Projektträger

Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)

Projektzeitraum

2023 - 2025 

Projektbeschreibung

Mikroaktoren erreichen schnelle und präzise Bewegungen im Mikro- und Millimeterbereich durch effiziente Wirkprinzipien wie Piezoelektrizität, Elektrostatik und Magnetismus. Im Gegensatz zu makroskopischen Aktoren ist deren Bewegungsraum allerdings aufgrund von Rückstellkräften durch mechanische Federn in der Regel stark beschränkt. Um diese Restriktion zu umgehen, wurden im DFG-Projekt Kick & Catch zwei auf frei beweglichen Massen basierende Mikroaktorsysteme untersucht, welche jeweils große lineare oder rotatorische Bewegungen ermöglichen. Die Aktorsysteme beruhen dabei auf kooperativer Zusammenarbeit mehrerer Mikroaktoren und sind multistabil, benötigen also keine Energiezufuhr, um mehrere vordefinierte Ruhelagen stabil halten zu können. Multistabile Aktorsysteme mit großem Arbeitsbereich stellen die Grundlage für die Entwicklung fortgeschrittener Anwendungen und Einsatzgebiete von Mikroaktoren dar.

Das ebenfalls durch die DFG geförderte Folgeprojekt ADOPT baut auf den Ergebnissen der ersten Projektphase auf und erforscht die Integration der linearen und rotatorischen Aktoren zu einem komplexen Aktorsystem. Dieses soll als Mikrospiegel fungieren und sowohl große rotatorische Bewegungen erzielen, als auch in seiner vertikalen Position verstellbar sein können. Durch den Zusammenschluss mehrerer dieser Aktoren zu einem Array entsteht dadurch ein Mikrospiegelsystem – ähnlich dem Hauptspiegel des James-Webb-Teleskops – welches durch die Anpassung der Krümmung insbesondere Terahertzstrahlung sowohl refokussieren als auch gezielt umlenken kann. Die Herausforderungen zu Design, Modellierung, Untersuchung der Kopplungseffekte, sowie der effizienten Regelung wird in Kooperation mit Projektpartnern der Universitäten Freiburg und Bochum, sowie der Jade Hochschule bewältigt. Der Lehrstuhl für Regelungstechnik der Universität Augsburg entwickelt hierfür insbesondere Algorithmen zur Systemidentifikation und Regelung, welche klassische Methoden mit denen aus dem Bereich des maschinellen Lernens kombiniert.

Projektträger

Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie

Projektzeitraum

2022 - 2025  

Projektbeschreibung

Gemeinsam mit der ATOMA GmbH erforscht der Lehrstuhl für Regelungstechnik in der Ingenieurinformatik die Anwendung moderner KI-Methoden für Kombinationswaagen. Kombinationswaagen werden eingesetzt, um Güter wie beispielsweise Lebensmittel schnell und präzise zu portionieren. Dazu werden in mehreren Wägezellen Teilmengen erfasst und vorteilhaft zu einer Gesamtmenge kombiniert.

Hohe Anforderungen an Genauigkeit und Prozessgeschwindigkeit und der breite Einsatzbereich machen Kombinationswaagen zu einem herausfordernden Anwendungsgebiet lernender Verfahren.  Das breite Güterspektrum, das mit Kombinationswaagen portioniert wird, macht die Nutzung qualitativer Messungen im Regelprozess notwendig. Die Verbindung dieser qualitativen Daten mit quantitativen Größen stellt eine große Herausforderung für lernende Regelverfahren dar. Trotz dieser Heterogenität muss Geschwindigkeit, Präzision und Zuverlässigkeit der Waage durch die Regelung gewährleistet werden.  

Für alle geplanten Vorhaben wird eine umfangreiche Datenbasis benötigt, die ebenfalls im Rahmen des Projektes entstehen soll. Dazu müssen die bestehenden Maschinen um die notwendige Infrastruktur erweitert und eine geeignete Datenaufbereitung entwickelt werden.

Zusätzlich soll ein Framework zum Training eines digitalen Zwillings entwickelt werden, der es ermöglichen soll, die Entwicklung und Wartung solcher Maschinen zu optimieren und als Testumgebung für neue Regelungsansätze für Kombinationswaagen dienen soll.

Projektträger

Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)

Projektzeitraum

2020 -     2022  

Projektbeschreibung

Aus dem Stand der Technik für elektrostatische Aktoren ergibt sich, dass das elektrische Feld nach wie vor das vielversprechendste Antriebsprinzip in der Mikrosytemtechnik ist und es viel mehr Ansätze als nur Kamm-Antriebe und digitale Parallel-Platten-Aktoren gibt. Bislang wurden aber zumeist einzelne elektrostatische Effekte untersucht. Interaktionen wurden nur berücksichtigt, wo dies zwingend notwendig war, wie beim Pull-In Effekt. Gründe hierfür könnten das einfache und zumeist eindimensionale Design für diskrete Effekte, die Bevorzugung von kaskadierten Aktoren für komplexe Antriebssteuerungen, die Komplexität der Wechselwirkungen von elektrischen Feldern im Raum und insbesondere die weitgehend getrennte Forschung im Bereich der „trockenen“ Domäne MEMS und der „nassen“ Domäne Mikrofluidik sein. Dieses Projekt verfolgt das Ziel verschiedene Antriebseffekte des elektrischen Feldes auf Festkörper und Flüssigkeiten in einem Aktorkonzept zusammenzufassen, das auf einer frei beweglichen Plattform auf einer flüssigen Lagerung beruht. Es adressiert sowohl große Bewegungsbereiche als auch die präzise Feinjustierung. Es zielt auf ein besseres Verständnis der Kopplung verschiedener Effekte ab. Dazu sind klassische Platten-Aktoren und flüssige Dielektrika im selben einstellbaren elektrischen Feld angeordnet. Digitale, multistabile wie fein kontrollierbare Effekte sind hier zusammengefasst. Inhärente Sensoren zur Ortsbestimmung sind in Form der differentiellen Kapazitäten vorhanden, die Aktor-Elektroden können hierzu entsprechend genutzt werden. In der erste Phase des SPP ist ein Demonstrator zur Kombination von vier Effekten geplant. Er umfasst eine flüssige Lagerung, die übliche Feder ersetzt und kombiniert „trockene“ und „nasse“ elektrostatische Effekte, inklusive der Erforschung einer Gesamt-Steuerung, die auch die spezifischen Querempfindlichkeiten berücksichtigt. Aus diesem Grund arbeiten hier ein Fachgebiet für Mikrosystemtechnik und für Regelungstechnik zusammen. In der zweiten Phase ist eine Erweiterung der Freiheitsgrade und die Integration weiterer Aktorik-Effekte geplant.

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Projektträger

Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)

Projektzeitraum

2019 -     2022  

Projektbeschreibung

In Kooperation mit den Universitäten Bochum und Freiburg, sowie der Jade Hochschule werden im  DFG-Projekt Kick & Catch multistabile Systeme untersucht, in welchen der Übergang von Objekten im Mikro-/Millimeterbereich zwischen mehreren Ruhelagen gezielt geregelt werden soll. Neuartig ist hierbei die Realisierung mittels freier Bewegung und die Aktuierung durch kooperative Mikroaktoren. Es werden zwei Systeme unterschiedlicher Bauart betrachtet, die jeweils multiple Ruhelagen in der vertikalen Position oder dem Drehwinkel des Objekts aufweisen. In beiden Fällen wird die freie Bewegung durch einen piezoelektrischen oder elektrostatischen Kick initiiert und elektromagnetisch in der gewünschten Endlage aufgefangen.

Neben der multiphysikalischen Modellierung und Ordnungsreduktion liegt der Fokus des Projekts auf der Erforschung effizienter Algorithmen zur optimalen Trajektorienplanung und nichtlinearen Regelung dieser Systemklasse. Dafür sollen Methoden der Modellprädiktiven Regelung und Verfahren des maschinellen Lernens zum Einsatz kommen. Darüber hinaus soll der Energieverbrauch über ein Co-Design minimiert werden, indem variable Systemparameter zusammen mit dem internen Regler optimiert werden.

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Projektträger

Deutsche Forschungsgemeinschaft e.V. (DFG)

Projektzeitraum

2022 - 2024  

Projektbeschreibung

Die berührungslose Manipulation von Flüssigkeitstropfen und sensiblen Festkörpern durch akustische Levitationsmethoden hat zahlreiche Anwendungen in der Chemie, Pharmazie, Biologie und Mikroelektronik. In den letzten Jahren haben aktuelle Fortschritte in der akustischen Levitation die kontrollierte Bewegung schwebender Objekte in 3D ermöglicht, aber unerwünschte Schwingungen behindern einige Anwendungen, die eine hohe Präzision der Bewegung erfordern. Um die Bewegungsgeschwindigkeit zu erhöhen und unerwünschte Schwingungen zu reduzieren, werden wir die Anwendung von Steuerungs- und Regelungssystemen im Zusammenhang mit der akustischen Levitation untersuchen. Bei dieser Untersuchung wird das Fachwissen der deutschen Gruppe auf dem Gebiet der Regelungstechnik mit dem Fachwissen der brasilianischen Gruppe auf dem Gebiet der akustischen Levitationssysteme kombiniert. In dieser Studie werden flüssige und feste Objekte durch ein akustisches Levitationssystem, bestehend aus einem phasengesteuerten Array von Ultraschallwandlern geringer Leistung, levitiert und manipuliert. Es werden regelungstechnische Methoden wie Feed Forward Control und H-Infinity Control angewandt, um sowohl die Oszillation zu reduzieren als auch die Bewegungsgeschwindigkeit des levitierenden Objekts zu erhöhen.Die Untersuchung gliedert sich in drei Teile. Zunächst wird ein geeignetes akustisches Levitationssystem entworfen und ein entsprechendes White-Box-Modell erstellt, dessen Parameter mit Hilfe von Systemidentifikationsmethoden experimentell bestimmt werden. Anschließend verwenden wir das erstellte Modell, um ein Steuerungssystem zur Manipulation von Festkörpern und Flüssigkeiten zu entwickeln. Diese Ergebnisse werden für die Entwicklung einer kamerabasierten Echtzeit-Positionsregelung genutzt, um Modellfehler und Prozessstörungen wie akustische Strömungen zu behandeln. Die Verbesserungen des geregelten Prozesses werden anhand von Kriterien wie dem absoluten Positionsfehler, der Maximalgeschwindigkeit und der Schwingungsamplitude bewertet. Schließlich wird das neue Levitationssystem in eine SAXS-Anlage (Small-Angle X-ray Scattering) integriert, um levitierte Substanzen in der Luft handhaben, mischen und analysieren zu können.

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