578 ' # '4& *#5 & 6both 1current 1mode1 and 1voltage 1mode1 actuators. 1 1 3.11...

13
3,350+ OPEN ACCESS BOOKS 108,000+ INTERNATIONAL AUTHORS AND EDITORS 114+ MILLION DOWNLOADS BOOKS DELIVERED TO 151 COUNTRIES AUTHORS AMONG TOP 1% MOST CITED SCIENTIST 12.2% AUTHORS AND EDITORS FROM TOP 500 UNIVERSITIES Selection of our books indexed in the Book Citation Index in Web of Science™ Core Collection (BKCI) Chapter from the book Downloaded from: http://www.intechopen.com/books/ PUBLISHED BY World's largest Science, Technology & Medicine Open Access book publisher Interested in publishing with IntechOpen? Contact us at [email protected]

Upload: others

Post on 12-Jul-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 578 ' # '4& *#5 & 6both 1current 1mode1 and 1voltage 1mode1 actuators. 1 1 3.11 Current 1Mode 1Actuator 1 1 These 1kinds 1of 1actuators 1are 1micromechanical 1devices 1that 1 typically

3,350+OPEN ACCESS BOOKS

108,000+INTERNATIONAL

AUTHORS AND EDITORS114+ MILLION

DOWNLOADS

BOOKSDELIVERED TO

151 COUNTRIES

AUTHORS AMONG

TOP 1%MOST CITED SCIENTIST

12.2%AUTHORS AND EDITORS

FROM TOP 500 UNIVERSITIES

Selection of our books indexed in theBook Citation Index in Web of Science™

Core Collection (BKCI)

Chapter from the book Downloaded from: http://www.intechopen.com/books/

PUBLISHED BY

World's largest Science,Technology & Medicine

Open Access book publisher

Interested in publishing with IntechOpen?Contact us at [email protected]

Page 2: 578 ' # '4& *#5 & 6both 1current 1mode1 and 1voltage 1mode1 actuators. 1 1 3.11 Current 1Mode 1Actuator 1 1 These 1kinds 1of 1actuators 1are 1micromechanical 1devices 1that 1 typically

International Journal of Advanced Robotic Systems A Review of Fabrication Options and Power Electronics for Flapping-Wing Robotic Insects

Regular Paper

Chen Chen1,2, Yichao Tang2, Haoyu Wang2 and Yiding Wang1,*  1 State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, Changchun, P.R. China 2 Department of Electrical and Computer Engineering (ECE), University of Maryland, College Park, MD, U.S.A. * Corresponding author E-mail: [email protected]  Received 17 May 2012; Accepted 30 Jun 2012 DOI: 10.5772/51186 © 2013 Chen and Wang; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract Flapping‐wing robotic insects are novel micro air vehicles (MAVs)  inspired from biological  insects  in order to achieve a small size, high manoeuvrability and super  remote  ability.  Such MAVs  are  centimetre  scale ying robots with a number of applications,  including exploration,  environmental  monitoring,  rescue  and reconnaissance.  Due  to  the  strict  weight  and  power requirements  of  MAVs,  the  power  electronics topologies need to be considered seriously. This paper describes  state of  the art power electronics  topologies suitable  for  driving    This  ‐wing  robotic  insects. Comparisons are made  in  the  resulting congurations of MAVs  across  several  key metrics  to  estimate  their performance. Discussion on  the  effect of performance gains  in  various  power  electronic  topologies  are abridged and presented. 

 Keywords  Flapping‐Wing  Robotic  Insects, Micro  Air Vehicles (MAVs), Power Electronics Topologies 

  

1. Introduction  The  latest  research  shows  that  insects  were  the  first animals to evolve active flight and remain unsurpassed in many  aspects  of  aerodynamic  performance  and manoeuvrability[1]. Bionic  flapping‐wing  robotic  insects are a class of new conceptual air vehicles that take design cues  from  flying modes of  insects  in order  to  achieve  a pretty  small  size,  high  manoeuvrability  and  strong hovering  ability[2][3].  Several  implemented  prototypes  of apping‐wing robotic insects have shown good prospects, including  the Micromechanical  Flying  Insect[4]  and  the Harvard  Microrobotic  Fly  which  pioneered  in  robotic insects capable of lifting off with external power[5].  Remarkable  progress  has  been  made  with  respect  to designing  and  optimizing  the  individual  subsystems  of apping‐wing  robotic  insects,  including  aerodynamic component[6],  actuation[7],  power  electronics[8]  and fabrication  options[9].  One  of  the  critical  challenges  in MAVs’ design is the selection of actuation scheme that can provide  sufficient power  for autonomous powe. When 

1Chen Chen and Yiding Wang: A Review of Fabrication Options and Power Electronics for Flapping-Wing Robotic Insectswww.intechopen.com

ARTICLE

www.intechopen.com Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 151:2013

Page 3: 578 ' # '4& *#5 & 6both 1current 1mode1 and 1voltage 1mode1 actuators. 1 1 3.11 Current 1Mode 1Actuator 1 1 These 1kinds 1of 1actuators 1are 1micromechanical 1devices 1that 1 typically

the required characteristic dimensions of MAVs fall below 10cm,  traditional  actuators,  such  as  electromagnetic motors,  have  a  considerable  disadvantage  in  efficiency and  power  density  due  to  an  increased  dominance  of surface  effects[10]. Plenty of  alternative methods,  such  as piezoelectric[2]  and  thermal[11]  actuators,  have  been proposed for flapping‐wing robotic insects.    Compact  energy  sources  suitable  for  apping‐wing robotic  insect  applications,  such  as  lithium  batteries, supercapacitors[12], solar cells[13], as well as fuel cells[14], all generate output voltages below 5V. In addition to various kinds of mechanical performances,  the above mentioned actuation techniques have diverse electrical requirements, including  wide  variations  in  driving  voltages  and currents[15]. Therefore, MAV actuator selection and power electronic interface design are the most critical aspects for MAV design.    In  this  paper,  plenty  of MAVs with  excellent  size  and ight  actuation  principles  comparable  to  dipteran insects are  summarized based on  current and previous research. In addition, some promising power electronics topologies  are  described.  Those  topologies  which generate  high,  time‐varying  voltages  necessary  for  the operation  of  actuators,  fulfil  the  stringent  weight requirements of microrobotic systems and optimize  the system efficiency.    2. State of the Art MAVs  In  the  past  decade,  researchers  achieved  remarkable progress  in MAVs’ design. The first MAV was fabricated at MIT. With  the name  ‘Entomopter’,  this MAV utilized reciprocating  chemical  muscles  to  power  the  50g apping‐wing device. The Entomopter has an 18cm wing span  and  wing  flapping  occurs  at  a  35Hz  constant frequency[16]. A  group  in mechanical  engineering  at  the University of Maryland worked on bird‐inspired robotics research. They demonstrated  that a  flapping‐wing MAV with  folding  wings  is  able  to  fly  at  reduced  forward velocity[17]. The main features of the bird are presented as follows:  35g  low  overall weight,  57.2cm wingspan  and 5Hz  flapping  frequency.  Meanwhile,  a  team  at  the University  of Delaware  constructed  a  small  ornithopter using  rotary  and  parallel mechanisms  called Microbats, which have a 20cm wingspan, sub‐15g weight and a 38Hz flapping  frequency[18][19]. On  a  similar  scale,  researchers from  Caltech  and  Aerovironment  created  an  RC apping‐wing  MAV  based  on  novel  MEMS  wing technology to fabricate a wingframe using titanium‐alloy metal  called  the  ‘Microbat’[20][21].  The  best  free  flight durations  of  9  and  18  seconds were  achieved  by  super capacitor  powered  and  battery  powered  ornithopters, respectively. The design specifications are summarized as follows:  with  a  total  mass  of  10.6g,  15cm  wingspan, 

structure  in  resonance at 30Hz[22]. Piezoelectric actuators were  also  used  as  part  of  a  tuned  resonant  drive  for another  two‐wing  MAV  by  a  group  at  Vanderbilt University  [23].  Specifically,  this  group  utilized  three piezoelectrically actuated flexure‐based mechanisms that transform  the  linear  output  of  piezoelectric  unimorph actuators into a single‐degree‐of‐freedom flapping motion. The design specifications are summarized as follows: with a total mass of 7g, 15cm wingspan, structure in resonance at  20.5Hz. Researchers  at  the University  of  Tokyo  have mimicked buttery ight using a robot with the following specifications:  mass  0.4g,  14cm  wingspan  at  10Hz flapping frequency [24]. Researchers at U.C. Berkeley made a  tremendous  breakthrough  in  generating biologically‐inspired  wing  trajectories  using  parallel mechanisms  and  miniature  piezoelectric  PZN‐PT unimorph actuators[25][26][27]. The design specifications are summarized  as  follows:  0.1g  mass,  2.5cm  wingspan, 150Hz wingbeat  frequency.  In addition  to apping‐wing versions,  there  were  a  lot  of  attempts  at  creating centimetre‐scale  rotary‐wing  MAVs.  One  of  the  most ambitious ones was the microrobotic fly at Harvard[2][8]. The  design  specifications  are  summarized  as  follows: with  a  total  mass  of  0.06g,  2cm  wingspan,  60Hz resonance  frequency.  The  characteristics  of  the  above flapping‐wing  robotic  insects  are  shown  in  Table  1. Based on the above background introduction, MAVs are evolving  to be ultra‐small size, super‐light and  to have long flying distance. Thus, a big challenge in weight, size and power density is given to power electronics interface design. 

 

Name Mass (g) 

Wingspan (cm) 

Flapping Frequency 

(Hz) MIT  50  18  35 

Maryland  35  57.2  5 Delaware  15  20  38 Caltech  10.6  15  30 

Vanderbilt  7  15  20.5 Tokyo  0.4  14  10 

Berkeley  0.1  2.5  150 Harvard    0.06  2  60 

Table 1. Characteristics of flapping‐wing robotic insects  3. Power Electronics  According  to  the differences  in power sources and drive electronics, the actuation techniques mentioned earlier are classified into two categories. Thermal and shape memory actuators  should  be  driven  in  current  mode,  which requires  high  currents  and  relatively  low  voltages. Electrostatic, piezoelectric, as well as dielectric elastomer actuators  should  be  driven  in  voltage  mode,  which requires high voltages and low currents.    

2 Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 151:2013 www.intechopen.com

Page 4: 578 ' # '4& *#5 & 6both 1current 1mode1 and 1voltage 1mode1 actuators. 1 1 3.11 Current 1Mode 1Actuator 1 1 These 1kinds 1of 1actuators 1are 1micromechanical 1devices 1that 1 typically

In  the  above mentioned models,  a  circuit  interface with high power efficiency and density  is required to transfer energy  from  power  source  to  actuator..  This  interface usually  consists  of  power  stage  and  driving  stage.  The former  aims  to  converts  the  battery  voltage  to  some required  level.  The  goal  of  the  latter  is  to  convert  the output  of  the  power  stage  into  a  time‐varying  signal across  the  input  terminals  of  the  actuator.  This  section presents  potential  solutions  to  this  design  problem  for both current mode and voltage mode actuators. 

 3.1 Current Mode Actuator  These kinds of actuators are micromechanical devices that typically  generate  motion  through  thermal  expansion amplification. A  small  amount  of  thermal  expansion  in one part of  the device  is converted  to a  large amount of deflection  in  the  overall  device.  They  rely  on  high injection currents to increase the temperature of the active material. This process  is achieved  internally by electrical resistive heating.  In many  applications,  the drive  signal delivered to the actuator may be lower than the voltage of the power source (battery).   

 Presented  in  the  following  papers,  electro‐thermal cantilever micro actuators are broadly used  in electronic instruments such as MAVs, scanners, projectors and so on. In  reference[28],  a  CMOS  thermal  actuator  based  on inverted‐connected  metal  line  in  bimorph  design  was developed and characterized. The driving voltage for this thermal  actuator  is  between  0V  and  3V, where  the  test structure achieved a vertical displacement of 48μm at 3Vdc and calculated power of 139mW. Another electro‐thermal cantilever micro  actuator  with  large  vertical motion  at   low voltage is presented in reference[29]. With 0.5V applied voltage,  the  electro‐thermal  actuator, which  possesses  a high  quality  cantilever  and  produces  large  vertical deflection, can generate a vertical displacement of 42.9 μm. Finally, thermal actuator‐based micro tweezers with three different driving congurations were designed, fabricated and  characterized  in  reference[30].  This  illustrates  the simulated tip displacement of all the micro tweezers with a  0V~1.2V  applied  voltage  range.  Above  all,  although there  is  little  difference  in  driving  voltage,  they  are between 0V and 3V.   

 Because  the  output  voltage  of  a  conventional  buck converter  (input  voltage  comes  from  single‐cell  lithium polymer battery with a nominal voltage of 3.7V) is too low to drive electro‐thermal cantilever micro actuators. So the conventional  boost  converter  becomes  impractical  in those  cases. Two alternative  techniques are presented  to achieve  low  voltages  in  a  compact  package:  a  cascade buck  converter[31]  and  a  tapped  inductor  buck converter[32].  

 Figure 1. N‐stage cascade buck converter  One of the feasible ways to convert the battery voltage to the expected value is to use an n‐stage cascade connection of  conventional  converters with  a  single  active  switch. This makes it useful for tasks converting the 3.7 V typical battery  voltage  down  to  the  few  volts  needed  by the electro‐thermal  actuators.  One  of  the  major advantages  of  these  converters  is  their  high  gain. However, a drawback  is  that  the  total efficiency may be low  if  the number of stages  is high, since switching  loss dominates  the power  losses. An  interesting scheme  is  to have n‐converters connected in cascade with single active switch.  The  required  switching  elements  are:  an  active switch  (Power  MOSFET)  and  2n‐1  passive  switches (diodes). This class of converters can be used only when the required number of stages is not very large. Otherwise the efficiency will deteriorate. The topology of an n‐stage cascade buck converter is shown in figure 1.  Another feasible topology named a tapped inductor buck converter is presented in figure 2. From this figure we can see  that  the  output  voltage  to drive  thermal  actuator  is obtained  from  conversion  of  lithium  polymer  batteries’ input  voltage.  This  circuit  utilizes  a  tapped  inductor operated by one main switch  to achieve high gain, with the  square  of  turn  ratio  between  the  primary  and secondary windings.   

 Figure 2. Tapped inductor buck converter  Some  comparative  evaluations  of  the  available  two topologies are shown in Table 2.  

 n‐stage cascade buck converter 

Tapped inductor buck converter 

Inductor  n  1 Capacitor  n  1 Diode  2n‐1  1 Switch  1  1 

Gain  nD DD )()( 11N

D  

Table  2.  Some  comparative  evaluations  of  the  available  two topologies 

3Chen Chen and Yiding Wang: A Review of Fabrication Options and Power Electronics for Flapping-Wing Robotic Insectswww.intechopen.com

Page 5: 578 ' # '4& *#5 & 6both 1current 1mode1 and 1voltage 1mode1 actuators. 1 1 3.11 Current 1Mode 1Actuator 1 1 These 1kinds 1of 1actuators 1are 1micromechanical 1devices 1that 1 typically

Table 2 shows that a tapped inductor buck converter uses fewer components than an n‐stage cascade buck converter, however, difficulties mainly lie in circuit fabrication, since a  commercial  tapped  inductor  is  not  available  on  the market at present. Furthermore, both  feasible  topologies have  lower gain than the traditional buck converter. The latter  one  depends  on  the  turn  ratio.  For  a  better understanding in the gain of the two different topologies, we use n=2 in an n‐stage cascade buck converter and N=7 in a tapped inductor buck converter, the graph of the two topologies’ gain is shown in figure 3 and the gain graph of the traditional buck converter is also illustrated. 

 

 Figure 3. Graph of three topologies’ gain  

Figure 4. Efficiency curves of two topologies  Due  to  the strict power efficiency requirement of MAVs, the  efficiency  of  those  two  circuits  was  simulated  as shown  in  figure 4 using a hard switching operation. For the former circuit, the higher the output power, the higher the  efficiency  we  can  obtain  where  the  increasing tendency  of  efficiency  is  subjected  to exponential distributions, but  total efficiency may be  low depending 

on  the number of stages. Actually,  the efficiency can get nearly  70%  under  0.5mW  output  power.  For  the  latter topology,  with  85%  maximum  efficiency,  the  average efficiency  is  higher  than  82%  which  a  nearly  3% improvement  compared  with  a  conventional  buck converter.   

 3.2 Voltage mode piezoelectric actuators  The  power  electronics  circuit  must  be  capable  of converting  the  low  input  voltage  from  fullriver  lithium polymer batteries to a high output voltage, which works as the drive signal to power a piezoelectric actuator. The drive  signal must  be  unipolar  in  order  to  achieve  high deection  in  the  actuator  without  depolarizing  the piezoelectric layers[7]. Such kinds of actuators require high voltages, nearly hundreds of volts, aiming at producing sufficient electrostatic forces or high electric elds. Unlike current mode actuators, where voltage gains are unlikely to  exceed  10,  voltage  mode  actuators  may  necessitate voltage gains of up  to  several hundred. Moreover,  since only a part of the  input electrical energy  is converted by the actuator into mechanical output, it is highly desirable for  the  drive  electronics  to  be  capable  of  recovering unused  energy  from  the  actuator  for use  in  subsequent actuation cycles. 

 Due  to  losses  in  the  inductor  and  switching  transistor, operating  at  a  very  high  duty  cycle,  the  conventional boost  converter  becomes  impractical.  Five  alternative techniques  are  presented  to  achieve  high  voltages  in  a compact  package:  a  voltage  multiplier  hybrid  boost converter,  a  tapped  inductor  boost  converter,  a positive output  cascade  boost  converter,  a  high  conversion  ratio boost  converter  and  a  power  amplier  using  a piezoelectric transformer[15]. 

 A  feasible hybrid voltage multiplier  is a boost converter consisting  of  a  classic  boost  converter  circuit  cascaded with a switched‐capacitor charge pump circuit.  It can be used to generate AC or pulse voltages ranging from a few volts  for  electronic  appliances,  to  millions  of  volts  for purposes  such  as  high‐energy  physics  experiments  and lightning safety testing, the topology is shown in figure 5, which  is  a  realized  method  to  drive  piezoelectric microrobots[10] and electrostatic MEMS devices[33].   

 Operating  in  a  regime  of  high  efficiency,  the  boost converter  stage  provides  a moderate  boost  to  the  input voltage, while its pulsed output naturally charges up the capacitor  ladder  through  the  diodes.  The  charge  pump multiplies  the  boost  converter’s  output  voltage.  Ideally, the voltage gain equals the number of charge pump stages. Each  additional  stage of  two diodes  and  two  capacitors double  the  peak  AC  supply  voltage.  The  maximum output power  is  limited by  the  size of  the charge pump 

4 Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 151:2013 www.intechopen.com

Page 6: 578 ' # '4& *#5 & 6both 1current 1mode1 and 1voltage 1mode1 actuators. 1 1 3.11 Current 1Mode 1Actuator 1 1 These 1kinds 1of 1actuators 1are 1micromechanical 1devices 1that 1 typically

capacitors and  the maximum output power of  the boost converter.  Figure 5 depicts  the proposed  topology.  It  is an n‐levels DC–DC converter based on one switch, 2n+1 diodes and 2n capacitors. One advantage of  the  topology  is  that  the number  of  levels  can  be  extended  by  only  adding capacitors and diodes, and the main circuit does not need to be modied.  The  lowest  part  of  the  converter,  figure  5,  is  the conventional DC–DC  boost  converter. Thus,  the  voltage gain  equals  the  gain  of  a  conventional  boost  converter. The  difference  between  the  hybrid  voltage  multiplier boost  converter  and  the  conventional  one  is  that  in  the hybrid voltage multiplier, the output is VO times n, where n  is  the converter’s number of  levels  taking  into account the zero level. This behaviour is achieved since the voltage multiplier in the boost converter’s output is driven by the only switch in the converter.  

 Figure 5. Hybrid voltage multiplier boost converter  Changing the inductor in the classic boost converter to a tapped  inductor,  as  shown  in  figure  6,  results  in  a combination of  the boost and yback voltage converter topologies[34]. As can be observed,  the change  from  the traditional  boost  converter  is  not  significant,  but  the boosting capability is increased considerably as it will be shown.  Voltage  gain  is  therefore  determined  by  the switching  duty  cycle  and  the  turn  ratio  of  the transformer. 

 Figure 6. Tapped inductor boost convertor  The voltage lift (VL) technique is widely used in electronic circuit  design.  It  has  been  successfully  employed  in DC/DC  converter  applications  in  recent  years  and inspired  the  design  of  high  voltage  gain  converters. Three‐series  Luo‐converters[35–43]  are  examples  of  VL technique  implementations.  Their  output  voltage increases  stage‐by‐stage  along  the  arithmetic progression[40–42].  The  super‐lift  technique  increases  the voltage transfer gain. Despite the high circuit complexity, positive output super‐lift Luo‐converters produce output voltage stage‐by‐stage along the geometric progression[35]. This  section  introduces  positive  output  cascade  boost converters that implement the output voltage increase in a simple geometric progression. It also effectively enhances the  voltage  transfer  gain  in  power‐law  terms.  To concentrate on the super‐lift function, we need to focus on the two‐stage boost circuit, which sufficiently satisfies the demand of driving piezoelectric actuators due to its high gain.  The  two‐stage  boost  circuit  is  derived  from  the elementary  boost  converter  by  cascading.  The  circuit diagram is shown in figure 7. 

Figure 7. Cascade boost converter  Figure  8  shows  the  circuit  configuration  of  high conversion  ratio  boost  converter.  It  is  used  to  transfer energy from the DC source Vin in the low voltage side to the  DC  source  Vo  in  the  high  voltage  side. When  the proposed  converter  is  operating  in  the  boost mode,  the circuit  characteristic  is  cascaded  by  the  boost  converter and flyback converter with the voltage doubled [44] [45].    A  piezoelectric  transformer  (PT)  is  characterized  to  be most feasible power convertor and has been widely used in actuators and  sensors. The principle of operation  is a combined function of actuators and sensors so that energy can be transformed through mechanical vibration [46]. The operation principle of PT is that the “primary” side of the 

5Chen Chen and Yiding Wang: A Review of Fabrication Options and Power Electronics for Flapping-Wing Robotic Insectswww.intechopen.com

Page 7: 578 ' # '4& *#5 & 6both 1current 1mode1 and 1voltage 1mode1 actuators. 1 1 3.11 Current 1Mode 1Actuator 1 1 These 1kinds 1of 1actuators 1are 1micromechanical 1devices 1that 1 typically

PT  excites  mechanical  oscillations  in  the  piezoelectric material, while the “secondary” side generates a voltage. PT  geometries  suitable  for  step‐up  applications  are described in[47].    

 Figure 8. High conversion ratio boost converter  Generally,  PT  has  to  operate  close  to  the  mechanical resonance frequency in order to obtain high voltage gain and  power  efficiency.  Its  equivalent  electrical  circuit  is shown in figure 9(a). The gain of a PT is pretty high under low loads, making it a good solution for the high voltage, low current voltage mode actuators [15].    

Vin

L

QRL

VOCD

D

PT

( a )

( b )

Cin

LCo

1:nC R

Figure 9. (a) Piezoelectric transformer equivalent circuit (b) Class “E” power amplifier topology  

Figure 9(b) shows the Class “E” resonant topology with fewer  additional  components  than  other  power convertor topologies. The inductor is selected to resonate with  the  input capacitance Cin of  the PT at a  frequency close  to  the  mechanical  resonance  frequency[48].  This topology transfers energy to PT from the inductor in the primary side when the switch is off. The switch is turned off again as soon as the voltage across Cin rings decline to zero[48]. Regulation of the output voltage  is achieved by varying the switching frequency.  Some  comparative  evaluations  of  the  available  five topologies are shown in Table 3.  According  to Table  3,  a  hybrid  voltage multiplier  boost converter has n  times gain  in  contrast  to a  conventional boost  converter,  since  it uses n  times voltage multiplier. The disadvantage of  this  topology  is  its  large  size, high weight  and  low  efficiency  (caused  by  the  multiplier). However,  it  is  commonly  used  in  hundreds  of  volts voltage  output  because  it  is  easily  fabricated.  Since  a tapped inductor boost converter can achieve the boosting capability without  a  high duty  cycle,  good  efficiency  is obtained. To achieve high voltage gains, this method has a much  smaller  parts  number  than  the  hybrid  voltage multiplier  boost  converter. However,  the  rectier  diode and output capacitor must be rated for the output voltage. Additionally,  a  custom  transformer  may  be  required, since no commercial parts below 10g could be identied. As can be observed  in Table 3, an n‐stage cascade boost converter  has  a  higher  gain  than  the  traditional  boost converter. The gain also depends on  the  switching duty cycle. With this simple converter, a high boosting function can  be  obtained.  As  illustrated  in  Table  3,  a  high conversion ratio boost converter can get high voltage gain by increasing the turns ratio of the coupled‐inductor. This converter has the same disadvantage as a tapped inductor boost  converter,  the  customized  transformer  is  a  critical factor and hard to fabricate. Due to the simple geometries, a  piezoelectric  transformer  is  better  than  a  magnetic transformer as  it has potential  in milligram‐scale power actuator design. 

 Hybrid voltage 

multiplier Tapped inductor boost convertor 

N‐stage boost circuit 

High conversion ratio boost converter 

Piezoelectric transformer 

Inductor  1  1  n  1  1 Capacitor  2n  1  n  3  1 Diode  2n+1  1  n+1  3  2 Switch  1  1  1  1  1 

Gain D-1

D-11DN   n

D-11

)(   D-11N   Fixed ( 100 ) 

Table 3. Some comparative evaluations of the available five topologies  

6 Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 151:2013 www.intechopen.com

Page 8: 578 ' # '4& *#5 & 6both 1current 1mode1 and 1voltage 1mode1 actuators. 1 1 3.11 Current 1Mode 1Actuator 1 1 These 1kinds 1of 1actuators 1are 1micromechanical 1devices 1that 1 typically

To  get  a  better  understanding  in  the  performances  of those  five  different  topologies,  we  set  n=3  in  hybrid voltage  multiplier  boost  converter,  N=7  in  tapped inductor boost converter, n=2  in cascade boost converter and N=7  in  high  conversion  ratio  boost  converter.  The graph of five topologies’ gain is shown in figure 10. 

 

 Figure 10. The graph of five topologies’ gain  

Figure 11. Efficiency curves of five topologies  Furthermore, we  stimulated all  five different  topologies, the efficiency curves are shown in figure 11. With regard to  a  hybrid  voltage  multiplier,  the  higher  the  output power, the higher the efficiency we can obtain. However, the  increasing  tendency  of  efficiency  is  subjected to exponential  distributions. Actually,  the  efficiency  can reach  nearly  55%  under  the  0.5mW  output  power.  The tapped inductor boost convertor was optimized for 0.1‐0.5 W output power. As a result, the peak efficiency occurring in this operating region is 72.3%. The n‐stage boost circuit was optimized for 0.1‐1 W output power. As a result, the peak efficiency occurring in this operating region is 90%. The  high  conversion  ratio  boost  converter  has  the  best 

efficiency  of  the  total  five  different  topologies.  The maximum  converter  efficiency  is  about  94%  and  the efficiency at full load 0. 5W is 90.9%. The efficiency of the piezoelectric  transformer  is  nearly  95%. Apparently,  the overall efficiency of the piezoelectric transformer is better than other four different topologies with the same power supply specification as above.  3.3 Voltage mode dielectric actuators  Dielectric  elastomers (DEs)  are electrically  actuated   material devices which produce  large deformation when a high driving voltage is applied to the electrode. Owing to  their  simple  operating  principle,  dielectric  elastomer actuators  (DEAs)  transform  electric  energy directly  into mechanical deformation. DEAs which are light in weight   have  a  high  elastic  energy  density  and  have  been investigated  in  many  potential  applications,  such  as robotics,  power  generation  and  sensing  of  force  and pressure.    As presented  in  the  following papers, DEAs are broadly used  in  electronic  instruments  in  our  daily  life.  In reference[49], a thin dielectric lm is produced using fully automated  fabrication  which  can  offer  the  possibility MAV application. The drive voltage for this dielectric lm is 600V,  far below 1kV, where  the  corresponding  typical dynamic  deformation  is  30μm.  Another  mm‐size dielectric  elastomer  actuator  chip on Pyrex  is  fabricated using low energy metal ion implantation[50]. This actuator is capable of out‐of‐plane displacement up  to 250μm  for 2mm diameter devices at 600V driving voltage. Finally, a conclusion was made about  the 1KV driving voltages of dielectric elastomer actuators15].  Since voltage conversion from single‐cell lithium polymer batteries to a voltage which can drive dielectric elastomer actuators  is  so  high,  the  conventional  boost  converter becomes  impractical  in  these  cases.  There  is  a  feasible circuit which can achieve nearly 1KV voltage output with compact  package[51].  The  two‐stage  double  boost converter is shown in figure 12 which is derived from the two‐stage  boost  circuit  by  adding  a  Double/Enhance Circuit (DEC) in each stage circuit.   

Figure 12. Two‐stage double boost converter  Some evaluations of a  two‐stage double boost  converter are shown in Table 4. 

7Chen Chen and Yiding Wang: A Review of Fabrication Options and Power Electronics for Flapping-Wing Robotic Insectswww.intechopen.com

Page 9: 578 ' # '4& *#5 & 6both 1current 1mode1 and 1voltage 1mode1 actuators. 1 1 3.11 Current 1Mode 1Actuator 1 1 These 1kinds 1of 1actuators 1are 1micromechanical 1devices 1that 1 typically

Two-stage double boost converter

Inductor 2 Capacitor 7

Diode 7 Switch 1

Gain 2)1

2(D

Table 4. Some evaluations of a two‐stage double boost converter  The voltage gain of a two‐stage double boost converter is rather high by a combining cascade boost converter and a hybrid voltage multiplier boost converter. The gain graph is shown in figure 13.  

Figure 13. The gain of a two‐stage double boost converter  The efficiency curve of a two‐stage double boost circuit is shown  in  figure  14. Owing  to power  loss by utilizing  a couple  of diodes  and  capacitors  and  two  inductors,  the maximum efficiency is 54.1% and the efficiency is nearly 44% with 500mW output power.  

Figure 14. Efficiency curve of a two‐stage double boost circuit 

3.4 DC to AC converter  As  mentioned  earlier,  these  converters  are  all  DC‐DC converters, where  the  output  is  high  enough  to drive  a piezoelectric actuator. Actually, if we want the wing of the robotic  insect  to  begin  to  flap,  an  arbitrary  unipolar driving voltage should be provided. A method which can obtain  highly  efficiency  energy  recovery  from  the vibration of the wing is presented using one inductor, two extra switches and two self‐timed turning‐off diodes with capacitive  load[52].  However,  this  only  focuses  on  the charge  recovery  of  the  piezoelectric  actuator  with quasi‐square wave. Another  feasible method  is  to utilize LC  resonance  to  get  arbitrary  driving  wave.  [8].  This topology, termed a switching amplifier driver, is shown in figure  15.  After  applying  a  sequence  of  charge  and discharge  pulses  to Q1  and Q2  at  appropriate  times,  an arbitrary waveform can be generated at Va. Unlike[52], only a  small  amount  of  energy  is  transferred  during  each switching cycle, which could be utilized to minimum the size of the inductor.  

   Figure 15. Switching amplifier driver with LC  Furthermore,  the  simulated  traces  of  output  voltage  at node Va, which drives two bimorph actuators, is shown in figure  16.  Here,  the  input  voltage  is  200V,  the  driving voltage of node Va is 200V sinusoidal signal at 100Hz with 100V bias voltage.  

Figure 16. Simulation result of switching amplifier driver with LC  The alternate solution is to use a half‐bridge to generate a PWM output. An RC network, consisting of a resistor and capacitors, is paralleled with the actuator to filter the high frequency harmonics of  the output. An arbitrary output waveform could be obtained. This  topology  is shown  in figure 17. 

8 Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 151:2013 www.intechopen.com

Page 10: 578 ' # '4& *#5 & 6both 1current 1mode1 and 1voltage 1mode1 actuators. 1 1 3.11 Current 1Mode 1Actuator 1 1 These 1kinds 1of 1actuators 1are 1micromechanical 1devices 1that 1 typically

Figure 17. Switching amplifier driver with RC  The simulation result  is shown  in  figure 18.  In  this case, the  conduction  loss  of  the  resistor  would  reduce  the conversion efficiency by 50%.    

Figure 18. Simulation result of switching amplifier driver with RC  4. Circuit Fabrication Options  The  printed circuit  board  (PCB)  can  take  a  signicant percentage  of  the  weight  in  flapping‐wing  robotic insects[2]. A digital controller section is not required in this application. Lightweight printed  circuit boards  could be fabricated  by  bonding  a  layer  of  copper‐laminated polymer  lms  (e.g.,  DuPont  Pyralux)  over  the  entire polytetrafluoroethylene  substrate  on  both  sides.  The density could be as low as 5mg/cm2.  Since circuit component packaging can account for nearly 90% of an MAV actuator’s weight, it is highly desirable to use  bare  die  or  chip‐scale  packaging  to  replace conventionally  packaged  components.  Chip‐scale components  are  robust  and  could  be  soldered conveniently. Wire could be bonded directly to the circuit substrate. However, encapsulation  is usually required  to protect the fragile bond wires. So power electronic circuit components  must  be  seriously  considered  with  low packaging overhead.  This  section will  describe  the  fabrication  process  of  the above circuit in detail. The circuit described in figure 1 is implemented by discrete components on a PCB. From a circuit  designer’s  perspective,  the  discrete  components consist of a rectifier diode, a capacitor, an inductor and an n‐MOSFET.  In previous work,  low voltage drop  rectifier diodes  have  been  successfully  implemented  using schottkey  barrier  diodes,  which  are  commercially 

available. We can utilize surface mount schottkey barrier diodes  with  SOT‐23  packaging  in  order  to  reduce  the whole board size. Furthermore, non‐polarized capacitors with  0603  SMT  package  are  selected  to  decrease  the voltage ripple on both sides of output. The inductor in the n‐stage  cascade  buck  converter  uses  shielded  power inductors bought from Coilcraft. Due to the size limitation, an n‐channel enhancement mode MOSFET‐ FQT1N80TF bought  from Fairchild Semiconductor with SOT‐23 SMT package  is  selected.  For  the  tapped  inductor  buck converter,  all  components  during  fabrication  except  the tapped inductor are the same as the n‐stage cascade buck converter. With respect to the tapped inductor, a gapped E‐core fabricated by CNC Laser Cutting using 8040 ferrite material  from  eMachineShop  is  chosen.  We  use  the highest coupling coefcient winding strategy to fabricate the  inductor  with  150μH  inducance,  high  coupling coefcient of 0.9, as well as 15mg weight.  The  comparative  characteristic  parameters  of  the  above two different topologies are shown in Table 5.    As for the voltage mode piezoelectric actuator, due to size limitation,  the  n‐channel  enhancement  mode MOSFET‐DMG3414U  from  Diodes  Incorporation  with SOT‐23 SMT package is chosen. The inductor in the boost convertor  uses  a  47μH  shielded  power  inductor  from Coilcraft,  which  ensures  good  EMI  performance  and normal  operation  of  the  circuit.  The  hybrid  voltage multiplier  boost  converter  achieves  higher  efficiency  at low  output  power.  On  the  other  hand,  the autotransformer  converter  outperforms  in  its  low components number and higher output current, as well as high  power  density.  It  should  also  be  noted  that  this hybrid converter has 5% output voltage regulation.  

 N‐stage cascade buck converter 

Tapped inductor buck converter 

Inductor Size  2×2×0.6 mm  2×1.5×1 mm Inductor Value  22 μH  50 μH 

Inductor Weight 

12 mg  15 mg 

Switching Frequency 

40 KHz  50 KHz 

Size (Board Area) 

1.4 cm2  0.5 cm2 

Weight  95 mg  60 mg Power Level  500 mW  500 mW Power Density  5263 W/kg    8300 W/kg 

Table  5.  The  characteristic  parameters  of  above  two  current mode topologies    All the components in figure 6 show the tapped inductor have  the  same  package.  Laser  ablation  is  a  rapid  and non‐contact  method  to  pattern[53]  and  cut[54]  ferrite materials.  This  makes  it  attractive  to  micromachine 

9Chen Chen and Yiding Wang: A Review of Fabrication Options and Power Electronics for Flapping-Wing Robotic Insectswww.intechopen.com

Page 11: 578 ' # '4& *#5 & 6both 1current 1mode1 and 1voltage 1mode1 actuators. 1 1 3.11 Current 1Mode 1Actuator 1 1 These 1kinds 1of 1actuators 1are 1micromechanical 1devices 1that 1 typically

planar  ferrite cores of arbitrary geometry.  In particular, E‐cores  are  a  promising  option  to  replace  the  bobbin cores  used  in  previous  work,  since  they  could  be machined  from  planar  sheets  of  ferrite,  thus  easily allowing  precise  control  of  inductance  and  enabling good magnetic  coupling  between windings.  Although E‐cores are not fully self‐shielding, they have better EMI characteristics  than  unshielded  bobbin  cores.  To manufacture tapped inductors, an air gap is introduced to short the centre leg of the E. Unlike a bobbin core, this conguration places the air gap in the middle of the coil, which reduces EMI. In previous work, a diode‐pumped solid‐state  (DPSS)  laser micromachining system  is used to  fabricate  gapped  E‐cores  from  sheets  of  ferrite  that have been  thinned down  to a  required  thickness. With refocusing,  the  laser  can  cut  samples  over  500μm  in thickness.  So we  adopt  a  gapped  E‐core  fabricated  by laser micromachining the 8040 ferrite material from TSC Ferrite  International.  It  should  also  be  noted  that  the autotransformer  converter  has  better  output  voltage regulation (less than 1% variation vs. 5% for the hybrid converters).  The  main  factor  to  be  considered  in  the  choice  of component  in  the  cascade  boost  converter  is  utilizing high voltage endurance components. So the component’s size should be larger than the other topologies.  The critical component we should pay attention to with regard to the high conversion ratio boost converter is the coupled inductor. Due to the strict character requirement of MAVs, we  also use E‐cores  to  fabricate  the  coupled inductor.    Efforts are made to realize a PT‐based voltage converter. Rosen  type PTs with 3.6  cm2  and weighing  50mg have been fabricated[48][55]. At the time of writing, the voltage gain  of  the  fabricated  PTs  is  close  to  50,  which  is sufficient  for  the  target  application.  Future  work  will 

focus  on  attempting  to  boost  the  voltage  gain  using high‐Q piezoelectric materials and varying PT geometry.  The comparison of parameters among the previous five voltage  actuator  circuits  are  summarized  in  the following Table 6.  The  component  choice  of  a  two‐stage  double  boost converter  should  focus  on  finding  super  high  voltage endurance  components.  Thus,  this  increases  the converter size and decreases the remote ability of MAVs. The  characteristic parameters of voltage mode dielectric actuator topologies are shown in the following Table 7.  5. Summary  This  paper  discusses  system‐level  modelling  of apping‐wing robotic insects with a focus on state of the art MAVs,  power  source,  power  electronics  topologies and  circuit  component  fabrication  options.  Current mode  actuators  and  voltage  mode  actuators  were presented  in  detail.  Thermal  and  shape  memory actuators  driven  in  current  mode  are  suitable  for applying  in  larger  size  than  piezoelectric  actuators  in ultra  light  MAVs.  Furthermore,  the  design  and fabrication  of  ultra  light  high  voltage  power  circuits suitable  for  driving  piezoelectric  actuators  in  wing r‐wing  robotic  insects  are  discussed.  Piezoelectric actuator  drive  methods  and  circuit  topologies  are described.  Techniques  for  implementing  these topologies  at minimal weight  are  presented,  including the fabrication of custom magnetic components by laser micromachining.  These  results  present  some  possible solutions  for  the creation of an  insect‐sized MAV and a signicant  step  towards  the  realization of  autonomous ying microrobots. This also highlights  the  importance of research paths such as the development of miniature power  electronics  topologies  and  the  creation  of appropriate fabrication options for MAVs. 

 

 Hybrid voltage multiplier boost 

converter 

Tapped inductor boost convertor 

Cascade boost converter 

High conversion ratio boost converter 

Piezoelectric transformer 

Inductor Size 3.0mm×3.0mm 

×1.5mm 2.0 mm×2.0 mm 

×1 mm 3.0mm×3.0mm

×1.5mm 2.0 mm×2.0 mm 

×1 mm 3.0mm×3.0mm 

×1.4mm Inductor Value  47 μH  50 μH  75 μH  37μH  37μH Inductor Weight  45 mg  15 mg  52 mg  41 mg  40 mg 

Switching Frequency  40 KHz  60 KHz  40 KHz  50 KHz  332 kHz Size (Board Area)  1.2 cm2  0.5 cm2  1.4 cm2  0.6 cm2  3.6 cm2 

Weight  80 mg  60 mg  85 mg  65 mg  50 mg Power Level  350 mW  500 mW  500 mW  500 mW  6 W Power Density  4375 W/kg  8300 W/kg  5882 W/kg  7692 W/kg  120,000 W/kg 

Table 6. The characteristics parameters of above five voltage mode topologies   

10 Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 151:2013 www.intechopen.com

Page 12: 578 ' # '4& *#5 & 6both 1current 1mode1 and 1voltage 1mode1 actuators. 1 1 3.11 Current 1Mode 1Actuator 1 1 These 1kinds 1of 1actuators 1are 1micromechanical 1devices 1that 1 typically

 N‐stage cascade buck converter 

Inductor Size  3×3×1.2 mm Inductor Value  82 μH Inductor Weight  16 mg 

Switching Frequency 

40 KHz 

Size (Board Area)  2.2 cm2 Weight  146 mg 

Power Level  500 mW Power Density  3424 W/kg   

Table 7. The characteristic parameters of voltage mode dielectric actuators topologies    6. References  [1]  M.  H.  Dickinson,  F.  O.  Lehmann,  and  S.  P.  Sane, 

ʺWing  rotation  and  the  aerodynamic basis of  insect flight,ʺ Science, vol. 284, pp. 1954‐1960, Jun 18 1999. 

[2]  J.  P.  W.  M.  Karpelson,  G.‐Y.  Wei,  and  R.J.  Wood, ʺDesign  and  Fabrication  of Ultralight High‐Voltage Power  Circuits  for  Flapping‐Wing  Robotic  Insects,ʺ presented  at  the  Applied  Power  Electronics  Conf., Fort Worth, TX, 2011. 

[3]  Yu  Hou and Jianyi  Kong,  ʺBionic  Flying  Robot: Design,  Fabrication  and  Experiment,ʺ  Intelligent Robotics and Applications, vol. 5315, pp. 188‐196, 2008. 

[4]  S. Avadhanula,  ʺDesign,  fabrication,  and  control  of the micromechanical ying insect,ʺ Ph.D. dissertation, U. C. Berkeley, 2006. 

[5]  R.  J. Wood,  ʺLiftoff of a 60mg apping‐wing MAV,ʺ presented  at  the  IEEE/RSJ  Int.  Conf.  on  Intelligent Robots and Systems, San Diego, CA, 2007. 

[6]  J.  P. Whitney  and  R.  J. Wood,  ʺAeromechanics  of passive  rotation  in  flapping  flight,ʺ  Journal  of  Fluid Mechanics, vol. 660, pp. 197‐220, Oct 10 2010. 

[7]  R. J. Wood, E. Steltz, and R. S. Fearing, ʺOptimal energy density  piezoelectric  bending  actuators,ʺ  Sensors  and Actuators a‐Physical, vol. 119, pp. 476‐488, Apr 13 2005. 

[8]  Michael Karpelson, Gu‐Yeon Wei and Robert J. Wood, ʺMilligram‐scale  high‐voltage  power  electronics  for piezoelectric  microrobots,ʺ  presented  at  the  IEEE International  Conference  on  Robotics  and Automation, Kobe, Japan, 2009. 

[9]  H. Tanaka and R. J. Wood, ʺFabrication of corrugated artificial  insect  wings  using  laser  micromachined molds,ʺ Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 20, Jul 2010. 

[10] M. S. E. Steltz, S. Avadhanula, and R.S. Fearing, ʺPower Electronics  Design  Choice  for  Piezoelectric Microrobots,ʺ presented at the International Conference on Intelligent Robots and Systems, Beijing, China, 2006. 

[11] J. H. M. L. Ho‐Yin Chan, and Wen J. Li, ʺA Biomimetic Flying Silicon Microchip: Feasibility Study,ʺ presented at the IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, Shenyang, China, 2004. 

[12] A. Schneuwly, ʺCharge ahead,ʺ Power Engineer, vol. 19, pp. 34‐37, Feb‐Mar 2005. 

[13] S. H. C. L. Bellew, and K. S. J. Pister, ʺAn SOI Process for  Fabrication  of  Solar  Cells,  Transistors,  and Electrostatic  Actuators,ʺ  presented  at  the  12th International Conf. on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems, Boston, MA, 2003. 

[14] A.  Wilhelm,  B.  W.  Surgenor,  and  J.  G.  Pharoah, ʺEvaluation of a Micro Fuel Cell as Applied to a Mobile Robot,ʺ  presented  at  the  IEEE  Int. Conf. Mecharonics and Automation, Niagara Falls, Canada, 2005. 

[15] Michael Karpelson, Gu‐Yeon Wei and Robert J. Wood, ʺA  Review  of  Actuation  and  Power  Electronics Options  for  Flapping‐Wing  Robotic  Insects,ʺ presented  at  the  IEEE  International  Conference  on Robotics and Automation, Pasadena, CA, USA, 2008. 

[16] R. Michelson,  “The  Entomopter,” Neurotechnology  for Biomimetic Robots: The MIT Press, 2002. 

[17] D. Mueller, J. Gerdes, and S.K. Gupta, ʺIncorporation of passive wing  folding  in  flapping wing miniature air vehicles,ʺ presented at the ASME Mechanism and Robotics Conference, San Diego, 2009. 

[18] R.  Madangopal,  Z.  A.  Khan,  and  S.  K.  Agrawal, ʺBiologically  inspired design of small  flapping wing air  vehicles  using  four‐bar  mechanisms  and quasi‐steady  aerodynamics,ʺ  Journal  of  Mechanical Design, vol. 127, pp. 809‐816, Jul 2005. 

[19] S.  K.  A.  Zaeem,  A.  Khan,  ʺDesign  of  Flapping Mechanisms  Based  on  Transverse  Bending Phenomena  in  Insects,ʺ  presented  at  the  IEEE International  Conference  on  Robotics  and Automation, Orlando, Florida, 2006. 

[20] T. Nick Pornsin‐sirirak, S.W. Lee and H. Nassef, ʺMEMS wing  technology  for  a  battery‐powered  ornithopter,ʺ presented  at  the  13th  IEEE  Annual  International Conference on MEMS, Miyazaki, Japan, 2000. 

[21] M. Keennon and  J. Grasmeyer,  ʺDevelopment of  the Black Widow and Microbat MAVs and a vision of the future  of  MAV  design,ʺ  presented  at  the  AIAA International  Air  and  Space  Symposium  and Exposition: The Next 100 Years, Dayton, Ohio, 2003. 

[22] T. N. Pornsin‐sirirak, Y. C. Tai, H. Nassef, and C. M. Ho,  ʺTitanium‐alloy MEMS wing  technology  for  a micro  aerial  vehicle  application,ʺ  Sensors  and Actuators a‐Physical, vol. 89, pp. 95‐103, Mar 20 2001. 

[23] A.  Cox,  D. Monopoli,  D.  Cveticanin, M.  Goldfarb, and  E. Garcia,  ʺThe  development  of  elastodynamic components  for  piezoelectrically  actuated  flapping micro‐air  vehicles,ʺ  Journal  of  Intelligent  Material Systems and Structures, vol. 13, pp. 611‐615, Sep 2002. 

[24] K. H. Hiroto Tanaka, Kiyoshi Matsumoto, and, ʺFlight dynamics of a butterfly‐type ornithopter,ʺ presented at the  IEEE/RSJ  International Conference  on  Intelligent Robots and Systems, Tokyo Univ., Japan 2005   

[25] R. W. J. Yan, S. Avadhanula, and M. S. amd R.S. Fearing, ʺTowards flapping wing control for a micromechanical 

11Chen Chen and Yiding Wang: A Review of Fabrication Options and Power Electronics for Flapping-Wing Robotic Insectswww.intechopen.com

Page 13: 578 ' # '4& *#5 & 6both 1current 1mode1 and 1voltage 1mode1 actuators. 1 1 3.11 Current 1Mode 1Actuator 1 1 These 1kinds 1of 1actuators 1are 1micromechanical 1devices 1that 1 typically

flying  insect,ʺ  presented  at  the  IEEE  Int.  Conf.  on Robotics and Automation, Seoul,Korea, 2001. 

[26] R. W. S. Avadhanula, E. Steltz, J. Yan and R. Fearing, ʺLift  force  improvements  for  the  micromechanical ying insect,ʺ presented at the IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, Las Vegas, Nevada, 2003. 

[27] R. J. W. S Avadhanula, D Campolo and R S Fearing, ʺDynamically  tuned  design  of  the  MFI  thorax,ʺ presented  at  the  IEEE  Int.  Conf.  Robotics  and Automation (ICRA), Washington, DC, 2002. 

[28] C. L. Kah How Koh, Jyun‐Hong Lu and Chii‐Chang Chen  ʺDevelopment  of  CMOS  MEMS  thermal bimorph actuator for driving microlens,ʺ presented at the 2011 International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics (OMN), Istanbul, 2011. 

[29]  Y. W. Xiaobo Zhang, X. Miao, C. Zhang and G. Ding, ʺAn Electro‐thermal SU‐8 Cantilever Micro Actuator based on Bimorph Effect,ʺ presented at the the 2010 5th IEEE International Conference  on Nano/Micro  Engineered and Molecular Systems, Xiamen, China, 2010. 

[30] J. K. Luo, A.  J. Flewitt, S. M. Spearing, N. A. Fleck, and W. I. Milne, ʺComparison of microtweezers based on  three  lateral  thermal  actuator  configurations,ʺ Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 15, pp. 1294‐1302, Jun 2005. 

[31] M.  G.  Ortiz‐Lopez,  J.  Leyva‐Ramos,  E.  E. Carbajal‐Gutierrez,  and  J.  A.  Morales‐Saldana, ʺModelling  and  analysis  of  switch‐mode  cascade converters  with  a  single  active  switch,ʺ  Iet  Power Electronics, vol. 1, pp. 478‐487, Dec 2008. 

[32] J. W. Weiming  Lin,  J. Huang  and  Y.  Xu,  ʺA Novel Tapped  Inductor  Bi‐directional  Buck‐Boost Topology,ʺ  presented  at  the  the  30th  International Telecommunications Energy, San Diego, CA, 2008. 

[33]  J. F. Saheb, J. F. Richard, M. Sawan, R. Meingan, and Y. Savaria, ʺSystem integration of high voltage electrostatic MEMS  actuators,ʺ Analog  Integrated Circuits  and Signal Processing, vol. 53, pp. 27‐34, Oct 2007. 

[34] ʺSmall,  high‐voltage  boost  converters,ʺ  M. Semiconductor, Ed., ed, 2002. 

[35] F. L. Luo, and Ye, H, Advanced DC/DC Converters (Power Electronics and Applications Series): CRC Press, 2003. 

[36] F.  L.  Luo,  and  Ye,  H,  ʺPositive  output  super‐lift Luo‐converters,ʺ presented at  the  IEEE  International Conference PESC, Cairns, Australia, 2002. 

[37] F.  L.  Luo,  and  Ye,  H,  ʺNegative  output  super‐lift Luo‐converters,ʺ  presented  at  the  IEEE  Int.  Conf. PESC, Acapulco, Mexico, 2003. 

[38] F.  L.  Luo,  and  Ye,  H,  ʺPositive  output  super‐lift converters,ʺ Ieee Transactions on Power Electronics, vol. 18, pp. 105‐113, Jan 2003. 

[39] F.  L.  Luo,  and  Ye,  H,  ʺNegative  output  super‐lift converters,ʺ Ieee Transactions on Power Electronics, vol. 18, pp. 1113‐1121, Sep 2003. 

 

[40] F. L. Luo, ʺPositive output Luo converters: voltage lift technique,ʺ  Iee Proceedings‐Electric Power Applications, vol. 146, pp. 415‐432, Jul 1999. 

[41] F. L. Luo,  ʺNegative output Luo  converters: voltage lift  technique,ʺ  Iee  Proceedings‐Electric  Power Applications, vol. 146, pp. 208‐224, Mar 1999. 

[42] F. L. Luo, ʺNegative Output Luo‐Converters, Voltage Lift Technique,ʺ presented at  the  IET Electric Power Applications, Tornoto, Canada, 1999. 

[43] F. Luo, H. Ye, and M. H. Rashid, ʺMultiple‐quadrant Luo‐converters,ʺ  Iee  Proceedings‐Electric  Power Applications, vol. 149, pp. 9‐18, Jan 2002. 

[44] T. M. Chen, and C. L. Chen, ʺAnalysis and design of asymmetrical  half  bridge  flyback  converter,ʺ  Iee Proceedings‐Electric  Power  Applications,  vol.  149,  pp. 433‐440, Nov 2002. 

[45] G.  Y.  Jeong,  ʺHigh  efficiency  asymmetrical half‐bridge  flyback  converter  using  a  new voltage‐driven  synchronous  rectifier,ʺ  Iet  Power Electronics, vol. 3, pp. 18‐32, Jan 2010. 

[46] C.  Y.  Lin,  ʺDesign  and  Analysis  of  Piezoelectric Transformer Converters,ʺ Ph.D, Virginia Polytechnic Institute and State University, 1997. 

[47] K. Uchino, B. Koc, P. Laoratanakul, and A. V. Carazo, ʺPiezoelectric  transformers  ‐  New  perspective,ʺ Ferroelectrics, vol. 263, pp. 1391‐1400, 2001. 

[48] A.  D.  Enrico Dallago,  Giulio  Ricotti  and  Giuseppe Venchi,  ʺSingle  chip,  Low  Supply  Voltage Piezoelectric  Transformer  Controller,ʺ  presented  at the  29th  European  Solid‐State  Circuits  Conference (ESSCIRC03), Estoril, Portugal, 2003. 

[49] P. Lotz, M. Matysek, and H. F. Schlaak,  ʺFabrication and Application of Miniaturized Dielectric Elastomer Stack  Actuators,ʺ  Ieee‐Asme  Transactions  on Mechatronics, vol. 16, pp. 58‐66, Feb 2011. 

[50] S. Rosset, Dubois, P.,Niklaus, M. and Shea, H.R., ʺLarge stroke  miniaturized  dielectric  elastomer  actuators,ʺ presented at the Transducers 2009, Denver, CO, 2009. 

[51] F. L. Luo and H. Ye,  ʺPositive output  cascade boost converters,ʺ Iee Proceedings‐Electric Power Applications, vol. 151, pp. 590‐606, Sep 2004. 

[52] D.  Campolo, M.  Sitti,  and  R.  S.  Fearing,  ʺEfficient charge  recovery  method  for  driving  piezoelectric actuators with quasi‐square waves,ʺ  Ieee Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control, vol. 50, pp. 237‐244, Mar 2003. 

[53] A. C. Tam, W. P. Leung, and D. Krajnovich, ʺExcimer Laser Ablation of Ferrites,ʺ Journal of Applied Physics, vol. 69, pp. 2072‐2075, Feb 15 1991. 

[54] A. Kruusing, S. Leppavuori, A. Uusimaki, B. Petretis, and  O.  Makarova,  ʺMicromachining  of  magnetic materials,ʺ Sensors and Actuators a‐Physical, vol. 74, pp. 45‐51, Apr 20 1999. 

[55] R.  Erickson,  ʺDc‐Dc  Power  Converters,ʺ  Wiley Encyclopedia  of  Electrical  and  Electronics  Engineering, vol. 5, pp. 53‐63, 1999.

12 Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 151:2013 www.intechopen.com