Design and analysis of redundant parallel micro manipulator for maskless lithography system

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 회전형모터와 선형 가이드를 이용한 구동기 모듈과 이것을 기반으로 여유자유도를 가지는 병렬 마이크로 매니퓰레이터에 대한 설계 및 분석에 관한 연구로써, 다음과 같이 크게 세 부분의 주요 연구로 이루어져 있다.

첫 번째는 병렬 메커니즘에 대한 기구적 구조의 검토와 기구학 해석에 관한 연구로써, 이를 위해서 병렬 메커니즘의 대표적인 기구적 구조를 구동자유도와 여유자유도 관점에서 검토하였다. 대표적인 기구적 구조는 먼저 평면상에서 구동되는 기구적 구조와 공간상에서 구동되는 기구적 구조를 구분하였으며, 다음으로 여유자유도를 가지는 기구적 구조와 여유자유도가 없는 기구적 구조를 구분하였다. 그래서 병렬 메커니즘의 대표적인 기구적 구조의 사례로 3-PRS, 4-PPS, 6-SPS, 그리고 8-SPS를선정하였다. 그리고 병렬 메커니즘에서 여유자유도가 가지는 의미를 정의하였으며, 이것이 가지는 장점과 단점에 대해서 구체적으로 서술하였다. 앞서 언급한 내용을 종합하여 본 연구에서는 여유자유도를 가지는 병렬 메커니즘의 기구적 구조를 제안하였다. 제안한 기구적 구조는 4-[PP]PS로써 구동자유도는 6자유도이다. 그리고 제안한 4-[PP]PS에 제어를 위해서 다음과 같은 기구학 해석을 하였다. 먼저 본 연구에서는 병렬 메커니즘에서 모바일 플랫폼을 원하는 위치 또는 경로로 구동하기 위한 기본적인 해석으로 역기구학 해석 결과를 제시하였다. 본 연구에서 제시한 역기구학 해석을 위해서 강체 동역학의 회전 변환에서 일반적으로 사용되는 오일러 각도를 이용하였다. 최종적으로 자코비안 행렬을 유도하여 제시하였다. 다음으로 실제 병렬 메커니즘을 제어할 때 각각의 구동기의 출력값을 이용하여 모바일 플랫폼의 위치 또는 경로를 예측하기 위한 해석으로 순기구학 해석 결과를 제시하였다. 보통 병렬 메커니즘의 순기구학은 수식으로 유도되는 경우가 극히 드물기 때문에 대부분 수치해석을 이용한다. 하지만 본 연구에서는 4-[PP]PS 의 구조적인 특징을 이용하여 수식으로 순기구학을 유도하였으며 이와 관련된 결과를 제시하였다.

두 번째로 병렬 메커니즘의 하드웨어의 구현과 테스트에 대한 연구로써, 이를 위해서 먼저 병렬 메커니즘의 최소 구성요소가 되는 구동기 모듈에 대한 연구를 제시하였다. 구동기 모듈의 구현을 위해서 4개 구성 요소로 이루어진 구동기 모듈의 기본 구조를 제안하였다. 제안한 구동기 모듈은 수직방향과 수평방향으로 구분하여 구동되는데 이것은 4개 구성 요소의 상대적인 모션의 차이로 구현된다. 또한 쇄기 형상의 구성 요소를 통하여 수직방향의 정밀도를 수정할수 있으며, 본 연구에서는 수직방향의 정밀도와 수평방향의 정밀도가 10배 차이가 존재한다. 구동기 모듈의 기본 구조로 구현 할 수 있는 하드웨어 상세 설계로는 수직방향과 수평방향이 동시에 구동되는 것과 수직방향과 수평방향이 선택적으로 구동되는 것이 있으며, 본 연구에서는 수직방향과 수평방향이 선택적으로 구동되는 것을 채택하였다. 이것은 구동회로가 비교적 간단한 장점이 있다. 하지만 구동축 선택장치를 추가적으로 구현해야 하는 단점이 있다. 본 연구에서는 2개 에어그리퍼를 이용하여 구동축 선택장치를 설계하였으며, 이것은 구동축 선택과 더불어 구동기 모듈의 강성을 증가시키는 기능도 있다. 본 연구에서는 최종적으로 구동축 선택 장치가 결합된 구동기 모듈의 하드웨어를 제작하여 제시하고 수평방향과 수직방향의 구동 테스트와 정밀도 테스트 결과를 제시하였다. 다음으로 구동기 모듈을 이용하여 병렬 메커니즘의 하드웨어 구현에 대한 연구를 제시하였다. 병렬 메커니즘의 기구적 구조는 앞서 제안한 4-[PP]PS이며, 4개 구동기 모듈을 이용하여 구현한 하드웨어를 제작하여 제시하였다. 최종적으로 병렬 마이크로 매니퓰레이터의 하드웨어 성능 평가로 각각의 자유도별 정밀도 테스트 결과를 제시하였다.

세 번째로 앞서 개발된 결과들이 활용 가능한 시스템으로 마스트리스 노광 시스템과 마이크로 매니퓰레이션 시스템을 소개하였다. 먼저 마스크리스 노광 시스템은 기존에 마스크를 이용하여 패턴을 생성하는 리소그래피와 달리 디지털 마이크로미러 디바이스(digital micromirror device)를 이용하여 패턴을 생성하기 때문에 패턴 생성에 시간이 소요된다. 노광 공정상의 효율을 높이기 위하여 여러 개의 광학헤드를 사용하게 되며, 이와 같은 경우 각각의 광학헤드의 간의 정밀한 위치 조정이 요구이다. 본 연구에서 제안한 병렬 마이크로 매니퓰레이터는 광학헤드를 장착하는 어댑터 역할과 최적의 노광을 위하여 광학헤드의 위치를 조정하는 역할을 한다. 다음으로 마이크로 매니퓰레이션 시스템은 마이크로 디바이스나 세포와 같이 아주 작은 물체를 조작하기 위한 시스템이다. 일반적인 경우 물체의 위치를 파악하는 비전 시스템, 물체를 조작하는 매니퓰레이션 시스템, 그리고 제어 시스템으로 구성되는데, 본 연구에서 제안한 병렬 마이크로 매니퓰레이터는 물체를 조작하는 역할을 수행 할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation is about design and analysis of parallel micro manipulator with actuator redundancy based on actuator module using a linear guide and spindle motor. It consists of the following three studies.

The first study is about review of kinematic configuration and kinematic analysis about parallel mechanism. For this, typical kinematic configuration of parallel mechanism has been reviewed in terms of degrees of freedom and redundancy. For the typical kinematic configuration, it is divided into the configurations of being actuated in plane and being actuated in space. And it is divided into configurations of having redundancy and having no redundancy. So 3-PRS, 4-PPS, 6-SPS, and 8-SPS are selected as the typical kinematic configurations of parallel mechanism. And then the physical meaning of actuator redundancy in parallel mechanisms is defined and its advantages and disadvantages are described concretely. Based on the contents aforementioned, this study suggests the kinematic configuration of parallel mechanism having actuator redundancy. The suggested kinematic configuration is 4-[PP]PS and it is six degrees of freedom. For the control of the suggested 4-[PP]PS, the following kinematic analysis is conducted. First, the inverse kinematic analysis is suggested as a fundamental analysis in order to actuate the mobile platform to a desired position or path in parallel mechanism. For the inverse kinematic analysis, Euler angle which is used generally in rotational transform of rigid body dynamics is used. And finally it is proposed by using Jacobian matrix. Next, as an analysis of expecting the position or path of the mobile platform, the forward kinematic analysis is proposed by using the output of each actuator when controlling the parallel mechanism. Usually the forward kinematic analysis of parallel mechanism is rarely induced in closed form equations so it uses numerical analysis method in most cases. However, this research induces the forward kinematic analysis by using the structural characteristics of 4-[PP]PS in closed form equations and the related results has been presented

The second study is about the implementation and experimental test of the hardware of parallel mechanism. For this, the study of the actuator module which is the minimum component of parallel mechanism is suggested. For implementing the actuator module, the structure consisting of four units is proposed. The suggested actuator module is actuated in horizontal and vertical directions and this can be actuated by the relative motions of four units. And the degree of precision for the vertical direction can be adjusted through the wedge shaped components and the difference between the vertical direction and horizontal direction of the precision degrees is by ten times in this research. For the detail design of implementation based on the actuator module structure, there are two kinds; one is being actuated in horizontally and vertically at the same time and the other one is being actuated in horizontal or vertical direction selectively. In this study, the one being actuated in horizontal or vertical direction selectively has been selected. The advantage of this is to make the actuation circuit simple but it requires an additional device to select the actuation axis. This study designed the axis selection device by using two air grippers and this can also increase the stiffness of actuator module. In this study, the hardware of actuator module assembled with the axis selection device has been implemented. Also the operation and accuracy test of horizontal and vertical directions are performed. The next study is about implementing the hardware of parallel mechanism by using the actuator module. The kinematic configuration of parallel mechanism is 4-[PP]PS mentioned earlier and the hardware using four actuator modules was also implemented. Then accuracy test result of each degrees of freedom has been presented for the evaluation of hardware.

Thirdly, the maskless lithography system and micro manipulation system are introduced as a system which the aforementioned results can be applied. In the case of maskless lithography system, the digital micromirror device is used to produce pattern so it takes some time to generate the pattern. In order to increase the efficiency of manufacturing, several optical heads are used and it requires a precise position controlling between each optical head. The parallel micro manipulator suggested in this study plays a role as an adaptor which installs the optical head and controls the location of the optical head for the optimized exposure. And next, the micro manipulation system is a system for operating very small objects like micro device or cell. In general cases, it consists of vision system, manipulation system, and controlling system. The parallel micro manipulator can conduct as a manipulation system to operate the objects.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction
• 1.1 Motivation
• 1.2 Problem Definitions
• 1.3 Objectives and Approaches
• 1.4 Scope of the Thesis
• 2 Kinematic Configuration and Analysis
• 2.1 Introduction
• 2.2 Actuation Redundancy and Kinematic Configuration
• 2.3 Inverse Kinematics
• 2.4 Forward Kinematics
• 2.5 Summary
• 3 Actuator Design and Test
• 3.1 Introduction
• 3.2 Decoupled Kinematic Mechanism
• 3.3 Axis Selection Method
• 3.4 Selective Actuator Module
• 3.5 Operation, Accuracy and Axis Selection Test
• 3.6 Summary
• 4 Stage Design and Test
• 4.1 Introduction
• 4.2 Parallel Mechanism Configuration
• 4.3 Motion Primitive Analysis
• 4.4 Dual-Scale Micro Manipulator
• 4.5 Motion Control Test
• 4.6 Summary
• 5 Applications
• 5.1 Maskless Lithography System
• 5.2 Micro Manipulation System
• 6 Conclusion
• 6.1 Summary
• 6.2 Contribution
• 6.3 Recommendations for the Future Study
• Bibliography