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Miniroboter montieren Mikrosysteme



Sie sind sie ein vertrauter Anblick in den Fertigungshallen der Automobilindustrie: Roboter verrichten dort schwere und monotone Arbeiten mit hoher Geschwindigkeit und Präzision. Nicht zuletzt dank dieser Automatisierung stiegen Produktivität und Qualität in den vergangenen drei Dekaden praktisch von Jahr zu Jahr, und die Herstellungskosten sanken.

Miniaturisierte Systeme aus Sensoren, Aktoren und Elektronik werden dagegen von Menschen, über ein Mikroskop gebeugt, mittels geeigneter Werkzeuge montiert. Schon geringste Ungenauigkeiten oder kleinste Schmutzpartikel können die Produkte wertlos machen. Zudem sind die Fertigungszeiten recht lang und die Belastung für den Arbeitenden hoch. Noch ist die Mikrosystemtechnik ein strategisches Forschungsfeld und die mangelnde Automatisierung kein Problem, doch wird sich das nach Expertenmeinung im nächsten Jahrhundert drastisch ändern. Im Jahr 2000 sollen sich die Umsätze auf dem Weltmarkt bereits auf 40 Milliarden Mark belaufen, wobei die meisten wohl mit Mikrosensoren zu machen sind, die sich in Systeme integrieren lassen.

Daher arbeiten verschiedene Forschergruppen an flexibel agierenden Mikrorobotern mit Abmessungen von wenigen Kubikzentimetern. Einige Antriebsprinzipien aus der Makrowelt können sie direkt übernehmen, wobei allerdings Skalierungseffekte zu beachten sind. Nützt man beispielsweise die elektrostatische Anziehung und Abstoßung entsprechend geladener dünner Schichten, so lassen sich diese nicht beliebig verkleinern, denn es entstehen bei der Fertigung mechanische Spannungen, welche die Flächen krümmen. Eine verkleinerte Makromaschine bringt deshalb mitunter geringere Leistung, als dem Maßstab entsprechend zu erwarten wäre. Andererseits ist die Schwerkraft in der Mikrowelt von untergeordneter Bedeutung, denn sie ist eine Volumenkraft, also von der dritten Potenz der Abmessun-gen eines Objekts bestimmt. Hingegen schrumpft die Oberfläche nur mit der zweiten, weshalb Oberflächenkräfte wie die elektrostatische Anziehung im Verhältnis wirksamer werden und entsprechende Optionen bieten.

Mikroroboter werden in der Regel unter einem Lichtmikroskop beziehungsweise in einem Rasterelektronenmikroskop arbeiten. Wie ihre großen Artgenossen müssen sie Objekte bewegen und manipulieren, robust sein und die gewünschten Funktionen auch über längere Zeiträume hinweg wartungsfrei erbringen. Der Entwicklungsingenieur benötigt dafür vor allem Aktoren, meist piezoelektrisch, elektrostatisch oder elektromagnetisch betrieben, die neben sehr kleinen Abmessungen einen einfachen mechanischen Aufbau, einen direkten Antrieb und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.



Piezoelektrische Aktoren bewegen und greifen



Zu den ersten an unserem Institut entwickelten Prototypen gehört PROHAM (Piezoelektrischer Roboter zur Handhabung von Mikroobjekten). Die Ansteuerungs- und Leistungselektronik ist auf einer Plattform von etwa 9 mal 13 Quadratzentimetern untergebracht. Sie wird mit drei Beinchen bewegt und in Position gebracht. Jedes besteht aus einem Röhrchen aus Piezokeramik, verändert also seine Abmessungen unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes; in Ruhe ist es 13 Millimeter lang, der äußere Durchmesser beträgt 2,2 und der innere 1 Millimeter. Eine Metallschicht im Innern des Röhrchens dient als Elektrode. Vier Streifen metallischer Beschichtung außen, jeweils etwa einen Viertelkreis voneinander entfernt, fungieren als Gegenelektroden.

Legt man Spannung an, verlängert sich der Keramikstreifen auf einer Seite und schrumpft auf der gegenüberliegenden – das Röhrchen krümmt sich. Je nach Polung der vier Elektrodenpaarungen läßt sich diese Bewegung auf wenige Nanometer genau steuern. An die Enden der Beinchen wurden etwa ein Millimeter große Rubinkugeln als Füße angeklebt, die einen präzisen Auflagepunkt und eine konstante Reibung auf dem glatten Untergrund des Arbeitsplatzes gewährleisten. Wenn sich die Beine nun langsam in eine Richtung krümmen und dann sehr schnell in die andere, rutschen sie aufgrund der Trägheit der Roboterplattform beziehungsweise ihrer hohen Geschwindigkeit auf der glatten Unterlage durch und erreichen eine neue Position. Dann werden sie aufgerichtet, und ein Schritt ist vollzogen. Durch Variation der Steuerspannung läßt sich die Plattform bis zu zehn Nanometern (millionstel Millimeter) genau vorwärts, rückwärts und seitwärts bewegen, ja sogar drehen.

Ein nadelförmiger Metallarm ist fest am Roboter montiert; führt man seine Spitze an eine biologische Zelle heran, bleibt diese heften und läßt sich unter dem Mikroskop positionieren. Bei einer Schrittfrequenz von fünf Kilohertz und einer Schrittweite von sechs Mikrometer (tausendstel Millimeter) beträgt die maximale Geschwindigkeit 30 Millimeter pro Sekunde.

Der miniaturisierte Manipulationsroboter MINIMAN-I benutzt die gleiche Plattform, hat aber zum Fixieren sehr kleiner Objekte zwei getrennt steuerbare Nadelarme – man denke hierbei an das Prinzip chinesischer Eßstäbchen; aufgrund der vernachlässigbaren Schwerkraft ist ein dritter nicht vonnöten.

Ein solcher Roboterarm besteht aus einem kugelförmigen metallischen Halter, an dem das eigentliche Werkzeug befestigt ist, und drei piezokeramischen Aktoren – technisch identisch mit jenen der Roboterbeine (Bild 1). Die Metallkugel wird durch einen Magneten der Plattform angezogen und dabei gegen die runden Rubinfüße der Piezokeramikröhrchen gedrückt. Werden diese elektrisch angesteuert, läßt sich die Kugel mit hoher Präzision drehen und der Werkzeughalter daran in jede Richtung schwenken; durch gleichzeitige Bewegung der Plattform über die Schreitbeinchen kann man ihn so zu jedem beliebigen Punkt des Arbeitsraums bringen. Lösen der magnetischen Verankerung der Kugel schließlich ermöglicht den automatisierbaren Werkzeugaustausch.

Das Greifen und Halten eines Objekts muß allerdings sehr präzise gesteuert werden. Bei der Folgegeneration haben wir deshalb Positionieren und Greifen entkoppelt: MINIMAN-II nutzt nur eine Manipulationseinheit, bestehend aus dem Kugelmodul und einem piezoelektrischen Pinzettengreifer (Bild 2). Als Aktoren dienen letzterem planare Biegewandler, die aus jeweils zwei fest verbundenen piezokeramischen Schichten bestehen, die sich gegensinnig verkürzen beziehungsweise ausdehnen. Das Biegen zweier solcher Wandler wird nach dem Prinzip der Schere in ein Öffnen und Schließen des Pinzettengreifers umgesetzt, was eine Greifspannweite von bis zu zwei Millimetern ermöglicht; die Positionierung des Greifers erfolgt auf vier Nanometer genau. Insgesamt konnten wir die Abmessungen des Roboters im Vergleich zu MINIMAN-I auf weniger als die Hälfte reduzieren.



Die Roboterspinne



Bei dem Mikroroboter Spider – der Name veranschaulicht das Bewegungsbild der Maschine – erproben wir bimorphe Piezoaktoren anstelle der Röhrchen. Diese bestehen jeweils aus zwei miteinander verbundenen piezokeramischen Flächen, die sich bei Anlegen einer Spannung gegensinnig stauchen und längen, die Gesamtstruktur also wiederum biegen.

Um einen Schritt auszuführen, werden zunächst drei Bewegungsbeine ausgelenkt, die jeweils zwei senkrecht zueinander stehende und separat ansteuerbare bimorphe Aktoren umfassen. Dabei wird die Plattform vorwärts bewegt. Im Anschluß daran heben drei weitere Beine – aus jeweils nur einem solchen Aktor bestehend – den Roboter an, und die nun entlasteten Bewegungsbeine werden in ihre Ausgangsstellung gebracht.

Auch der Manipulator besteht aus drei bimorphen Piezoaktoren. Einer davon hebt und senkt den Manipulatorarm, während die anderen beiden bis zu drei Millimeter breite Objekte wie zwei Finger greifen; zudem sind verschiedene Werkzeuge anschließbar. Die Steuerungseinheit ist direkt auf der Roboterplattform untergebracht. Im Vergleich zu MINIMAN-I wurde die Größe des Roboters um 40 Prozent reduziert.

Mit der zunehmenden Miniaturisierung der Komponenten industrieller Produkte verringern sich die zulässigenToleranzen. Derzeit gebräuchliche Mikromontagesysteme setzen deshalb die Handbewegungen des Operators über einen besonderen Joystick oder eine Maus in Feinbewegungen entsprechender Manipulatoren um, wobei dem Bediener verschiedenartige Zustände in der Mikrowelt durch Videobilder, akustische Signale oder durch simulierte Kräfte rückgekoppelt werden. Zwar wird die Manipulationsfähigkeit der Hand auf diese Weise extrem verfeinert, gleichwohl bleibt die Bewegungsauflösung begrenzt, gleiches gilt auch für die Geschwindigkeit der Ausführung einer Montageaufgabe.

Wir entwickeln in Karlsruhe deshalb eine automatische, flexible Mikromontagestation (FMMS), in der wir die skizzierten Roboter einsetzen. Darin besteht keine unmittelbare Verbindung mehr zwischen den Operatorhänden und dem agierenden Roboter. Die Befehle des Bedieners werden vielmehr über eine Eingabeeinheit aufgenommen und mit Hilfe des Steuerungssystems an die Roboteraktoren in einer geeigneten Form weitergegeben; den Abstraktionsgrad der Kommandos bestimmt die Leistungsfähigkeit der Steuerungsalgorithmen. Bei komplexen Aufgaben greifen Regelmechanismen – die Mikroroboter haben also eine gewisse Autonomie. Mehrere solcher Maschinen können in einer multifunktionalen Mikromanipulations-"Tischstation" gleichzeitig tätig sein (Bild 3).

Wir haben eine optische Sensorik gewählt, die eine Positionsrückkopplung ermöglicht: Der gesamte Montageprozeß findet entweder unter einem mit einer hochauflösenden CCD-Kamera ausgestatteten Lichtmikroskop statt oder in der Arbeitskammer eines Rasterelektronenmikroskops (dann liefert das Mikroskopbild Informationen über den Montageverlauf); auch Lasermeßsysteme sind zur Bestimmung der Position beziehungsweise Orientierung eines Mikroroboters gut geeignet.

Zusätzliche Kraft- oder taktile Mikrosensoren können die Leistungsfähigkeit einer FMMS noch wesentlich erhöhen. Da aber die bei der Handhabung von kleinsten Objekten auftretenden Kräfte sehr gering sind und oft nur einige Mikronewton betragen, ist die Entwicklung dafür geeigneter Meßgeber schwierig und teuer.



Greifer mit neuen Prinzipien



Obwohl sich die durchzuführenden Manipulationen mit einem Objekt von Anwendung zu Anwendung unterscheiden, geht es im allgemeinen doch immer wieder darum, zu greifen, zu transportieren, zu positionieren, abzulegen, zu justieren, zu fixieren und um Bearbeitungsvorgänge wie Schneiden, Löten, Kleben oder Entfernen von Verunreinigungen. Dafür sind entsprechende Werkzeuge wie Mikromesser, verschiedenartige Mikrogreifer oder Mikroschaber vonnöten.

Da unsere Montageroboter mobil sind, entfallen aufwendige Vorrichtungen für Materialzuführung und Produkt-abtransport weitgehend. Auch läßt sich ein Werkzeugwechsel relativ unkompliziert automatisieren.

Eine Anpassung der wichtigen Mikrogreifer an die physikalischen und geometrischen Eigenschaften der Objekte ist meist die beste Lösung, selbst wenn die Flexibilität des Roboters dadurch etwas eingeschränkt wird. So lassen sich Mini-Werkstücke mit komplexen Formen wie etwa Zahnräder mit solchen Werkzeugen am besten greifen, die an die Konturen des Objekts angepaßt sind. Für kleine Teile mit glatten Oberflächen sind Saugpipetten vorteilhaft; kleine und diffizile Komponenten hingegen wären mit elastischen Greifern aus weichem Kunststoff besser zu greifen und zu manipulieren als mit solchen aus Metall. Auch Adhäsionskräfte lassen sich nutzen, etwa durch Aufbringen einer Ladung auf den Manipulator (also mit elektrostatischen Kräften) oder durch Benetzen seiner Oberfläche über einen mikrostrukturierten Zufuhrkanal (also Nutzen der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten); anschließend würde die Flüssigkeit mit einem eingebauten Heizelement wieder abgedampft.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1998, Seite 89
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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