simula sisteme MEMS i NEMS de scarlarg.De exemplu, la nivel de subsistem, nano- i microactuatorii i senzorii vor fi modelai ianalizai n sistem 3D+ (dinamic geometric tridimensional n domeniul timpului) aplicndalgoritmi i metode numerice avansate. Metode riguroase de cuantificare a incertitudinilor trebuiedezvoltate. Incertitudunile rezultdatoritfaptului ceste imposibil de a nelege complet proceselei subsistemele complexe din cadrul sistemelor MEMS i NEMS (actuatori/senzori, structuriinteligente, antene, circuite integrate digitale sau analogice, micarea datelor, stocarea imanagementul n cadrul ierarhiilor de memorie cu nivele multiple, arhive, reele i periferice),schimbrile structurale i de mediu, fenomenele nemsurate i nemodelate etc.

Pentru a proiecta sisteme MEMS i NEMS, vom dezvolta modele matematice analitice.Existun numr de zone unde trebuie fcute progrese pentru a realiza promisiunile i beneficiilerecente n domeniul dezvoltrilor teoretice moderne. De exemplu, pentru a realiza modelri de tip

3D+ ale actuatorilor/senzorilor i a structurilor inteligente, se vor folosi metode numerice ialgoritmi analitici avansai (metode i algoritmi noi n generarea de geometrii i reele, asimilare dedate i rafinare dinamic adaptiv a reelelor) precum i mediul computaional eficient i robustMATLAB.

Exist probleme fundamentale i computaionale care nu au fost abordate, formulate irezolvate datorit complexitii sistemelor MEMS i NEMS de scar larg (de exemplu, modelehibride de scarlarg, abilitatea limitatde a genera i vizualiza cantiti masive de date etc.). Alte

probleme ar fi nelinearitatea i incertitudinile care presupun limite fundamentale pentru a formula,pregti i rezolva probleme de analiz i proiectare. Prin urmare, ar trebui dezvoltate metode ialgoritmi pentru cuantificarea i modelarea incertitudinilor, a tehnicilor de generare a reelelor i ageometriilor de tip 3D+, precum i metode de modelare i simulare adaptiv sub incidenaincertitudinilor.


8/83


1

1.4. APPLICATII ALE SISTEMELOR MICRO SI NANO ELECTROMECANICE

NEMS i MEMS trebuie proiectate in funcie de specificaii i cerinte, obiective i aplicaii. In

general, NEMS sunt mai rapide i mai simple, mai eficiente i fiabile, rezistente i robuste n

comparaie cu MEMS. Oricum, datoritmrimii limitate i capabilitilor funcionale, nu se pot atinge

caracteristicile dorite. De exemplu, sconsideram actuatorii nano i micro.

Dimensiunea actuatorului este determinat de desitatea/mrimea forei sau momentului

dezvoltat. Astfel, dimensiunea este determinat de necesitatea fortei sau momentului dezvoltat i de

materialele utilizate. Utiliznd NEMS sau MEMS ca i dispozitive logice, semnalul electric de ieire

(tensiune sau curent) sau cmp electromagnetic (intensitate sau densitate) trebuie s aib valoarea

specificat.

Cu toate c MEMS i NEMS au particulariti comune exist i diferene. Cercetarile si

dezvoltarile curente in domeniul NEMS si al nanotehnologiilor moleculare sunt concentrate in principal

asupra proiectarii, modelarii, simularii si fabricarii de dispozitive la scara moleculara.

MEMS sunt fabricate folosind alte tehnologii, ca de exemplu semiconductoare metalice

complementare(CMOS) i litografierile. Tehnologia de atasare directa a cipurilor a fost dezvoltata si

des utilizata. Asamblareaflip-chipinlocuieste structura in benzi pentru conectarea IC-urilor (IC-circuite

integrate) cu actuatori i senzori la scara micro si nano. Utilizarea tehnologiei flip-chip elimina

rezistentele, capacitatile si inductantele parazite. Acest lucru conduce la creste caracteristicilor de

performan. In plus asamblarea flip-chip ofera avantaje in implementarea impachetarilor/incapsularilor

(packaging-ului) flexibile avansate, mbuntind funcionarea de lunga durata, reduce masa i mrimea

etc.

Asamblarea flip-chip include ataarea actuatorilor i senzorilor direct pe substratul IC-ului.Actuatorii si senzorii sunt montati cu faa n jos prin bumpere (socluri) pe placa formnd conxiunile

electronice i mecanice in substratul IC-ului. Materialul de incapsulare este adaugat intre suprafata

cipului i circuitul flex pentru a atinge fiabilitatea cerut. Figura 1prezintMEMS-urile de tip flip-

chip.

Fig. 1. Ansamblu monolithic MEMS flip-chip cu senzori i actuatori

MEMS-ul integrat la scarlarg(un singur chip, care poate si produs in masa utiliznd (CMOS

Complementary Metal Oxide Semiconductor - Semiconductoare cu Oxid de Metal Complementar),

fotolitografie si alte tehnologii la costuri reduse, integreaz:


9/83


2

Noduri N de actuatori/senzori, structuri inteligente , IC-uri si antene, Procesoare i memorii, Reele de interconectare (bus-uri de comunicatie), Sisteme IO (intrare-iesire)

Pentru controlul sistemelor complexe, proceselor i fenomenelor se folosesc MEMS i NEMS.

O diagrama bloc complexde funcionare a MEMS-urilor de scarlargeste ilustratin fig. 2.

Fig. 2 Schema bloc de functionare MEMS cu senzori si actuatori de rotatie si translatie

Actuatorii se folosesc pentru a pune in miscare sistemele dinamice. Actuatorii raspund

comenzilor stimulante (semnale de control) si pentru a dezvolta forte si momente. Exista un numar

mare de actuatori biologici (ex. Ochiul uman si sistemele de locomo ie) creai de om. Actuatorii

biologici se bazeaza pe fenomene si procese electro-magneto-mecano-chimice.

Actuatorii creai de om (motoare electromagnetice, electrice, hidraulice, termice si acustice)

sunt dispozitive care primesc semnale sau stimuli (presiune, tensiune, termici si acustici etc.) si raspund

in moment si forta.

Sa luam in considerare avioanele. Actuatorii inteligenti bazati pe NEMS si MEMS sunt adecvati

a fi utilizai la aparatele de zbor. Zborul la avioane, nave spaiale, rachete, i interceptoare este controlat

prin actuatori care modifica geometria suprafeelor aeronavei si geometriei aripei. Spre exemplu


10/83


3

elevatoarele, flapsurile, stabilizatoarele, varfurile de aeronavelor avansate etc., pot fi controlate prin

intermediul nano-micro i mini-actuatorilor utilizand tehnologia NEMS si MEMS.

Figura 3 prezinta o aeronava in cadrul crea actuatori rotativi si de translatie sunt utilizati pentru

controlul geometriei suprafetelor si pentru a schimba si controla geometriei aripilor.

Fig. 3. Aeronave cu actuatori NEMS si MEMS de translaie i de rotaie pentru zbor

Senzorii sunt dispozitivele care primesc si raspund la semnale si stimuli. Spre exemplu

incarcarile (pe care le simte aeronava in timpul zborului), vibratiile, temperatura, viteza etc, pot fi

masurate de catre micro si nano senzori precum se vede in figura 4.

Se poate meniona ca exista o multitudine de senzori care pot msura interferentele

electromagnetice si deplasrile, orientarea si poziia, tensiunea electrica si curentul care trec prindispozitivele electronice de putere etc.

Fig. 4 Aplicaii ale nano i micro senzorilor la aeronave

Uzual cteva procese de conversie sunt incluse pentru a produce semnale senzoriale electrice,

electronice, electromagnetice sau mecanice. Conversia energiei prezint interes. Folosind analiza


11/83


4

bazata pe energie se pot studia fundamentele teoretice generale. Dezvoltrile majore in NEMS si

MEMS au fost conduse de ctre componenta tehnologiei de fabricatie a acestora, iar cercetarile aplicate

s-au axat pe fabricarea structurilor si dispozitivelor precum si analiza caracteristicilor acestora.

Spre exemplu, structurile inteligente micro i mini precum si IC-urile au fost studiate in detaliu

iar tehnologiile fiabile de fabricaie, materiale si procese au fost dezvoltate. Recent au fost descoperite

nanotuburile de carbon si au fost construite firele si tranzistorii moleculari.

Cu toate acestea, nanostructurile i dispozitivele NEMS, MEMS sunt nc studiate la scara

nanometricsi se depun eforturi pentru a dezvolta teorii fundamentale.

1.5. SYSTEME NANO- AND MICROELECTROMECHANICE

In general, MEMS-urile monolitice sunt structuri integrate microasamblate (microsisteme

electromecanice pe un singur chip) care au atat componente electrice-electronice (circuite integrate) cat

si mecanice. Pentru fabricarea MEMS, sunt utilizate metode de fabricare, tehnologii si materiale in

microelectronica avansata. Actionarea si sesizarea nu poate fi considerata ca o functie periferica inmulte aplicatii. Actuatorii-senzorii integrati (de obicei microstructuri de miscare) cu circuite integrate

compun clasa majora de MEMS.

Datorita utilizarii tehnicilor de litografie CMOS bazate pe tehnologii de fabricare a actuatorilor

si senzorilor, microelectronica MEMS este o parghie in domenii suplimentare importante care

revolutioneaza capabilitatile aplicatiilor. De fapt, MEMS au ajutat considerabil microelectronica in

comparatie cu circuitele integrate.

Amplificatorul operational de putere (Dual power operational amplifiers Motorola TCA0372)

este un circuit integrat monolithic ce poate fi utilizat la controlul micromasinilor electrice de curent

continuu este prezentat in figura 5.

Fig. 5 Aplicaii ale circuitului integrat la controlul

micromasinilor de current continuu

MEMS poate fi definit ca un lot de dispozitive fabricate la microscara (circuite integrate si

microstructuri de miscare) care transforma parametrii fizici in semnale electrice si invers, in plus

caracteristicile componentelelor electrice si mecanice la microscara, arhitecturile, structurile siparametrii acestora sunt elemente importante pentru functionarea si designul lor.


12/83


5

Fig. 6 Prezentarea generala MST(MEMS) Fig. 7 Tehnici fundamentale MST (MEMS)

Ex.

Structuri MEMS realizate la Sandia National Laboratories sunt prezentate in figura 8.

Fig. 8 Structuri MEMS de la Sandia National Laboratories Fig. 9 Accelerometru MEMS

Fig. 10 Cartude imprimantcu circuit integrat Fig. 11 Controlul aripilor aeronavei utilizand MEMS


13/83


6

Fig. 12 Micromanipulator cu trei grade de mobilitate


14/83


1

ASPECTE PRIVIND MANIPULAREA MICROOBIECTELOR IN MICROROBOTICA

Una dintre sarcinile cele mai importante n TMS/microrobotic este manipulareaobiectelor de mici dimensiuni. Micromanipulatoarele se utilizeaz n aplicaii n care estenecesaro precizie ridicatde prindere, orientare i poziionare.

n funcie de mediuse pot identifica micromanipulri: n aer, lichid, sau vacuum; iar nfuncie de modalitile de contact sunt identificate: micromanipularea cu contact imicromanipularea fr contact; O alt clasificare vizeaz micromanipularea serial(componentele sunt asamblate una cte una) i micromanipularea paralel (mai multecomponente sunt asamblate simultan).

nfuncie de aplicaie, pot fi identificate urmtoarele clase de micromanipulare:- micromanipulare manual;- micromanipulare parial automatizat (telecomandat), n cadrul unor sistemecomandate de la distan;- micromanipulare n cadrul unor staii computerizate, automate, multifuncionale.

Micromanipularea serialconine:- micromanipularea manual;

- micromanipularea telecomandat;- micromanipularea automat,

iar micromanipularea paralel:- micromanipularea deterministic;- micromanipularea stocastic.

Micromanipularea manual este cea mai utilizat n aplicaiile medicale, biologice ichiar n industrie, la microasamblare. Pe msurce dimensiunile componentelor scad, cerinelede precizie devin tot mai mari i capacitile umane nu mai rspund acestor cerine.

Micromanipularea telecomandat transform, prin intermediul unui joystick sau a

mouse-lui, micrile minii operatorului uman n micri tridimensionale mai fine alemicromanipulatorului. n acest caz este foarte importanttransmisia diferitelor tipuri de semnaledin lumea micro (video, audio, semnale tactile) ctre operator, oferindu-i acestuia un feed-backmai bun. Problema fundamental rmne rezoluia i viteza, deoarece micarea dispozitivuluiterminal este de fapt imitarea directa micrii minii operatorului uman.

Un sistem de micromanipulare telecomandat este prezentat n figura 1. Sistemul coninecinci componente: unitatea propriu-zisde manipulare, modulul de operare, microscopul optic cucamer CCD (charge coupled device), unitatea de control i modulul de transmitere asemnalelor.

Unitatea de manipulare prezentata in figura 1 are n componenelemente de poziionaregrosieri fin, un senzor de formultiaxial i un efector final.

Elementul de poziionare grosiereste acionat de un motor pas cu pas cu rezoluia 3,5mm. Elementul de poziionare finutilizeazun principiu electromagnetic de acionare i are orezoluie de 600 m pe direciile x, y i 800 m pe direcia z. Fiecare element de manipulare esteechipat cu un senzor de formultiaxial ale crui semnale sunt transformate dupamplificare nsemnale acustice corespunztoare, care la rndul lor sunt transmise la operator.

Camera CCD i microscopul stereo sunt utilizate pentru transmiterea informaiei vizualei expunerea ei pe un monitor. Sistemul de control utilizeaztransputere T805, fiecare elementde poziionare grosieri finfiind controlat de acesta. Modulul de operare este un joystick cutrei grade de libertate, echipat cu un senzor de formultiaxial care detecteaz forele pe care


15/83


2

operatorul uman le exercit. Acest sistem poate fi utilizat pentru a manipula piese cu dimensiunide la civa micrometri la civa milimetri.

Fig. 1. Structura unui sistem de micromanipulare telecomandat

Staiile computerizate (desktop stations) automatizate, multifuncionale, pentrumicromanipularesunt susinute de microroboi flexibili, mobili i capabili sexecute manipulri

n diverse spaii de lucru.Spre deosebire de micromanipulrile menionate mai sus, n acest caz nu exist nici o

legturdirectntre minile operatorului uman i robot. Etapele de asamblare sunt realizate cuajutorul algoritmilor de comand cu bucl deschis, sau pentru sarcini mai complexe cu buclnchis.

Operatorul uman comand toate sarcinile mecanismului miniaturizat de asamblare,ncercnd scompenseze capacitile sale limitate de micromanipulare.

ntr-o astfel de staie de micromanipulare pot slucreze simultan mai muli microroboi.O astfel de staie automatizatpentru micromanipulare este prezentatn figura 2.


16/83


17/83


4

T iere

Zg riere +m surarea for ei

Str ngere

S pare

Apucare +asamblare

Prindere +

transport

Absortie saupulverizare

Fig. 3 Manipulri n lumea micro

pe baza unor fore fluidice, electrostatice, electromagnetice sau prin utilizarea vibraiilor s serealizeze o anumitasamblare.

n general, manipulrile presupun urmtoarele etape: apucare, transport, poziionare,decuplare, procesare (tiere, decupare, lipire etc). n figura 3 se prezint cteva metode demanipulare specifice lumii micro.

Pentru a fi posibile astfel de operaii sunt necesare unelte corespunztoare, cum ar fi:

microcuite, microace pentru a fixa microobiecte, duze pentru microdozarea unui adeziv,dispozitive microlaser pentru lipire, sudur i tiere, diferite tipuri de cleti, unelte de ajustareetc.

Obiectele cu dimensiuni de ordinul milimetrilor pot fi prinse cu minigrippere, realizateasemntor cu gripperele clasice, dar n condiiile unor precizii mult mai mari.Microgripperele,pentru a cror realizare se recurge la soluii originale, diferite de gripperele clasice, sunt destinatemanipulrii obiectelor cu dimensiuni cuprinse ntre 1 mm i 1 m. Obiectele cu dimensiuni maimici de 1 m nu pot fi manipulate dect cu dispozitive speciale, din domeniul nanotehnologiei.

Tehnicile recente de investigare utiliznd microscopul cu baleiaj cu efect tunel (STM-Scanning Tunnelling Microscope) i a microscopului de for atomic (AFM-Atomic ForceMicroscope) sunt promitoare.

Pentru a realiza o astfel de servooperare la nivel nanometric, sunt importan i nu numaiactuatorii, ci i tehnologiile de detecie, materialele utilizate i structura general a

echipamentului. S-au realizat demonstraii de scriere a unor caractere de dimensiuni nanometricepe suprafaa unei plachete de siliciu prin utilizarea echipamentelor STM sau AFM. Atomii de lasuprafaa plcuei de siliciu sunt extrai unul cte unul datorit cmpului electric de mareintensitate ce este concentrat n jurul atomului.

n figura 4 a se prezint modelul unui probe nainte de manipulare pe care se gsescnanoparticule de aur cu diametrul de 15 nm, iar dupnanomanipulare sunt obinute caractereleUSC.


18/83


5

Sistemele STMpresupun utilizarea unui electrod din wolfram pentru msurarea curentuluielectric de tunelare i un actuator piezoelectric tip stiv care realizeaz poziionri 3D pentruelectrod, cu rezoluie subnanometric. ntre electrod i prob este lsat o distan de ctevazecimi de nanometru; deplasarea electrodului este realizatn direciile z i z (fig. 5).

Actuatori piezoelectrici conduc electrodul n micarea de scanare n planul x y. Cumdistana dintre electrod i prob este meninut constant cu ajutorul circuitului de feedback,electrodul va executa o micare ntr-un plan paralel cu planul probei. Rezultatul scanrii este ohartz(x,y) a suprafeei probei. Rezoluia este att de mare nct pot fi detectate dimensiuni deordinul diametrului atomic.

Sistemul AFMse bazeazpe forele interatomice. Principiul de operare este prezentat nfigura 6. Forele atomice dintre prob i vrful prghiei-palpator vor cauza o ncovoiere aacesteia. Mrimea ncovoierii este msurat cu ajutorul unui laser. Forele depind de distanadintre vrful prghiei i suprafaa probei.

a) b)

Fig. 4 Nanomanipularea particulelor de 15 nm

Fig. 5 Principiul STM


19/83


6

n cazul AFM-ului nu este necesar ca materialele probei i palpatorului s fieconductoare, din aceast cauz acest sistem are o aplicabilitate mai mare. Dac vrfulpalpatorului este adus foarte aproape de prob la cteva zecimi de nanometru, forele de

respingere mpiedicvrful spenetreze proba. Sistemul AFM furnizeazo rezoluie foarte bundar nu poate fi utilizat n cazul probelor sensibile (de exemplu unele biomateriale suferdeteriorri din cauza forelor de contact). Alternativa const n plasarea vrfului sondei la odistande civa nm sau zeci de nm unde forele atomice sunt ncactive (sistem non-contact).Vrful este pus n vibraie cu o frecvende rezonana prghiei n consolde ordinul kHz.

Caracteristicile constructiv - funcionale ale microgriperelor sunt determinate nemijlocitde faptul c fenomenele fizice ce nsoesc mini i micromanipularea sunt diferite de celespecifice macromanipularii. Astfel, cea mai evident diferen const n importana mult maimare a forelor de adeziune (de suprafa) dect a forelor ineriale (de mas) n lumea micro fade lumea macro dimensiunilor. Ca i o consecin, lsarea (desprinderea) unui micro-obiectridicmai multe probleme dect prinderea (apucarea) lui (fig. 7).

Micro-obiectele pot fi sensibile la particulele de praf, la umiditate, vibra ii sau variaii detemperatur. De aceea sunt necesare camere curate speciale, cu aer condiionat, care au filtre deaer i amortizoare de vibraii.

Manipulare n lumea macro

Manipulare n lumea micro

Apucare

Deschidere Eliberare

Deschidere Eliberare

Apucare

Fig. 7 Manipulri n lumea macro i micro

Fig. 6 Principiul AFM


20/83


21/83


8

n figura 11 este prezentat o micromanipulare celular, iar n figura 12 se prezintasamblarea unei microroi dinate cu diametru de 500 m la microscopul electronic.

Alte solutii constructive de microgripere sunt prezentate in figura 13.

Fig. 13

Fig. 11 Micromanipularea celulelor Fig. 12 Asamblarea unei roi dinate cu 500 m


22/83


1

1. Sisteme de acionare cu actuatori electromagnetici1.1 Actuatori electromagnetici rotativi

Sistemele de acionare pe bazde motoare electrice pas cu pas i motoare de curent continuureprezintfrecvente soluii de acionare cu aplicaii n microrobotic. Construcia clasica acestortipuri de motoare este marcat de tendinele i rezultatele deosebite n ceea ce privete

miniaturizarea. Mai mult, sunt n plin dezvoltare motoarele ultraminiaturizate, realizate prindiferite tehnici litografice i tehnica straturilor subiri.

Motoare pas cu pasi motoare de curent continuu

Motoare pas cu pas

Acionarea cu motoare pas cu pas se realizeazincremental, cu pai unghiulari sau liniari devalori date, n general reduse i prezint avantajul c viteza unghiular a motorului nu esteinfluenatde variaia momentului rezistent.Domeniul de variaie al pasului de lucru este inferiorcelui obinut la servomotoare. Motorul poate fi frnat uor, frpierderi de pai, ceea ce permite o

poziionare rapid a acestuia, spre deosebire de schemele de comand n circuit nchis, undemotorul este frnat treptat pentru a se realiza o poziionare precis. Puterea dezvoltat de aceste

tipuri de motoare este inferioarcelei dezvoltate de motoarele de curent continuu (pentru gabariteaproximativ egale).

Din punct de vedere constructiv cele mai utilizate sunt motoarele cu reluctanvariabilcumagnet permanent i cele hibride.

Dacla un motor pas cu pas se cunoatefrecvena limitde pornire f0corespunztoare unuimoment de inerie redus rI0 , iar motorul trebuie utilizat pentru un alt moment de inerie redus I

r,

frecvena de lucru fcorespunztoare este:

r

r

I

Iff 00= (1)

Momentul static dezvoltat de motor Mmse determincu relaia:

KMM Mm sin= (2)

unde MM momentul maxim, K constant dependent de tipul i construcia motorului, -deplasarea mecanicunghiulara rotorului din poziia de pas.

Momentul rezistent maxim (Mrm) ce poate fi aplicat unui motor pas cu pas se obine laintersecia curbelor A, B i C (fig. 1.1), reprezentnd momentele motoare dezvoltate de rotor nraport cu poziia cmpului statorului la activarea consecutiva fazelor motorului.

A

B CM

p pm

Fi . 1.1 Curba de varia ie a momentelor motoare


23/83


24/83


3

senzor

baterii

CPU

Fig. 1.4 Robot acionat cu doua

motoare de curent continuu

,

rr

Fig. 1.2 odul de verificare a unui motorpas cu pas

FfFN

MmMfr

s

Rr

Ft

Fig. 1.5 Distribuia forelor i momentelor

pe roatamotoare

p

Mf

2

360= . (9)

Se calculeaz rrM la axul motorului de antrenare considernd att rezistenta pasiv(frecri)

ct i cele utile.Verificarea motoarelor constn a verifica dacpunctul A de coordonate ( rrM , 'f )se aflsub caracteristica motorului (fig. 1.2).

Verificarea motorului se realizeaz pe baza frecvenei recalculate cu relaia:r

m

I

Iff ='

deoarece caracteristica din figura 1.2 este ridicatpentru motoare, la mers n gol, astfel lundu-se nconsiderare ineria elementelor antrenate.

Roboii, utilizeazpentru antrenarea roilor motoare, n general, unul sau doumotoare (fig.1.2 i fig. 1.3). Alegerea motorului pas cu pas ncepe cu calculul momentului rezistent redus laarborele de antrenare (care va include momentul de frecare dintre suprafa a de rulare i roat,momentul frecrii de rostogolire, momentul de frecare din lagrul roii).

Momentul de frecare dintre suprafa i roat i momentul de frecrii de rostogolire se

calculeazcu relaiile (fig. 1.4):

RNff rFd

FM ==2

sFM Nfr= (10)

unde: este coeficientul de frecare de alunecare, Ff- fora de frecare, FN- fora de reaciunecare se determin distribuind greutatea total a robotului uniform pe cele trei sau patru roi alerobotului, s coeficientul frecrii de rostogolire, d = 2 rR diametrul roii.

MotoareReductor Reductor

CPU

Senzori

Fig. 1.3 Robot acionat cu

doumotoare


25/83


4

Dacpresupunem cmotorul ales are Nppai pe o rotaie i notnd cu s deplasarea minimprogramabilcorespunztore unui increment al micrii atunci:

sNd

p= . (11)

Motoare de curent continuu

Acionarea roboilor, n foarte multe cazuri, este realizat cu motoare de curent continuu.Motoarele de curent continuu utilizate n microrobotic sunt aproape n exclusivitate cu magnei

permaneni i permit reglarea turaiei. Ecuaiile electrice i mecanice n regim tranzitoriu sunt:

=

++=

++=

.

;

;

Amm

d

r

r

r

m

e

A

AAAA

iKM

KMIM

Kdt

diLiRu

(12)

n care: uA- reprezinttensiunea la bornele nfurrii motorului, iA - curentul absorbit de acesta,LA - inductivitatea nfurrii motorului, RA- rezistena totala nfurrii motorului, I

r- momentulde inerie redus, Mm- momentul motor,

r

rM - momentul rezistent redus care include i momentulde frecare din lagre Mf, Ke = - e0 tensiunea electromotoare, Kd - momentul de amortizaredatorat pierderilor de cmp magnetic i frecrilor vscoase din lagre, - acceleraia unghiularaarborelui motorului, - viteza unghiulara arborelui motorului, Km- constanta momentului motorn Nm/A, Ke- constanta tensiunii electromotoare n V/rad s

-1sau V/K rot min-1 (Km= Ke).Rezolvnd sistemul de ecuaii (12) la alimentarea n curent constant (iA= IA= ct) se obin

parametrii principali ai micrii astfel:din relaiile: d

r

r

r

m KMIM ++= i Amm IKM = obinem:

rrAmd

r MIKKdtdI =+ (13)

sau scriind relaia de mai sus sub forma:

[ ]rrAmrrd MIKIIK

dt

d+=

1

. (14)

Aceastecuaie este de forma: bat += )(' cu Rba , avnd soluiaa

bCet at=)(

under

d

I

Ka = i [ ]rrAmr MIKI

b =1

.

Pentru t = 0, (0) = 0 rezulta

bC= iar soluia ecuaiei (13) este:

[ ]d

rrAm

tI

K

K

MIKet

r

d

=

1)( (15)

reprezentnd viteza unghiulara arborelui motor.Dupaccelerare sau decelerare viteza unghiulardevine:

d

r

rAmL

K

MIK = (16)

intensitatea curentului de alimentare n faza de regim se obine astfel:


26/83


5

r

rAmdL MIKK = m

r

r

m

dLA

K

M

K

KI += . (17)

Derivndu-se ecuaia (15) se obine acceleraia unghiularn perioada tranzitorie

r

r

rAmt

I

K

I

MIKet

rd )(

)(

=

(18)

pentru valori mici ale timpului de accelerare, de ordinul milisecundelor, rezult:

r

rrAm

I

MIK )( = (19)

viteza unghiularLi deplasarea se determincu relaiile:

t 0L += i 2

t

2

0L += (20)

unde 0 este viteza unghiulariniial, nainte de accelerare.

Tensiunea de alimentare este determinatcu relaia (uA= UA):

LeAAeA

AAAA kIRkdt

diLIRu +=++= (21)

iar, din ecuaiile:

LeAAA kIRU += (22)Amm IKM = (23)

dr

r

r

m KMIM ++= (24)

eliminnd intensitatea IAobinem:

0=+

++

A

mAr

r

A

med

r

R

KUM

R

KKK

dt

dI

(25)

sau

+

+= rr

A

mA

r

A

medr

MR

KU

IR

KKK

Idt

d 11

(26)

unde ecuaia (26) are soluia'

'')( '

a

beCt ta = cu,

+=

A

me

dr R

KKK

Ia

1'

= r

r

A

mA

rM

R

KU

Ib

1'

i pentru t = 0, (0) = 0 se obine'

''

a

bC= .

La funcionarea motorului cu tensiune de alimentare constant, viteza unghiular amotorului este:

A

med

r

r

A

mA

tRI

KKRK

R

KKK

MR

KU

et Ar

meAd

+

=

+

1)( (27)

iar timpul t pentru obinerea vitezei unghiulare dupaplicarea tensiunii constantese obine dinrelaia de mai sus daco aducem la forma:


27/83


6

+

=

+

A

med

r

r

A

mA

r

r

A

mA

tRI

KKRK

R

KKKM

R

KU

MR

KU

e Ar

meAd

(28)

iar duplogaritmare se obine:

++

+

+=

A

me

d

A

mAr

r

A

mAr

r

meAd

AA

R

KKK

R

KUM

R

KUM

KKRK

IRt

ln . (29)

Dupfaza de accelerare sau decelerare, viteza unghiularare valoarea:

emAd

AmA

r

r

KKRK

UKRM

+

+= iar dacse consider

A

emd

R

KKK


28/83


29/83


8

( )

+==

t

rr

r

t

m

AAAd dt

dt

dIM

k

RdttiRE

0

2

02

2 . (35)

n relaia de mai sus s-a nlocuit intensitatea iA din relaia (13)momentul rezistent redusr

rM se consider constant i s-au neglijat momentul de amortizare datorat pierderilor de cmpmagnetic i frecrilor vscoase din lagre Kd.

Dezvoltnd termenul de sub integralse obine relaia:

++=

t

r

t

rr

r

t

r

r

m

Ad dttIdttIMdtM

k

RE

0

22

00

2

2)()(2 , (36)

dar, deoarece n marea majoritate a aplicaiilor, perioada de funcionare reprezentatprin curbele( ) ( ) ( ),,, ttt are o form simetric pe intervalul t...0 , graficul acceleraiei ( )t are o poriune

pozitivde arie egalcu una negativ. Deci, termenul din mijloc al expresiei (36) este nul, rezultndpentru energia termicdezvoltatformula general:

+=

t

rrr

m

Ad dttItM

kRE

0

222 )(

2

. (37)

Dac t = tp, unde tp este timpul n care se realizeaz un pas iar p reprezint deplasareaunghiular a arborelui motor, energia disipat n motor corespunztor fazei de funcionare se vadetermina cu relaiile:

- pentru legea de variaie parabolic

+= 3

22

2

122

p

p

r

p

r

r

m

Ad

t

ItM

k

RE

(38)

-pentru legea de variaie liniar

+= 3

22

2

162

p

p

r

p

r

r

m

Ad

t

ItM

k

RE

(39)

-pentru legea de variaie liniarcu palier

+=

3

22

25,13

2

p

p

r

p

r

r

m

Ad

t

ItM

k

RE

(40)

O lege de variaie teoretic idealeste aceea n care viteza nu variazn intervalul 0... t, i sentlnete n cazul legii de variaie dreptunghiulare, dar este irealizabildin cauza solicitrii termicefoarte mari (teoretic infinite) a indusului. Legea de variaie optimdin punct de vedere al clduriidezvoltate este cea parabolic, deoarece solicit cel mai puin motorul de acionare. Comparativ,legea de variaie triunghiulareste mai dezavantajoasatt sub aspectul cldurii dezvoltate, ct i alvitezei limitmai ridicate. n schimb, legea de variaie trapezoidal este apropiatde cea optim

parabolic. n practiceste dificil de a realiza o poziionare incrementaldupo lege de variaieparabolic, fapt pentru care s-a preferat legea de variaie trapezoidal.

Un alt parametru important care influeneazenergia dezvoltatde motor este raportul detransmitere al mecanismului dispus ntre motor i roata robotului (fig. 1.8).


30/83


9

n cazul n care este utilizat un reductor cu o singurtreaptde reducere notnd cu iraportulde transmitere ntre motor i roati considerndu-se momentul rezistent Mrconstant se pot scrieurmtoarele relaii:

2/

/

iIII

iMM

i

Rm

r

r

r

r

Rp

+=

=

=

(41)

unde: Rreprezintpasul incremental al roii, Immomentul de inerie al rotorului motorului (s-auneglijat momentele de inerie ale roilor dinate), IR momentul de inerie al roii.

Dacse introduc relaiile (41) n relaia (38) se obine cldura dezvoltat:

++=

3

222

22

2

212

p

RRmp

r

m

Ad

t

i

i

IIt

i

M

k

RE

, (42)

iar dacse noteazcu22

2

12 RR

rp

I

Mt

= relaia (42) devine:

++=

++=

2

232

222

2

2

232

22 112112)(

iI

Ix

xtk

IR

iI

Ii

itk

IRiE

R

m

pm

RAR

R

m

pm

RAR

d

, (43)

valoarea minima expresiei (43) este obinutn urma anulrii derivatei n raport cux ( 2ix= ).Rezult:

+== 12m

R

IIix (44)

din care se obine raportul de transmitere optim:

+= 1m

R

optimI

Ii . (45)

Se constat c acest raport de transmitere depinde de factorul care include momentulrezistent.

Fig. 1.8 Structura transmisiei unui robot cu roi


31/83


32/83


11

Presiunea magnetic se poate calcula raportnd fora Fz(z) la suprafa:

)( 220

1

2

1P NI

zmagnetica = (48)

iar energia magneticn ntrefier este datde relaia:

= zANI

H /22

121

=W2

0

2

0 (49)

unde: H este intensitatea cmpului magnetic.

n continuare, sunt prezentate n caz general, relaiile de calcul la acionarea cuelectromagnei:

Fora de atracie a actuatorilor electromagnetici convenionali (electromagnei) alimentai cucurent continuu sau alternativ, se determincu relaia:

dxdW

-=Fm

(50)

n care: x - reprezintdeplasarea armturii electromagnetului, Wm- energia magnetictotal.Aceastforse poate exprimi n raport cu inducia magneticn ntrefier B sau tensiunea

magneticUm (Um= R= / unde: - reprezintpermeana magneticcare se determin nraport cu forma constructiv adoptat pentru electromagnet, - fluxul util al electromagnetului;R - rezistena utila bobinei electromagnetului).

Fluxul magnetic este dependent de intensitatea curentului i, inductivitatea L a fluxului dinntrefier i numrul N de spire ale bobinei electromagnetului:

N

iL= (51)

Pentru un electromagnet de curent continuu, fora de atracie se stabilete cu relaiile:

2UK=F

2m1 ;

2K=F

22 mU ;

2B'K=F

21 (52)

unde K1, K2, K1 pentru diferite forme constructive ale electromagnetului sunt indicate nliteratura de specialitate. n cazul unui electromagnet de curent continuu la care ntrefierul este

limitat de suprafee plane,x

A=K 2

01 i

A=K'

0

1 , unde A reprezint aria suprafeelor plane ale

ntrefierului, se obine:

A0

22

0

21

22B

A=

2B'K=F

= . (53)

Temperatura de nclzire a electromagneilor de curent continuu rezultdin relaia:

l

NI

nf2

=

2

(54)

iar n regim intermitent, cu durata de conectare relativTc, cu expresia:


33/83


12

l

NI

nf2T=

2c (55)

n care NI este solenaia necesar, l- lungimea total a carcasei i a izolaiei dintre straturi, - coeficientul de transmitere a cldurii, f - factorul de umplere total inclusiv al marginilornebobinate, - rezistivitatea bobinei, h - grosimea totala bobinei.

Tensiunea de excitaie U este datde relaia:

dNI/L4=RI=U 2m (56)

unde d - diametrul conductorului bobinei iar, Lm- lungimea medie a unei spire.Dacarmtura electromagnetului este n micare se ine seama de variaia inductivitii n

raport cu timpul. Tensiunea de alimentare a electromagnetului se determincu relaia:

dt

dLi+

dt

diL+Ri=

dt

d+Ri=U (57)

unde: R - rezistena electromagnetului, t- reprezintfluxul magnetic util total din electromagnet:

xNiANt 2

0

2

== ; N - numrul de spire ale electromagnetului.

Ct timp armtura mobilnu este pusn micare, fora de atracie este mai micdect forarezisten redus rrF iar n momentul deplasrii cele dou fore sunt egale deci:

20min iC=F=F

r

r ,

pentru x = x0 unde x0- poziia iniiala armturii,i- este curentul din electromagnet din momentuldeplasrii armturii, C - este constant dependent de forma constructiv a electromagnetului.Pentru un ntrefier plan aceastcontantse poate determina cu relaia:

20

02

0 8x=C

AN (58)

Timpul necesar pentru realizarea comenzii de pornire a unui electromagnet de curentcontinuu se determincu relaia:

0

min

p

CF-UR

Uln

R

L=t , (59)

unde L - inductivitatea real a electromagnetului pentru poziia iniial a armturii (dac seneglijeazreluctana fierului i cmpul magnetic de dispersie),

20

2

0x

=L AN

. (60)

La calculul preliminar al unui electromagnet de curent continuu cu ntrefier plan n raport cufora ce trebuie realizat, se redforma constructivi modul de alimentare al electromagnetului ise stabilesc dimensiunile principale, nclzirea electromagnetului, timpul de lucru al acestuia. Cuajutorul caracteristicilor statice (diagrama forei de atracie n funcie de cursa armturii pentru

poziia imobila acestuia) sau n raport cu constanta electromagnetului, datde:

x/F=C maxmine (61)

se alege tipul electromagnetului.


34/83


13

2 Exemple de actuatori electromagnetici si aplicatiile lor in microrobotica

Prin intermediul actuatorilor electromagnetici, energia electric este transformat n energiemecanic. n acest caz, motoarele miniaturizate reprezint dezvoltrile cele mai importante, putnd

produce micri liniare sau de rotaie care sunt potrivite pentru diferite sarcini ale microsistemelor.Miniaturizarea actuatorilor electromagnetici implicmbuntirea proprietilor magnetice ale

materialelor utilizate i dezvoltarea unor noi metode de fabricare pentru microbobinri.

Dou micromotoare, realizate de Manufacturing Engineering Research Center, ToshibaCorporation, n dou variante constructive (un micromotor lung, cu ntrefier radial i cellalt cudimensiuni mult mai reduse, cu diametrul exterior de 0,8 mm, cu ntrefier axial) sunt

prezentate n literatura de specialitate.Miniaturizarea este posibil deoarece materialele folosite sunt materiale speciale cu

caracteristici magnetice, electrice i mecanice deosebite, obinute prin tehnologiasemiconductorilor. Micromotorul radial este construit dintr-un magnet i o bobincare asiguruncuplu ridicat, raportat la dimensiunile motorului.

n figura 2.1 este prezentat o seciune prin micromotorul radial. Carcasa este cilindric cudiametrul de 3 mm i lungimea de 5 mm, conine bobina, magnetul i lagrele axului. Sensul de rotaieal motorului este dat de polaritatea curentului de alimentare. Cuplul de inerie la pornirea motoruluiradial este de 210-5Nm, iar puterea dezvoltatde motor este de 98 mW la o tensiune de alimentare n

curent continuu de 2 V [107]. Motorul nu are sistem de perii-colector utiliznd solu ia de comutareelectronic.

Diferena major ntre micromotorul axial i cel radial care a dus i la posibilitatea reduceriidimensiunilor micromotorului axial, este poziionarea axiala rotorului (care conine magnetul) i astatorului alctuit din bobina de inducie, ntre ele fiind ntrefierul plan axial (fig. 2.2 a).

Tensiunea de alimentare este de 1,7 V n curent continuu, iar n funcie de tensiunea dealimentare a motorului, se poate acoperi o plaj foarte larg de turaii: ntre 60 i 10000 rot/min.Utiliznd acest tip de motor a fost realizato micromaincare poate sse deplaseze cu o vitezde120 mm/s (fig. 2.2 b).

Rotor (magne i din pmnturi rare)

Bobin

Lagr

Stator

Fig. 2.1 Seciune transversalprin micromotorul electromagnetic radialde curent continuu

BobinRotor

Magnet

Bobin

Stator

Lag

Magnet

Roatconductoare

Roti

a) b)

Fig. 2.2 Micromotor electromagnetic axial. Micromaince utilizeaz

micromotorul axial


35/83


14

a) b)

Fig. 2.4 icroroboii Ants

i n domeniul servomotoarelor de curent continuu exist preocupri n ceea ce priveteminiaturizarea. Astfel, prin utilizarea a douservomotoare de curent continuu miniaturiazate la TOKICorporation din Tokio a fost realizat un microsubmarin (fig. 2.3) care are dimensiunile 55 x 45 x 20mm3, cntrete 16 grame i utilizeazelemente motoare din aliaje cu memoria formei pentru ridicareaaripilor laterale.

Este echipat cu un microcalculator special proiectat, se mic n mediu lichid pe baza unuisemnal infrarou (IR) sau PCM (Pulse Code Modulation). Cele douservomotoare de curent continuuutilizate pentru propulsieau diametrul de 6 mm, lungimea de 12 mm, executpnla 10000 rot/min la1,35 V i 100 mA i sunt alimentate prin intermediul unui acumulator rencrcabil Ni-Cd. Elicelemicrosubmarinului sunt realizate din poliacetat, i au trei palete de 8 mm diametru.

n cadrul unui proiect care a avut drept scop: miniaturizarea prin integrarea senzorilor iactuatorilor i realizarea unei comuniti de microroboi format din mai muli indivizi aflai ninteraciune, la Massachusetts Institute of Technology (MIT), n laboratorul de InteligenArtificial au fost realizai microroboii Ants cu dimensiuni de 1 inch3(fig. 2.4).

Fiecare microrobot are n componen: 17 senzori din care: 4 senzori de lumin, 4 receptori

pentru infrarou (IR), senzori de contact, senzori pentru alimentare i un senzor pentru nclinare(sau rsturnare). Aceti senzori comunicntre ei prin intermediul a 2 emitoare n infrarou (unulmontat n facellalt montat pe partea superioara microrobotului).

La Departamentul Energetic din Sandia National Laboratories a fost realizat microrobotulautonom a crui volum este dintr-un inch, se deplaseazpe enile i are n componen(fig. 2.5):un microprocesor cu 8 K ROM, un senzor de temperatur, trei baterii de ceas i doumotoare decurent continuu pentru acionare.

Corpul submarinului

Arip

Surs de lumin

Senzor IR

Muf de alimentare

LungimeLatimeGreutate

Fig. 2.3 Structurai fotografia microsubmarinului


36/83


15

Fig. 2.6 Microrobotul "Monsieur"

a) b)

Fig. 2.7 Vedere frontali laterala microrobotului "Monsieur"

Fig. 2.5 Microrobot

cu volum de inch

i n domeniul motoarelor pas cu pas exist tendine de miniaturizare. Microrobotul"Monsieur" realizat la Seiki Epson Co. utilizeaz un motor pas cu pas ultra miniaturizat cu pasulunghiular al motorului de 1800, utilizat curent la ceasurile de mn. A fost asamblat manual i conineun numr total de 98 repere majoritatea acestora fiind repere de ceas (fig. 2.6).

Motorul pas cu pas utilizat este uor de fabricat, are o mare fiabilitate, magnetul rotorului estedin magnei pe baz pmnturi rare i are diametrul de 1 mm, greutatea 2 mg, iar statorul este din

permalloy. n figurile 2.7 se prezinto vedere frontali o vedere laterala microrobotului.Microrobotul ''Alice'' realizat de ctre Autonomus Systems Lab. din Lausanne este unul din

cei mai mici i ieftini microroboi inteligeni mobili, fiind utilizat pentru studiul comportriicolective (fig. 2.8).

Modulele de bazdin componena microrobotului sunt: 2 motoare de ceas, 2 roi cu cauciuc,un microcontroler PIC16C84 cu memorie EEPROM de 1K, convertor analog-digital cu 2 canale, 2

baterii de ceas i ca module suplimentare: senzori de distan pentru navigare local, diod ninfrarou pentru telecomand.

a) b)

Fig. 2.8 Microrobotul Alice


37/83


16

Fig. 2.11 Actuator liniar

Microrobotul beneficiazde dounivele de control pentru navigare (fig. 2.9 b):

- navigarea local este asigurat cu senzori de distan n IR, microrobotul ocoleteobstacole, urmrete perei i distinge diferite forme;

- o legtur (fr fir n IR) este utilizat pentru telecomanda robotului sau pentrureprogramarea navigrii.

Microrobotul prezintca avantaje: dimensiunile mici (23mm x 21mm x 16 mm), autonomiaenergetic10 ore, flexibilitatea, cost sczut, distana de comunicare n IR 6 m, viteza de deplasare

20 mm/s. Pentru viitor se urmrete realizarea comunicrii ntre mai muli microroboi i controlulde la distanprin internet.

Prin utilizarea aa numitelor micromotoare smoovy cu diametru de 3 mm realizate defirma RMB, a fost realizat microrobotul din figura 2.10 echipat cu roi dinate pentru deplasare.Utiliznd actuatori liniari de la aceeai firm (fig. 2.11) s-a realizat microrobotul zburtor dinfigura 2.12.

n cazul mini i microroboilor cu deplasare pe sol, cu ct sunt mai redui ca i dimensiunicu att denivelrile suprafeei influeneaznegativ locomoia. n aceste cazuri, deplasarea prin saltsau prin zbor poate reprezenta o alternativ.

Fig. 2.12 Microrobot

zburtorFig. 2.10 Microrobot

pe roi

a) b) c)

Fig. 2.13 Microrobot zburtor n cmp electromagnetic

a) structura microrobotului b) micarea aripilor c) fotografia microrobotului

a) b)

Fig. 2.9 Schema de control a microrobotului Alice


38/83


17

Locomoia prin zbor a microroboilor este inspirat din zborul unor insecte sau psribazndu-se pe micarea ritmic a unor aripi . Astfel, n figura 2.13 este prezentat principiulunui microrobot zburtor. Aripile sunt confecionate din poliimide i nichel (fig. 2.13 b). Laamplasarea microrobotului n cmp magnetic alternativ fora magneticacioneazasupra stratuluisubire (peliculei) de nichel, determinnd vibraia aripilor. Prin utilizarea unui perechi de aripi seobine o foraerodinamic, portant.

n privina utilizrii actuatorilor liniari sunt consemnate n literatura de specialitate o serie de

realizri astfel: la NTT Interdisciplinare Research Laboratories, din Tokio, Japonia a fost realizat unmicrorobot acionat de o for electromagnetic, cu acumularea energiei ntr-un resort. Acestmicrorobot a fost realizat pentru a putea ptrunde n interiorul evilor de diametre mici, n serpentinesau n spaii restrnse, de ordinul milimetrilor, acolo unde nu se poate ajunge cu mijloace de msursau control clasice (sonde, palpatoare, ublere, micrometre, rugozimetre etc).

Schema de principiu a microrobotului i o fotografie a sa sunt prezentate n figura 2.14.Micarea pulsatorie din interiorul microrobotului este dat de fora electromagnetic i de foranmagazinat n arc. Aceasta este transformat ntr-o micare unidirecional prin intermediul

picioruelor de pe corpul mobil al microrobotului.

Viteza microrobotului este controlat prin simpla modificare a frecvenei curentului dealimentare. Cteva caracteristici tehnice ale microrobotului sunt: dimensiuni: 10 x 10 x 8 mm3;greutate: 1,8 grame; viteza de deplasare: 30 mm/sec; panta maximde urcare: 300. Utiliznd acelai

principiu s-a realizat actuatorul din figura 2.15 a. Prin utilizarea acestuia a fost realizat un microrobotcare se deplaseazurmrind o traiectorie (linie neagr) (fig. 2.15 b) .

Un microrobot destinat inspeciilor n evi cu diametrul de pnla un 1 inch, este prezentatn figura 2.16. Are diametru exterior 23 mm i 110 mm n lungime. Este echipat cu o microcamerade luat vederi de nalt fidelitate i un bramecanic prevzut cu doudegete pentru manipulareaobiectelor din eav.

a) b)

Fig. 2.15 Structura actuatorului electromagnetic i a microrobotului

Miez

Limitator Element de cuplare Arc elicoidal

Piciorue Picior fa

Cablu dealimentare

Picior spate

a) b)

Fi . 2.14 icrorobot cu actuator electroma netic liniar


39/83


18

Camera de luat vederi i braul mecanic se rotesc n jurul axei evii cu ajutorul unui motorpneumatic. Microrobotul are n componenun motor electromagnetic cu un rotor cu patru poli dinmagnei din samariu i cobalt i 16 bobine. Motorul are un diametru de 5 mm i o lungime de 8mm, lagrele rotorului fiind pe bazde rulmeni miniaturizai. A fost testat ntr-o eava cu interiorulde 24 mm care a prezentat dou coturi, viteza de deplasare fiind 6 mm/s iar fora de traciuneexercitatde 1N.

Fig. 2.16 Structura microrobotului


40/83


1

Actuatori

n general, prin actuator se nelege un subansamblu care convertete o form de energie(electric, pneumatic, termic, chimicetc.) n energie mecanic. Structura acestuia nu mai poate fidescompus n sub-structuri dect cu riscul de a pierde capacitatea de generare a micrii. Micareasimpl, elementargeneratde un actuator poate fi utilizatdirect pentru un anumit scop sau poate fitransmis, transformati amplificat, sau corelatcu micarea obinutde la ali actuatori.

Actuatorii din domeniul aplicaiilor n mecatronic au o serie de particulariti care idifereniaz i individualizeaz, particulariti rezultate nemijlocit din caracteristicile generale aletehnologiei mecatronice.

Actuatorii sunt elemente componente ale sistemelor de acionare mecatronice proiectate irealizate n structurmodularizat, la care propagarea i conversia energiei este nsoitde propagareai conversia unor semnale purttoare de informaii. Sistemele de acionare mecatronice asigurfluxulde comenzi, conform cerinelor precum i fluxul de semnale de control, fiind realizate ca i sistemeautomate, echipate cu traductoare, senzori i elemente de inteligen artificial. Criteriul calitativhotrtor al sistemelor de acionare mecatronice estefidelitateasau precizia de transmitere a fluxului desemnale purttoare de informaii. O caracteristiceseniala elementele din structura actuatorilor este

faptul cau un triplu rol:- rol structural (de a prelua ncrcrilei sarcinile transmise);- rol senzorial (oferind suplimentar posibilitatea integrrii n structur a senzorilor itraductorilor, pentru a obine un control n buclnchis);- rol de acionare.Pentru a reduce complexitatea, i astfel costurile i greutatea, actuatorii utilizeaz semnale

pentru transmiterea comenzii (semnale de control) i semnale senzoriale, asemntoare sau identice cusemnalele pentru transmiterea energiei (.semnale de acionare).

Actuatorii specifici aplicaiilor din mecatronicse realizeazntr-o mare varietate funcionaliconstructiv, n general au caracteristicurmtoarea structur(Fig. 1):

Conversia energiei de intrare n energie util de ieire i cldur disipat se realizeaz prin

intermediul cmpurilor electrice, magnetice, ca urmare a unor fenomene fizice: fenomenulpiezoelectric, fenomenul magnetostrictiv, fenomenul de memorare a formei, ca urmare a dilatriicorpurilor la creterea temperaturii, a schimbrilor de faz, a efectului electroreologic,electrohidrodinamic, de diamagnetism. Mecanismul actuatorului transform, amplific i transmitemicarea fcnd acordul cu parametrii specifici scopului tehnologic.

Miniaturizarea actuatorilor determintehnologiile de prelucrare a reperelor componente. Pentrua asigura o bun prelucrabilitate i posibiliti de asamblare a acestora, se utilizeaz frecventtehnologiile neconvenionale (eroziune electric, eroziune chimic, eroziune ultrasonic, prelucrare cufascicul laser etc) precum i tehnologiile specifice microstructurilor i nanostructurilor.

ElectricMagneticTermicOptic

Chimic

Caracteristici geometriceale mecanismelorProprieti de material

- Lucrumecanic

- Cldur

Micare

Cldurpierdut

Energie deintrare

Mecanismulactuatorului

Energie deieire

Fig. 1 Structura actuatorilor


41/83


2

Microactuatorii reprezint dispozitive cu dimensiuni n intervalul (10-3 10) mm i carematerializeazun principiu funcional aplicabil n lumea micro. Microactuatorii includ, de asemenea,acei actuatori care sunt fabricai folosind tehnologiile specifice micromecanicii.

Pe lng microactuatorii electrostatici, piezoelectrici sau electromagnetici care sunt n modcurent investigai, materialele magnetostrictive, electrostrictive i aliajele cu memoria formei devin totmai utilizate. De asemenea, actuatorii hidraulici, pneumatici, termomecanici, electroreologici au tot maimulte aplicaii n acest domeniu.

Aceti microactuatori deschid noi posibiliti, deoarece ei se bazeazpe principii de funcionarecomplet diferite fa de actuatorii convenionali. n comparaie cu actuatorii convenionali,microactuatorii folosesc, n general, acionri directe frelemente de transmisie mecanic.

n privina integrrii ntr-un sistem, un actuator conecteazpartea de procesare a informaiei dinunitatea de control a sistemului cu procesul care trebuie investigat. O reprezentare schematica unuiactuator integrat este prezentat n figura 2, unde semnalul de control generat cu ajutorul informa ieisenzoriale este transformat n micare prin intermediul actuatorului.

Sistematizarea actuatorilor utilizai n microroboticActuatorii specifici aplicaiilor din microroboticse realizeazntr-o gamfoarte variatputnd

fi concepui ca i actuatori liniari sau rotativi, avnd curs limitat sau teoretic nelimitat, cu unelement activ sau cu mai multe elemente active n structur. Acionarea propriu-ziseste obinutpetrei ci distincte:

- Interaciunea cmpurilor magnetice, a curentului electric cu cmpuri magnetice precum iinteraciunea sarcinilor electrice, permit materializarea unor actuatori care au cursteoretic nelimitat(micromotoare de curent continuu, micromotoare de curent alternativ asincrone i sincrone - n specialcu rotor pe baz de magnei permaneni - micromotoare electrostatice), sau limitat (micromotoareliniare de curent continuu, microelectromagnei).

- Acionarea bazatpe interaciunea mecanicpresupune asigurarea fluxului de energie prin

intermediul unui agent fizic, de regul un lichid sau un gaz, a crui presiune sau debit determindeplasarea sau deformarea unor elemente active.Astfel, actuatorii cu elemente mobile rotative suntmicromotoarele cu palete, cu rotaie parialsau total, microturbinele iar actuatorii liniari de acest tipsunt cilindri hidraulici i pneumatici. Actuatorii liniari cu elemente deformabile sunt cei cu tub flexibili cei cu tub Bourdon iar cei de rotaie au n structurelemente active sub formde tub rsucit sau tubanizotropic, curbat.

- Actuatorii a cror funcionare se bazeazpe deformaiile liniare i unghiulare limitate, au nstructurunul sau mai multe elemente din materiale "inteligente"- materiale care au capacitatea de ase deforma controlat, confecionate sub form lamelar dreapt sau curbat preformat, cilindric,form de disc, bar, bar de torsiune, membran, arc spiral sau elicoidal, astfel nct se obin att

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Fig. 2 Integrarea unui microactuator ntr-un microsistem


42/83


3

Energietermic

Energiemecanic

Energiechimic

Energieoptic

Energieelectric

Dilatare termica

Electroliza

Explo

zie

mecan

ochim

ica

Arde

re

Efectpiezoelectric

Fotosinteza,fotoreactii

Chemoluminiscenta

Incalz

iree

lectric

a

Sursa

deenergie

termica

Fortaelectromagnetica

Efectf

otoelec

tric

Electro

luminisc

enta

Frecare

Celula de combustie

Lum

iniscentamecanica

Presiunealumini

Microprocesor

Microactuator Microsenzor

Fig. 3 Sinteza transformrii energiilor n energie mecanic Fig. 4 Componentele definitorii ale micromecatronicii

deplasri liniare ct i deplasri unghiulare. Elementele active cu deformaie controlatpot fi nsoitede elemente elastice pasive sau pot fi nglobate n structuri cu proprieti de elasticitate. Deformaiileliniare sau unghiulare limitate, ce determinpractic micri de translaie alternativsau de oscilaie, potfi transformate ntr-o micare continude rotaie sau de translaie prin intermediul unor mecanisme in condiiile unei dispuneri corespunztoare a elementelor active.

n funcie de semnalul de intrarefolosit pentru comanda actuatorilor, acetia se clasificastfel:- actuatori comandai termic(prin intermediul unui flux de cldur):

- actuatori pe bazde dilatare a gazelor i a materialelor solide;- actuatori cu elemente active bimetalice;- actuatori pe bazde transformare de faz;- actuatori cu elemente active din aliaje cu memorie;- actuatori cu cear;

- actuatori comandai electric(prin intermediul intensitii cmpului electric):- actuatori electrostatici;- actuatori piezoelectrici, cu elemente active din piezocristale, piezoceramici sau piezo-polimeri;- actuatori electroreologici;

- actuatori comandai magnetic(prin intermediul induciei cmpului magnetic):

- actuatori electromagnetici;- actuatori magnetostrictivi;- actuatori pe bazde ferofluide;

- actuatori comandai optic(optoelectric sau optotermic):- actuatori termo - / electro - fotostrictivi;- actuatori piro - / piezoelectrici;

- actuatori comandai chimic:

- actuatori pe baz de polimeri: geluri polimerice, polimeri conductivi, polimerielectrostrictivi (muchi artificiali);- actuatori pe bazde reacii chimice nsoite de degajare de gaze;

- alte tipuri de actuatori, bazai pe alte fenomene fizice.

Actuatorii specifici aplicaiilor din micromecatronic completeaz n mod fericit gama deelemente de execuie utilizate curent, anume servomotoarele de curent continuu, motoarele de curentcontinuu, motoarele pas cu pas, elementele de execuie pneumatice, hidraulice etc.

Principalul criteriu de difereniere a microroboilor este reprezentat de sistemul de acionare nparticular de tipul actuatorilor/microactuatorilor utilizai. Astfel, o schema simplificata actuatorilor cuaplicaii n microroboticeste prezentatn figura 3.


43/83


4

Criteriul de clasificare utilizat este cel al energiei de intrare, convertitde actuatori n energie

mecanic(fig. 3). Examinnd aceasta schembloc se desprind urmtoarele observaii importante:a) toate tipurile de energie sistematizate n schema bloc se transformn energie mecanic;b) transformrile energetice presupun anumite sensuri determinate, deci nu toate tipurile de

energie se pot transforma nemijlocit n toate celelalte.Evoluia n dezvoltarea tehnologic, n secolul urmtor nseamn micromecatronic,

nanomecatronici biomecatronic. Este clar tendina de miniaturizare prin integrare, n realizareasistemelor tehnice i de ndreptare a ateniei ctre lumea vie ca sursde inspiraie pentru noi creaii ntehnic.

Micromecatronica, ca i subdomeniu a mecatronicii, reprezint integrarea sinergetic asistemelor microelectromecanice cu tehnologiile electronice i mecanica de precizie. Aceasta urmreteaceeai abordare ca i mecatronica dar se axeazpe reducerea dimensiunilor sistemelor meninndu-lefuncionalitatea. Aplicaii ale micromecatronicii sunt evideniate n: domeniul medical (microcateterelepentru neurochirurgie, micropompe pentru livrarea de medicamente, organe artificiale etc); n domeniulindustrial (microsenzori pentru echipamente de inspecie i reparaii, microscanere pentru sistemeoptice etc) i n domeniul serviciilor (interfee cu operatori umani, jucrii inteligente etc). n structura

sistemelor micromecatronice se identific urmtoarele componente aflate ntr-o legtur organic,prezentatn figura 4.

Microprocesorul (creierul artificial) are rolul de a controla sistemele micromecatroniceutiliznd att metode simple (logicsecvenial) ct i metode de control mai complexe. Aceste metodedeterminnemijlocit tipul microprocesorului i performanele sale.

Microsenzorii (organele de sim artificiale) intelectualizarea microsistemelor presupunedezvoltarea de microsenzori cu rol de a detecta att mediul exterior al microsistemului ct i celinterior. Microtehnologiile actuale permit realizarea i integrarea cu circuite electrice a urmtoarelortipuri de microsenzori: de presiune, de acceleraie, chimici etc.

Microactuatorii (muchii artificiali) prin combinarea microtehnologiilor cu tehnologiile

convenionale s-au creat condiiile de realizare a unor microactuatori performani din categoriile:electromagnetici, electrostatici, piezoelectrici, optici etc.

Biomecatronicaare ca obiect de activitate sistemele inteligente destinate aplicaiilor medicale(pentru ajutarea sau asistarea funciilor motrice i, mai ales, senzoriale, pierdute definitiv saudiminuate, pentru perfecionarea tehnicilor i echipamentelor de achiziionare, prelucrare i analiz aunor imagini din interiorul organismului, pentru mbuntirea diagnosticrii i tratamentului, pentruperfecionarea tehnicilor chirurgicale). Cteva din produsele biomecatronice sunt: sistemele proteticeinteligente, organele i esuturile artificiale, echipamentele de asigurarea mobilitii, robotica pentruasistarea persoanelor cu handicap, sistemele miniaturizate pentru chirurgia minimal invaziv,echipamentele de imagisticmedical, etc.

In domeniul nanomecatronicii se pot evidential dimensiunile submicronice ale unorcomponente ce reclama tehnologii de comanda si control a manipularii la nivel nanometric. Tehnicilerecente de investigare utiliznd microscopul cu baleiaj cu efect tunel (STM-Scanning TunnellingMicroscope) i a microscopului de foratomic(AFM-Atomic Force Microscope) sunt exemple careconfirma aceste tendinte. S-au realizat demonstraii de scriere a unor caractere de dimensiuninanometrice pe suprafaa unei plachete de siliciu prin utilizarea echipamentelor STM sau AFM.n figura 5 se prezintmodelul unui probe nainte de manipulare pe care se gsesc nanoparticule de aurcu diametrul de 15 nm, iar dupnanomanipulare sunt obinute caracterele USC.


44/83


5

Multe organisme biologice servesc ca exemple pentru nanoroboi. Acestea sunt simple ieficiente, constituind totodat, modele pentru sistemele de acionare electrochimice.

n domeniul biologiei moleculare au fost elucidate structura motorului flagelar (fig. 6) i a fibrei

musculare.

Rotorul motorului flagelar se rotete contra statorului n raport de densitatea ionului de hidrogenH+. De asemenea a existat ipoteza c enzima este o micromain molecular, macroglobulina 2 sedeformeazpentru a prinde n capcanenzima proteolitic(fig. 7).

n viitor nanosistemele, vor avea aplicaii semnificative n domeniul serviciilor n special, ndomeniul medical.

Fig. 5Nanomanipularea particulelor de 15 nm

Fig. 6 Motorul flagelar Fig. 7 Enzima capcan


45/83


1

LOCOMOTIA BIOSISTEMELOR

- MODEL DE INSPIRATIE IN MINI / MICROROBOTIC-

1. LOCOMOTIA BIOSISTEMELOR

Biosistemele se caracterizeaz prin micare mecanic (a lor i a subsistemelorcomponente), la nivel molecular, subcelular i supracelular. Micarea activa fiinelor viiconstfie n mobilitate (capacitatea de a-i schimba poziia n spaiu), fie n contractilitate(capacitatea de a genera fore). Deplasarea organismelor poate avea loc:

a) la limita de separaie dintre dou medii. Astfel, deplasarea poate avea loc lalimita dintre api uscat (animale ce se deplaseazpe fundul apelor), la limita dintre aeri uscat (animale ce se deplaseazpe suprafaa pmntului, prin trre sau pire) sau lalimita dintre aer i ap(animale ce se deplaseazla suprafaa apei).

b) n cuprinsul aceluiai mediu (n apsau n aer).Micarea n cuprinsul aceluiaimediu poate fi not(locomoie acvatic)i zbor(locomoie aerian).

Organismele unicelulare se deplaseazfie cu ajutorul micrilor amiboidale fie cuajutorul cililor sau al flagelilor. Micarea ciliar i flagelar dposibilitatea deplasrii cu

uurina organismelor n mediul lor extern. Micarea cililor este de ''vslire cilic'', (Fig. 1)un ciclu avnd cursa util(C.U. 1-2-3) i cursa de revenire (C.R. 4-5-6). n timpul C.U. cilulse nclinspre baz, mpingnd lichidul pe lngsuprafaa de care este ancorat (sgeataindic sensul de deplasare al fluidului). n timpul cursei de revenire, care este mai lungdect al celei utile, cilul nu mai este rigid, ci se ndoaie treptat, revenind n poziia ''1'' gatade a ncepe un nou ciclu. Cilii vslesc cu o frecvende 10-14 Hz i realizeazo vitezdetransport a filmului de lichid de aproximativ 1 mm/s. Frecvena cililor depinde de speciaconsideratdar i de condiiile de mediu. Cilii nu se micaleatoriu ci coordonat, ca un lande gru n btaia

Documents

Modelarea, Simularea Si Proiectarea Microsistemelor Electromecanice