Entwicklung eines drahtlosen Kommunikationssystems zur Kommando- und Datenübertragung zwischen Mikrorobotern und ihrer Steuerungseinheit

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein Mikroroboter-Kommunikationssystem entwickelt, das mobile, drahtlose, cm³-große Mikroroboter mit der Steuerungseinheit einer flexiblen, mikroroboterbasierten Mikromanipulationsstation verbindet. Um insbesondere die durch Skalierungseffekte ausgelösten Unwägbarkeiten bei der Handhabung und Manipulation von Mikroobjekten auszugleichen, setzen Mikromanipulations-Tischstationen vermehrt auf kooperierenden Mikrorobotereinsatz durch mobile, möglichst nur wenige Kubikzentimeter kleine Mikroroboter. Gegenwärtige Tischstationen sind jedoch noch weit davon entfernt, auf autonome, zu Inferenzprozessen fähige Mikroroboter mit Nanometerpräzision zurückgreifen zu können. Daher ist eine informationstechnische Anbindung der Mikroroboter an eine übergeordnete Manipulationsplanungs- und -steuerungseinheit durch ein drahtloses, für den Multirobotereinsatz geeignetes Kommunikationssystem unbedingt erforderlich. Nach Ableitung eines Anforderungskatalogs, der die Komplexität mikroroboterbasierter Mikromanipulationsstationen einerseits und die Einschränkungen aufgrund der stark miniaturisierten Mikrorobotersysteme andererseits berücksichtigt, wurden verschiedene Kommunikationsverfahren und —standards verglichen. Darauf basierend wurde ein Kommunikationssystem konzipiert und umgesetzt, welches drahtlosen, mobilen Mikrorobotern in Mikromanipulationsstationen eine möglichst robuste und schnelle Datenübertragung bei geringem Energiebedarf bietet. Herzstück bildet ein neu entwickeltes ASIC-Modul, das in jede Mikroroboterelektronik entweder in Form eines Hybrids oder aber direkt in einen Mikroroboter-Kontroll-ASIC integriert werden kann. Da sich das für den Multirobotereinsatz konzipierte Kommunikationssystem an bereits in der Industrie etablierten Standards orientiert, bietet es interessante Konzepte und Lösungsansätze, um unter Beachtung der Entwicklungs- und Herstellungskosten die Integration in Mikromanipulations-Tischstationen der neusten Generation ebenso wie die Adaption an bereits bestehende Mikromanipulatoren zu erleichtern.

Within the scope of this dissertation a communication system for micro-robots was developed that links mobile wireless micro-robots of cm3 size with the control unit of a versatile, micro-robot-based micromanipulation station. In particular with a view to offsetting scale effects triggered by imponderables when handling and manipulating micro-objects, micro-manipulation table stations are turning increasingly towards cooperating micro-robot solutions utilizing mobile micro-robots of preferably just a few cubic centimetres in size. However, table stations are presently far from being able to turn to autonomous, inference-process capable micro-robots working to nanometre precision. Consequently, it is imperative to have a data link connecting the micro-robots to a higher-level manipulation planning and controlling unit by means of a wireless communication system that is suitable for deployment in multi-robot solutions. Various communication systems and standards were compared after drawing up a catalogue of requirements that takes into consideration the complexity of micro-robot-based micro-manipulation stations on the one hand and the restrictions arising from highly miniaturized micro-robotic systems on the other. This then formed the basis for the design and implementation of a communication system that offers robust and fast data transmissions in conjunction with low energy requirements for wireless mobile micro-robots deployed in micro-manipulations stations. At its core is a newly developed ASIC module that can be integrated in any micro-robot electronics as a hybrid solution or even directly in a micro-robot control ASIC. And because the communication system, which is designed for use in multi-robot solutions, is oriented on established standards it offers interesting concepts and approaches to solutions that allow integration in the latest generation of micro-manipulation table stations as equally as adaptation to legacy micro-manipulators whilst at the same time taking into account the costs for development and manufacturing.