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A Fresh Insight Into the Microcantilever-Sample Interaction Problem in Non-Contact Atomic Force Microscopy / Jalili, Nader in Transactions of the ASME . Journal of dynamic systems, measurement, and control, Vol. 126 N° 2 (Juin 2004)

Public ISBD [article]  in Transactions of the ASME . Journal of dynamic systems, measurement, and control > Vol. 126 N° 2 (Juin 2004) . - 327-335 p. Titre : A Fresh Insight Into the Microcantilever-Sample Interaction Problem in Non-Contact Atomic Force Microscopy Titre original : Aperçu Frais du Problème en Porte-à-Faux Micro d'Interaction d'Echantillon dans la Microscopie Atomique de non Contact de Force Type de document : texte imprimé Auteurs : Jalili, Nader, Auteur ; Dadfarnia, Mohsen, Auteur ; Dawson, Darren, M., Auteur Article en page(s) : 327-335 p. Note générale : Génie Mécanique Langues : Anglais (eng) Mots-clés : Microscope  de  force  Système  atomique  Force  intermoléculaire  Microscopie  de  perçage  Evaluation  atomique  Système  dimensionnel Index. décimale : 629.8 Résumé : The atomic force microscope (AFM) system has evolved into a useful tool for direct measurements of intermolecular forces with atomic-resolution characterization that can be employed in a broad spectrum of applications. The non-contact AFM offers unique advantages over other contemporary scanning probe techniques such as contact AFM and scanning tunneling microscopy, especially when utilized for reliable measurements of soft samples (e.g., biological species). Current AFM imaging techniques are often based on a lumped-parameters model and ordinary differential equation (ODE) representation of the micro-cantilevers coupled with an adhoc method for atomic interaction force estimation (especially in non-contact mode). Since the magnitude of the interaction force lies within the range of nano-Newtons to pica-Newtons, precise estimation of the atomic force is crucial for accurate topographical imaging. In contrast to the previously utilized lumped modeling methods, this paper aims at improving current AFM measurement technique through developing a general distributed-parameters base modeling approach that reveals greater insight into the fundamental characteristics of the microcantilever-sample interaction. For this, the governing equations of motion are derived in the global coordinates via the Hamilton's Extended Principle. An interaction force identification scheme is then designed based on the original infinite dimensional distributed-parameters system which, in turn, reveals the unmeasurable distance between AFM tip and sample surface. Numerical simulations are provided to support these claims. Le système atomique du microscope de force (AFM) s'est transformé en un outil utile pour des mesures directes des forces intermoléculaires avec la caractérisation d'atomique-résolution qui peut être utilisée dans un large éventail les applications. Les avantages uniques d'offres de non contact d'AFM par rapport à l'autre balayage contemporain sondent des techniques telles que le contact AFM et la microscopie de perçage d'un tunnel de balayage, particulièrement une fois utilisés pour des mesures fiables des échantillons mous (par exemple, espèces biologiques). Des techniques courantes de formation image d'AFM sont souvent basées sur des lumped-paramètres modèlent et représentation ordinaire d'équation (ODE) du micro-cantilevers couplée à une méthode d'adhoc pour l'évaluation atomique de force d'interaction (particulièrement en mode de non contact). Puisque l'importance de la force d'interaction se trouve en dessous de la marge de nano-newtons à pica-Newton, l'évaluation précise de la force atomique est cruciale pour la formation image topographique précise. Contrairement au précédemment utilisé lumped modelant des méthodes, cet article vise à améliorer la technique courante de mesure d'AFM en développant une approche modelante basse de distribuer-paramètres généraux qui indique une plus grande perspicacité dans les caractéristiques fondamentales de l'interaction d'microcantilever-échantillon. Pour ceci, les équations régissantes du mouvement sont dérivées dans les coordonnées globales par l'intermédiaire du principe prolongé de Hamilton. Un arrangement d'identification de force d'interaction est alors conçu basé sur le système dimensionnel infini original de distribuer-paramètres qui, alternativement, indique la distance immensurable entre le bout d'AFM et la surface témoin. Des simulations numériques sont fournies pour soutenir ces réclamations. [article] A Fresh Insight Into the Microcantilever-Sample Interaction Problem in Non-Contact Atomic Force Microscopy = Aperçu Frais du Problème en Porte-à-Faux Micro d'Interaction d'Echantillon dans la Microscopie Atomique de non Contact de Force [texte imprimé] / Jalili, Nader, Auteur ; Dadfarnia, Mohsen, Auteur ; Dawson, Darren, M., Auteur . - 327-335 p. Génie Mécanique Langues : Anglais (eng) in Transactions of the ASME . Journal of dynamic systems, measurement, and control > Vol. 126 N° 2 (Juin 2004) . - 327-335 p. Mots-clés : Microscope  de  force  Système  atomique  Force  intermoléculaire  Microscopie  de  perçage  Evaluation  atomique  Système  dimensionnel Index. décimale : 629.8 Résumé : The atomic force microscope (AFM) system has evolved into a useful tool for direct measurements of intermolecular forces with atomic-resolution characterization that can be employed in a broad spectrum of applications. The non-contact AFM offers unique advantages over other contemporary scanning probe techniques such as contact AFM and scanning tunneling microscopy, especially when utilized for reliable measurements of soft samples (e.g., biological species). Current AFM imaging techniques are often based on a lumped-parameters model and ordinary differential equation (ODE) representation of the micro-cantilevers coupled with an adhoc method for atomic interaction force estimation (especially in non-contact mode). Since the magnitude of the interaction force lies within the range of nano-Newtons to pica-Newtons, precise estimation of the atomic force is crucial for accurate topographical imaging. In contrast to the previously utilized lumped modeling methods, this paper aims at improving current AFM measurement technique through developing a general distributed-parameters base modeling approach that reveals greater insight into the fundamental characteristics of the microcantilever-sample interaction. For this, the governing equations of motion are derived in the global coordinates via the Hamilton's Extended Principle. An interaction force identification scheme is then designed based on the original infinite dimensional distributed-parameters system which, in turn, reveals the unmeasurable distance between AFM tip and sample surface. Numerical simulations are provided to support these claims. Le système atomique du microscope de force (AFM) s'est transformé en un outil utile pour des mesures directes des forces intermoléculaires avec la caractérisation d'atomique-résolution qui peut être utilisée dans un large éventail les applications. Les avantages uniques d'offres de non contact d'AFM par rapport à l'autre balayage contemporain sondent des techniques telles que le contact AFM et la microscopie de perçage d'un tunnel de balayage, particulièrement une fois utilisés pour des mesures fiables des échantillons mous (par exemple, espèces biologiques). Des techniques courantes de formation image d'AFM sont souvent basées sur des lumped-paramètres modèlent et représentation ordinaire d'équation (ODE) du micro-cantilevers couplée à une méthode d'adhoc pour l'évaluation atomique de force d'interaction (particulièrement en mode de non contact). Puisque l'importance de la force d'interaction se trouve en dessous de la marge de nano-newtons à pica-Newton, l'évaluation précise de la force atomique est cruciale pour la formation image topographique précise. Contrairement au précédemment utilisé lumped modelant des méthodes, cet article vise à améliorer la technique courante de mesure d'AFM en développant une approche modelante basse de distribuer-paramètres généraux qui indique une plus grande perspicacité dans les caractéristiques fondamentales de l'interaction d'microcantilever-échantillon. Pour ceci, les équations régissantes du mouvement sont dérivées dans les coordonnées globales par l'intermédiaire du principe prolongé de Hamilton. Un arrangement d'identification de force d'interaction est alors conçu basé sur le système dimensionnel infini original de distribuer-paramètres qui, alternativement, indique la distance immensurable entre le bout d'AFM et la surface témoin. Des simulations numériques sont fournies pour soutenir ces réclamations.

A Lyapunov-Based Piezoelectric Controller for Flexible Cartesian Robot Manipulators / Dadfarnia, Mohsen in Transactions of the ASME . Journal of dynamic systems, measurement, and control, Vol. 126 N° 2 (Juin 2004)

Public ISBD [article]  in Transactions of the ASME . Journal of dynamic systems, measurement, and control > Vol. 126 N° 2 (Juin 2004) . - 247-358 p. Titre : A Lyapunov-Based Piezoelectric Controller for Flexible Cartesian Robot Manipulators Titre original : Contrôleur Piézoélectrique Lyapunov-Basé pour les Manipulateurs Cartésiens Flexibles de Robot Type de document : texte imprimé Auteurs : Dadfarnia, Mohsen, Auteur ; Jalili, Nader, Auteur ; Xian, Bin ; Dawson, Darren, M. Article en page(s) : 247-358 p. Note générale : Génie Mécanique Langues : Anglais (eng) Mots-clés : Stratégie  Lyapunov  Manipulateur  cartésien  de  robot  Faisceau  en  porte-à-faut  flexible  Déclancheur  piézoélectrique  Déclancheur  linéaire  Stabilité  Contrôleur  de  temps  fini  Oscillation  résiduelle Index. décimale : 629.8 Résumé : A Lyapunov-based control strategy is proposed for the regulation of a Cartesian robot manipulator, which is modeled as a flexible cantilever beam with a translational base support. The beam (arm) cross-sectional area is assumed to be uniform and Euler-Bernoulli beam theory assumptions are considered. Moreover, two types of damping mechanisms; namely viscous and structural dampings, are considered for the arm material properties. The arm base motion is controlled utilizing a linear actuator, while a piezoelectric (PZT) patch actuator is bonded on the surface of the flexible beam for suppressing residual beam vibrations. The equations of motion for the system are obtained using Hamilton's principle, which are based on the original infinite dimensional distributed system. Utilizing the Lyapunov method, the control force acting on the linear actuator and control voltage for the PZT actuator are designed such that the base is regulated to a desired set-point and the exponential stability of the system is attained. Depending on the composition of the controller, some favorable features appear such as elimination of control spillovers, controller convergence at finite time, suppression of residual oscillations and simplicity of the control implementation. The feasibility of the controller is validated through both numerical simulations and experimental testing. On propose une stratégie Lyapunov-basée de commande pour le règlement d'un manipulateur cartésien de robot, qui est modelé pendant qu'un faisceau en porte-à-faux flexible avec un appui bas de translation. On assume que la section de faisceau (bras) est uniforme et des prétentions de théorie de faisceau d'Euler-Bernoulli sont considérées. D'ailleurs, deux types d'atténuer des mécanismes ; à savoir des dampings visqueux et structuraux, sont considérés pour les propriétés de matériel de bras. Le mouvement de base de bras est commandé utilisant un déclencheur linéaire, alors qu'un déclencheur piézoélectrique de la pièce rapportée (PZT) est collé sur la surface du faisceau flexible pour supprimer des vibrations résiduelles de faisceau. Les équations du mouvement pour le système sont obtenues en utilisant le principe de Hamilton, qui sont basées sur le système réparti dimensionnel infini original. Utilisant la méthode de Lyapunov, la force de commande agissant sur le déclencheur linéaire et la tension de commande pour le déclencheur de PZT sont conçues tels que la base est réglée à un de point de consigne désiré et la stabilité exponentielle du système est atteinte. Selon la composition du contrôleur, quelques dispositifs favorables apparaissent comme l'élimination des débordements de commande, la convergence de contrôleur au temps fini, la suppression des oscillations résiduelles et la simplicité de l'exécution de commande. La praticabilité du contrôleur est validée par des simulations numériques et l'essai expérimental. [article] A Lyapunov-Based Piezoelectric Controller for Flexible Cartesian Robot Manipulators = Contrôleur Piézoélectrique Lyapunov-Basé pour les Manipulateurs Cartésiens Flexibles de Robot [texte imprimé] / Dadfarnia, Mohsen, Auteur ; Jalili, Nader, Auteur ; Xian, Bin ; Dawson, Darren, M. . - 247-358 p. Génie Mécanique Langues : Anglais (eng) in Transactions of the ASME . Journal of dynamic systems, measurement, and control > Vol. 126 N° 2 (Juin 2004) . - 247-358 p. Mots-clés : Stratégie  Lyapunov  Manipulateur  cartésien  de  robot  Faisceau  en  porte-à-faut  flexible  Déclancheur  piézoélectrique  Déclancheur  linéaire  Stabilité  Contrôleur  de  temps  fini  Oscillation  résiduelle Index. décimale : 629.8 Résumé : A Lyapunov-based control strategy is proposed for the regulation of a Cartesian robot manipulator, which is modeled as a flexible cantilever beam with a translational base support. The beam (arm) cross-sectional area is assumed to be uniform and Euler-Bernoulli beam theory assumptions are considered. Moreover, two types of damping mechanisms; namely viscous and structural dampings, are considered for the arm material properties. The arm base motion is controlled utilizing a linear actuator, while a piezoelectric (PZT) patch actuator is bonded on the surface of the flexible beam for suppressing residual beam vibrations. The equations of motion for the system are obtained using Hamilton's principle, which are based on the original infinite dimensional distributed system. Utilizing the Lyapunov method, the control force acting on the linear actuator and control voltage for the PZT actuator are designed such that the base is regulated to a desired set-point and the exponential stability of the system is attained. Depending on the composition of the controller, some favorable features appear such as elimination of control spillovers, controller convergence at finite time, suppression of residual oscillations and simplicity of the control implementation. The feasibility of the controller is validated through both numerical simulations and experimental testing. On propose une stratégie Lyapunov-basée de commande pour le règlement d'un manipulateur cartésien de robot, qui est modelé pendant qu'un faisceau en porte-à-faux flexible avec un appui bas de translation. On assume que la section de faisceau (bras) est uniforme et des prétentions de théorie de faisceau d'Euler-Bernoulli sont considérées. D'ailleurs, deux types d'atténuer des mécanismes ; à savoir des dampings visqueux et structuraux, sont considérés pour les propriétés de matériel de bras. Le mouvement de base de bras est commandé utilisant un déclencheur linéaire, alors qu'un déclencheur piézoélectrique de la pièce rapportée (PZT) est collé sur la surface du faisceau flexible pour supprimer des vibrations résiduelles de faisceau. Les équations du mouvement pour le système sont obtenues en utilisant le principe de Hamilton, qui sont basées sur le système réparti dimensionnel infini original. Utilisant la méthode de Lyapunov, la force de commande agissant sur le déclencheur linéaire et la tension de commande pour le déclencheur de PZT sont conçues tels que la base est réglée à un de point de consigne désiré et la stabilité exponentielle du système est atteinte. Selon la composition du contrôleur, quelques dispositifs favorables apparaissent comme l'élimination des débordements de commande, la convergence de contrôleur au temps fini, la suppression des oscillations résiduelles et la simplicité de l'exécution de commande. La praticabilité du contrôleur est validée par des simulations numériques et l'essai expérimental.