Alten past robotica toe in elektronenmicroscoop Fei

THEMA MOTION & DRIVES
Alten past robotica toe in
elektronenmicroscoop Fei
De vacuümkamers in de microscopiesystemen van Fei zitten boordevol. Het
is daarom een uitdaging om de gewenste bewegingen uit te voeren zonder
dat componenten botsen. Alten Mechatronics onderzocht een oplossing op
basis van het Robot Operating System. In de referentiecase was de nieuwe
motionplanner tot vijf keer sneller.
Mark Geelen
Simon Jansen
E
r is de laatste vijf jaar veel veran
derd binnen de robotica, vooral op
het gebied van software. De steeds
groter wordende rekenkracht van com
puters biedt nieuwe mogelijkheden bij
het uitvoeren van complexe berekenin
gen. Hierdoor kunnen steeds geavan
ceerdere applicaties worden ontwikkeld
en kan het gedrag van deze applicaties
steeds meer en beter worden voorspeld
via simulaties.
Veel van deze ontwikkelingen leven
voorlopig alleen in de academische we
reld en hebben de weg naar de industrie
nauwelijks gevonden. Kennelijk is de stap
nog te groot om de geboden academische
oplossingen direct te vertalen naar indus
triële toepassingen. Binnen de industri
ële robotica zien we vooral het gebruik
van starre, niet flexibele toepassingen.
Deze zijn erop gericht om met een hoge
frequentie een specifieke taak te repete
ren zonder interactie met de dynamische
omgevingen. De applicaties worden nog
vaak taakspecifiek uitgevoerd waardoor
de robot bij een nieuwe taak of een aan
gepaste beweging opnieuw moet worden
geprogrammeerd. Deze weinig flexibele
oplossing resulteert in hoge kosten en
lange downtijden.
Een oplossing voor deze problematiek
is het Robot Operating System (Ros). Dit
systeem biedt een gestandaardiseerd soft
wareraamwerk dat de vele processen met
elkaar verbindt. Binnen dit raamwerk kun
nen ontwikkelaars code ontwikkelen, met
elkaar delen en bestaande code uitbrei
den. De grote populariteit van Ros is onder
meer te danken aan het feit dat het een
opensourceplatform is waardoor de moge
lijkheid wordt gecreëerd om state-of-theart functionaliteit te gebruiken en te im
plementeren in applicaties. Een bijkomend
voordeel is de ondersteuning die de Rosgemeenschap van ontwikkelaars biedt.
De eerste versie van Ros kwam in 2010
onder de naam Box Turtle beschikbaar.
Momenteel is de achtste versie al in voor
bereiding onder de naam Indigo. Verder
zijn er ontwikkelingen om dit – vooral in
academische kring gebruikte – besturings
systeem ook geschikt te maken voor de
industrie. Dit gebeurt door het onlangs
opgerichte Europese consortium RosIndustrial (Ros-I). Binnen dit consortium
wordt gewerkt aan een eigen Ros-versie:
Ros-Industrial. Hierbij wordt bijzondere
aandacht besteed aan de extra eisen die
aan industriële toepassingen worden ge
steld: snelheid, betrouwbaarheid, onder
houdbaarheid en veiligheid.
Nanofabrieken
Figuur 1: De ruimte is beperkt in de Small Dual
Beam-systemen van Fei. Het is dus zaak de
bewegingen goed te choreograferen. Alten zette
daarom een simulatie op met behulp van het
Robot Operating System.
Figuur 2: De stage moet op acht vrijheidsgraden
nauwkeurig worden gepositioneerd. Door slim te
kiezen is een significante winst te behalen op de
bewegingstijd.
Fei ontwerpt, produceert en ondersteunt
een grote variatie aan high-performance
microscopiesystemen die details zichtbaar
kunnen maken tot op picometerschaal.
Vooral in de systemen met zowel een elek
tronenbundel als een ionenbundel – de
zogenaamde Small Dual Beam-systemen
(SDB) – is de vacuümkamer erg vol. In deze
systemen (Figuur 1) bevindt zich een bewe
gend platform, de stage (Figuur 2), die in
acht vrijheidsgraden nauwkeurig dient te
worden gepositioneerd. Naast de elektro
nenkolom, de ionenkolom en de stage kun
nen zich in de kamer diverse detectoren,
gasinjectiesystemen en een module voor
het omhoog brengen van kleine samples
bevinden. Deze SDB-systemen zijn dus niet
alleen microscopen maar vooral nanofa
brieken waar materiaal kan worden weg
gehaald en toegevoegd terwijl het sample
wordt bekeken. Daarnaast is het mogelijk
om een chemische analyse te doen van
het sample om zo de chemische elemen
ten te achterhalen. Dit wordt bijvoorbeeld
gebruikt voor het bewerken van circuits op
wafers of het uitsnijden van dunne plakjes
uit een groter sample om ze geschikt te
maken voor onderzoek in een transmissie-
MECHATRONICA&MACHINEBOUW 6
21
THEMA ROBOTICA
Figuur 3: Alten
construeerde een
simulatiemodel van de
elektronenmicroscoop
op basis van de Cadgegevens. Aan de
hand van dit model
instrueerde het zijn Rosmotionplanner.
Ros
visueel model
Simulatiemodel
Cad-model
Ros
botsingsmodel
elektronenmicroscoop. De mechatronica
competentie is binnen Fei vooral aanwezig
in Eindhoven, waar Edwin Verschueren en
Jeroen de Boeij hebben meegewerkt aan
deze studie. Vanuit Fei Brno, waar de SDBsystemen worden geproduceerd, was An
drea Proli betrokken.
In de huidige systemen wordt voor het
plannen van de bewegingstrajecten ge
bruikgemaakt van een in-house ontwik
kelde oplossing, waarbij elke overgang
tussen stageconfiguraties handmatig
moet worden geprogrammeerd. Hierbij
is een van de belangrijkste eisen dat de
bewegingen zonder botsingen moeten
plaatsvinden. In een aantal gevallen is dit
planningsprobleem te complex en niet
oplosbaar met de huidige methode. In an
dere gevallen neemt de oplossing te veel
tijd in beslag omdat de assen van de stage
alleen sequentieel worden bewogen.
Fei onderzoekt met behulp van tra
jectplanning alternatieve mogelijkheden
om de stage te bewegen. Hierbij moet
de beweging van de stage gegarandeerd
botsingsvrij plaatsvinden binnen een
vastgestelde tijd. Deze tijd moet uiteraard
worden geminimaliseerd om een zo hoog
Figuur 4: In het botsingsmodel heeft
de Stem-detector een ‘airbag’ gekregen
waardoor de details zijn vervaagd en
het rekenwerk makkelijker is geworden.
mogelijke doorvoersnelheid te behalen.
Trajectplanning biedt hierbij het voordeel
dat de assen simultaan kunnen worden
aangestuurd en bewogen in plaats van
sequentieel. Hierdoor is een significante
tijdswinst te behalen.
Airbag
Alten Mechatronics heeft een proof of
principle-studie uitgevoerd voor Fei waarin
het een simulatiemodel van de microscoop
en de stage bouwde. Dit model werd ge
bouwd op basis van Cad-gegevens van de
Fei SDB-elektronenmicroscoop. Deze Cad-
SKINTOP ®.
De ideale combinatie voor uw applicatie.
S
OT
W
OP 034
NS D F
O
EK TAN
ZO 1 - S
E
B L1
HA
®
22
MECHATRONICA&MACHINEBOUW 6
Eind
config
t =0
t =6
t =1 6
t =2 0
Succes
Padgeneratie
Controle op
botsingen
Start
config
Fail
Figuur 5: De motionplanner genereert een pad op basis van de
gewenste begin- en eindstand. Als dat pad botsingen oplevert,
wordt het afgewezen en komt er een nieuw voorstel.
data zijn omgezet naar visuele modellen
en botsingsmodellen die samen het simu
latiemodel vormen. Vervolgens is, met be
hulp van Ros, een motionplanner geïmple
menteerd voor dit model (Figuur 3).
Visuele modellen geven een grafische
representatie van het systeem. Ze komen
exact overeen met de fysieke onderdelen
in het systeem en zijn verkregen via de
Cad-bestanden. De botsingsmodellen zijn
een ‘opgeblazen’, minder gedetailleerde
versie van de visuele modellen. De Alteningenieurs hebben de onderdelen wat
marge gegeven zodat de details vervagen
(Figuur 4). Minder details betekent kortere
berekeningstijden. De extra ruimte creëert
een airbag die kan worden gebruikt bij het
berekenen van een botsingsvrij pad. Deze
airbag kan dan ook worden gebruikt om
de mogelijke mechanische toleranties van
onderdelen in acht te nemen.
Het ontwikkelde simulatiemodel is flexi
bel. Er kunnen eenvoudig nieuwe (fysische)
onderdelen worden toegevoegd. Bij zo’n
toevoeging hoeft de motionplannercode
niet te worden aangepast. Doordat het mo
del is geparametriseerd, is het verder mo
gelijk om kalibraties op te nemen.
De aan het simulatiemodel toegevoeg
de motionplanner werkt op basis van een
gegeven startconfiguratie en een gewens
te eindconfiguratie voor de stage in as
coördinaten (Figuur 5). Deze worden beide
als input aangeboden zodat de motion
planner een pad tussen beide configura
ties kan genereren. Het pad dat de planner
in de eerste fase genereert, bestaat uit een
serie discrete punten die samen bij bena
dering een botsingsvrij pad beschrijven.
In de tweede fase wordt door middel van
lineaire interpolatie gecontroleerd of er
ook tussen de discrete punten van het pad
geen botsingen plaatsvinden. Is dit wel
het geval, dan resulteert dit in een afwij
zing van het gegenereerde pad en moeten
de voorgaande planningsstappen opnieuw
worden doorlopen.
Bij de berekening van het botsingsvrij
pad kunnen alle acht de vrijheidsgraden
Figuur 6: Alten gebruikt stresstests om de performance van de
motionplanner te onderzoeken. De gekozen bewegingen waren zo
complex dat het huidige systeem ze niet kan uitvoeren.
van de stage worden gebruikt. Door het
slim kiezen van planningsgroepen is een
significante winst te behalen op zowel be
wegingstijd als benodigde berekeningstijd.
Dit is mogelijk omdat bij specifieke bewe
gingen niet altijd alle modules in de stage
hoeven te bewegen om een oplossing te
vinden. Hierdoor kan bijvoorbeeld een
groep met vijf vrijheidsgraden al volstaan.
De motionplanner laat het toe om via
parameters rekening te houden met maxi
male snelheden en versnellingen, die
overeenkomen met het echte systeem.
Hierdoor geeft de simulatie een realistisch
beeld van hoe de performance op het ech
te systeem zou zijn en kan het plan direct
worden gebruikt als setpoints voor de mo
tioncontrollers van het fysieke systeem.
Vijf keer sneller
Voor de proof of principle voor Fei heeft
Alten Mechatronics drie cases onder
zocht waarbij de stage verschillende
complexe bewegingen moest realise
ren. Een van deze cases is gebruikt als
benchmarkstudie waarin het huidige
Figuur 7: Door trajectplanning is het nu
mogelijk om de assen simultaan te laten
bewegen. Dat is een stuk sneller dan de
sequentiële aanpak van het huidige systeem.
systeem tegenover de simulatie werd
gezet. De andere twee cases zijn zoge
naamde stresstests en zijn gebruikt om
de performance van de motionplanner
te onderzoeken. Hierbij werden de meest
complexe bewegingen gevraagd van de
motionplanner, bewegingen die het hui
dige systeem niet kan uitvoeren.
Een van de stresstests is weergegeven
in Figuur 6. De stage met zijn acht vrij
heidsgraden beweegt vanuit een startcon
figuratie naar een eindconfiguratie. Hierbij
moet rekening worden gehouden met de
verschillende statische onderdelen in de
microscoopkamer zoals de Stem-detector
en de naald.
In de grafieken van Figuur 7 worden
zowel de translatie (boven) als rotatie tra
jecten (onder) per as weergegeven. Door
trajectplanning is het nu mogelijk gewor
den om niet langer sequentieel assen te
bewegen, maar ook simultaan. Hierdoor
wordt een flinke reductie behaald in de
benodigde bewegingstijd.
Voor de door Fei aangedragen cases is
aangetoond dat Altens geïmplementeerde
Ros-motionplanner het mogelijk maakt
botsingsvrije stagetrajecten te genereren.
Deze trajecten zijn, voor de benchmark
case, tot vijf keer sneller dan de huidige
implementatie. Verder is het mogelijk om
het simulatiemodel eenvoudig uit te brei
den en aan te passen waarbij het opne
men van kalibraties ook mogelijk is. Door
gebruik te maken van de Ros-trajectplan
ner is het mogelijk geworden om voor een
hightech systeem complexe bewegingen
te realiseren, te controleren op botsingen
en daarbij een veel hogere doorstroming
te realiseren.
Mark Geelen en Simon Jansen zijn
werkzaam als consultants bij Alten
Mechatronics (www.alten.nl) en leiden het
onderzoek naar industriële toepassingen
van Ros. Alten is lid van het Europese RosI-consortium.
Redactie Alexander Pil
MECHATRONICA&MACHINEBOUW 6
23

Download Report