[論文レビュー] A rotational traveling wave based levitation device - Modeling, design, and control

Ran Gabai, Dotan Ilssar+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2016

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、超音波定常波と進行波を生成する振動リングを用いて、非接触で回転を制御する物体の音響浮上システムを提案する。閉ループ制御によりこれらの波の比率を制御することで、薄い空気層内のせん断力によって回転トルクを正確に制御し、単一パrameter制御アプローチにより高速かつ高精度な角度位置決めを実現する。

ABSTRACT

Described is a device acting on an acoustically levitated object by manipulating the pressure and flow of a thin layer of air such that its rotation can be precisely controlled without mechanical contact. Virtual work analysis assists in simplifying the multi-actuator control problem into a problem governed by a controllable parameter. Actuation is done with a vibrating ring capable of producing ultrasonic standing and traveling waves, creating the acoustic excitation that affects the pressure in a thin, intermediate layer of gas. A distinctive vibration pattern is required to generate the temporal and spatial pressure field of the squeezed air layer that gives rise to both acoustic levitation force and rotational torque. Described are the physical and design development stages leading to an optimized structure, all followed by verifying and dynamics-calibration experiments. Moreover, by precisely controlling the ratio of standing and traveling waves in a closed-loop, one can affect the shear forces applied by the squeezed air layer, thus creating a non-contacting manipulation mechanism. An over-actuated set-up is converted via an algebraic transformation, into a simplified single control-parameter problem. The transformation ties the standing waves ratio, and hence the rotational torque, to the amplitudes and phases of the actuators. This arrangement leads to an effective closed loop methodology that was implemented experimentally showing good performance and exhibiting rapid angular positioning.

研究の動機と目的

• 音響浮上物体の回転を機械的接触なしで制御する非機械的手法の開発。
• 音響浮上システムにおける多アクチュエータ制御の複雑さの解決。
• 過剰にアクチュエートされた入力から単一の制御可能なパrameterに変換することで、制御問題の単純化。
• 物理的接触なしに、浮上物体の高精度で高速な角度位置決めを実現。

提案手法

• 超音波定常波と進行波の両方を生成可能な振動リングを活用。
• 仮想仕事解析を用いて、多アクチュエータ制御問題を単一の制御可能なパrameterに簡略化。
• アクチュエータの振幅と位相を、定常波と進行波の比率に結びつける代数的変換を適用。
• 閉ループ制御を用いて、波の比率を動的に調整し、空気層内のせん断力を変調。
• 物理的および動的キャリブレーション実験を通じて、機械的構造の設計と最適化を実施。
• 圧力と流れの変動が浮上力と回転トルクを発生させる薄い中間ガス層を採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的接触なしに、浮上物体における回転トルクをどのように高精度に制御できるか。
• RQ2 空気層内で制御可能なせん断力を生成するための定常波と進行波の最適な設定は何か。
• RQ3 複雑な多アクチュエータシステムを、効果的な操作のために単一の制御パrameterに単純化できるか。
• RQ4 定常波と進行波の比率が、得られるトルクおよび角度位置決め性能にどのように影響するか。
• RQ5 実験的検証により、制御手法の有効性と応答性がどのように確認されるか。

主な発見

• 本システムは、空気層内の制御されたせん断力により、浮上物体の非接触で高精度な角度位置決めを実現した。
• 閉ループ制御法により、迅速な応答性と高精度な角度位置決めが実現され、実験的に検証された。
• 代数的変換により、過剰にアクチュエートされたシステムが単一の制御パrameterに効果的に簡略化され、実装が容易になった。
• 定常波対進行波の比率を調整することで、デバイスは効果的な操作を実現し、直接的に回転トルクに影響を与えた。
• 動的キャリブレーションと実験的検証により、モデルの正確性とシステムの高い耐障害性が確認された。