Trajekorijomis judančių pjezomechaninių mikrorobotų valdymas

Abstract

Plokštumoje judantys pjezomechaniniai mikrorobotai – tai įrenginiai, kurių judesys formuojamas atvirkštiniu pjezoefektu veikiančiais ir mechaninį judesį generuojančiais pjezomechaniniais keitikliais. Disertacijoje tiriamieji pjezorobotai neturi papildomų judesį generuojančių mechanizmų, tokių kaip ratai kojos ar panašius įtaisai, o tik tiesioginius kontakto su statine plokštuma taškus. Tokiems pjezomechaniniams mikrorobotams judesiui formuoti klasikiniai judėjimo trajektorija formavimo metodai netinka. Tokiam judėjimui reikalingas sudėtinis atskirų pjezoelektrinių keitiklių aktyvių segmentų valdymas siekiant nukreipti pjezoroboto judėjimą reikiama trajektorija. Mokslinių tyrimų tikslas – sukurti ir ištirti naujus trajektorijomis judančių pjezorobotų valdymo metodus ir algoritmus. Darbe sprendžiami šie pagrindiniai uždaviniai: pjezoroboto konstrukcijos parinkimas, pjezorobotų judesio generavimo metodų analizė, pjezorobotų valdymo algoritmų sudarymas, aparatinės įrangos pjezorobotų valdymui parinkimas ir sistemos sudarymas, programinės įrangos, skirtos plokštumoje judantiems pjezorobotams, sukūrimas, judančių pjezorobotų trajektorijų atkartojimo tikslumo ir greičio matavimai, analizė ir valdymo metodų parinkimas konkrečioms judėjimo užduotims. Įvadiniame skyriuje formuluojama problema, aptariamas darbo aktualumas, aprašomas tyrimų objektas, formuluojamas darbo tikslas ir uždaviniai, aprašoma tyrimų metodika, darbo mokslinis naujumas, darbo rezultatų praktinė reikšmė, formuluojami ginamieji teiginiai. Pirmajame skyriuje analizuojama literatūra, pateikti judesio generavimo ir judėjimo trajektorijomis formavimo metodai. Antrajame skyriuje formuluojami pjezoroboto judesio trajektorijos formavimo uždaviniai, nagrinėjami detalūs trajektorijų formavimo algoritmai. Trečiajame skyriuje aprašomas pjezorobotų valdymo sistemos sukūrimas. Pateikiama sukurta valdymui skirta programinė įranga. Ketvirtame skyriuje aprašomi autoriaus atlikti praktiniai eksperimentai. Atlikta pjezorobotų trajektorijos atkartojamumo ir greičio parametrų analizė pjezorobotą valdant trimis skirtingais metodais. Pateikiamos išvados apie valdymo metodų tinkamumą pjezorobotų judėjimui trajektorijomis realizuoti. Disertacijos tema paskelbti 8 straipsniai, perskaityti 5 pranešimai Lietuvos bei tarptautinėse konferencijose. Didžioji dalis mokslinių tyrimų buvo finansuojama LMA projektų MIP – 075/2012 ir MIP-084/2015.

Piezomechanical microrobots moving on a plane have their movement formed by inverse piezomechanical effect and mechanical movement genera-ting piezomechanical actuators. Piezorobots that are analyzed in this dissertation have no additional movement generating components such as wheels or legs. They have only direct points of contact with the static plane. Classical methods for creating movement in trajectories are not suitable for piezomechanical microrobots moving in trajectories on a plane. A complex movement requires an integrated control of active segments of the piezoelectric actuator so that piezorobot is directed in the desired path. The aim of the research is to create and explore new control methods and algorithms for piezorobots moving in trajectories. In order to achieve the objective, the following tasks had to be solved: to determine a suitable construction of a piezorobot for movement in trajectories in a plane, to determinate piezorobots movement generating methods, to create piezorobots control algorithms, to develop piezorobots control system hardware and software, to measure precision and velocity of moving piezorobot trajectories, analyze and create control methods for in-dividual movement tasks. The introduction presents the investigated/formulated problem, importance of the thesis, the object of research, purpose, and tasks of the paper, scientific novelty, the practical significance of results and defended statements. In the first chapter literature on moving robots using piezoelectric motion actuators is presented. In the second chapter, the problem of forming piezorobot motion trajectory is formulated, and detailed algorithms of trajectory formation are studied. The third chapter describes the design of the control system for piezorobots. Described hardware, and designed control software of the system. In the fourth chapter, practical experiments are described. Measurement accuracy and speed of motions experiments carried out using three different control methods were analyzed. The conclusions about the applicability of control methods for piezorobot movement in the trajectories are presented. Eight articles focusing on the subject of the discussed dissertation are published, five presentations on the subject have been given in conferences at national and international level. The main part of the research for the dissertation has been funded by the Research Council of Lithuania, Projects No. MIP – 075/2012 and MIP-084/2015.