[논문 리뷰] A rotational traveling wave based levitation device - Modeling, design, and control

Ran Gabai, Dotan Ilssar외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 24.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies참고 문헌 19인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초음파 정적파와 진행파를 생성하는 진동하는 고리 구조를 이용하여 음파로 부상된 물체에 비접촉 방식으로 회전 운동을 제어하는 시스템을 제시한다. 폐쇄형 제어 시스템을 통해 이러한 파동 간 비율을 제어함으로써 얇은 공기층 내의 마찰력에 의해 정밀하게 회전 토크를 조절하며, 단일 매개변수 제어 방식을 통해 빠르고 정확한 각도 위치 조절을 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 음파 부상된 물체의 회전을 기계적 접촉 없이 제어할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 음파 부상 시스템에서 다중 액추에이터 제어의 복잡성을 해결하기 위해.
• 과다 액추에이터 입력을 단일 제어 가능한 매개변수로 변환함으로써 제어 문제를 단순화하기 위해.
• 물리적 접촉 없이 정밀하고 빠른 각도 위치 조절이 가능한 부상된 물체의 제어를 위해.

제안 방법

• 초음파 정적파와 진행파를 동시에 생성할 수 있는 진동하는 고리 구조를 활용한다.
• 가상일 분석을 통해 다중 액추에이터 제어 문제를 단일 제어 가능한 매개변수로 축소한다.
• 액추에이터의 진폭과 위상 간의 대수적 변환을 적용하여 정적파와 진행파 간 비율을 연결한다.
• 폐쇄형 제어를 통해 파동 비율을 동적으로 조정하고 공기층 내 마찰력을 조절한다.
• 물리적 및 동적 캘리브레이션 실험을 통해 기계적 구조를 설계하고 최적화한다.
• 압력과 유량 변화가 부상력과 회전 토크를 모두 생성하는 얇은 중간 기체층을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기계적 접촉 없이 부상된 물체에 정밀한 회전 토크를 어떻게 제어할 수 있는가?
• RQ2 공기층 내에서 제어 가능한 마찰력을 생성하기 위해 정적파와 진행파의 최적 조합은 무엇인가?
• RQ3 복잡한 다중 액추에이터 시스템을 효과적인 조작을 위해 단일 제어 매개변수로 단순화할 수 있는가?
• RQ4 정적파 대 진행파 비율이 결과 토크 및 각도 위치 조절 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 실험적 검증을 통해 제어 방법론의 효과성과 반응성은 어떻게 확인되는가?

주요 결과

• 시스템은 공기층 내 제어된 마찰력에 의해 부상된 물체에 정밀한 비접촉 각도 위치 조절을 성공적으로 실현하였다.
• 폐쇄형 제어 방법은 실험적으로 검증된 바와 같이 빠른 반응성과 정확한 각도 위치 조절을 가능하게 하였다.
• 대수적 변환은 과다 액추에이터 시스템을 단일 제어 매개변수로 효과적으로 축소시켜 구현을 단순화시켰다.
• 장치는 정적파 대 진행파 비율을 조절하여 직접적으로 회전 토크에 영향을 주며 효과적인 조작을 수행함을 보였다.
• 역학적 캘리브레이션과 실험적 검증을 통해 모델의 정확성과 시스템의 강건한 성능이 확인되었다.