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微操作机器人系统的研究开发

时间:2012-01-04 来源:www.dqjsw.com.cn 编辑:电气自动化技术网 点击:次 字体设置:

 微操作系统作为MEMS研究领域的一个重要分支受到各发达国家的高度重视,纷纷投入大量资金进行微操作机器人系统的研究,现已研制出多种各具特色的微操作机器人实验样机系统。 

 

    自1993年起,在国家自然科学基金资助下,北京航空航天大学开始从事微操作机器人的研究,研究内容主要集中于各单元技术。经过几年的技术储备,研究重点开始由各单元技术转向系统集成及应用,如微操作系统的数学模型、微动仿生机构综合理论、基于图像的视觉伺服理论、精细微操作系统的光-机-电集成设计方法等,并把生物工程作为微操作机器人系统的主要应用领域。 

    把生物工程作为微操作机器人的应用领域,目的可以解释为2点:①从应用层面说,目标相当明确地界定在“面向生物工程”上,如细胞操作、基因转移、染色体切割等,希望给下一世纪中国的“绿色革命”带来推动作用。②从技术层面说,定位在基于显微视觉全局闭环的计算机伺服自动协调作业上。长远观之,其相关技术与微加工、微电子、显微医学等可触类旁通。 

    1、微动并联机器人 
    
    “微动并联机器人的研制”课题研制了1台六自由度微动机器人,以其为核心建立了一套包括三自由度粗动平台、显微视觉系统、控制系统及周边辅助设备的实验平台,并重点围绕微操作机器人的机构选型、误差分析、显微视觉及系统标定等方面做了较深入的研究。具体阐述如下: 
    
    (1) 通过对国内外微动机构的分析与综合,设计出了创意独特、两级解耦的串并联微动机器人,这在微动机器人领域尚属首例。 
此串并联微动机器人有六个自由度,由上(3RPS机构)、下(3RRR机构)两机构并联串接而成,它具有上下机构运动解耦,运动学、动力学及误差分析简便,控制成本低,加速度大,可完成粗调、细调2种功能等特点。其具体技术指标如下:外形尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,工作空间为40 μm×40 μm×24 μm,运动分辨率为0.2 μm。 
   
    (2) 为了合理地分配精度,充分评估各项误差对末端执行器位姿的影响,我们利用矢量分析的方法建立了串并联机构结构参数误差与位姿误差的数学模型,分析了各项结构误差对末端位姿的影响程度,并得出了若干对微操作机器人设计、加工及安装有普遍指导意义的结论。 
    
    (3) 对压电陶瓷驱动器的驱动特性、柔性铰链的机械性能、微动机器人末端位姿的选择、微动机器人的控制方式及图像处理等问题,做了较深入的研究,积累了许多有参考价值的经验。 
    
    (4) 提出了对实验环境的若干改进措施。 

    2、面向生物工程的微操作机器人系统 
    
    大多数工业机器人是按照给定的程序做简单重复的动作(如焊接、装配、搬运等),不需要太强的智能。而对于微操作机器人来说,情况就有很大不同。因为被操作对象十分微小,操作人员不可能十分清楚它们的精确位置,况且外界环境的变化使得它们的相对位置不定,微观世界里的物理法则及力学特性与宏观世界也大相径庭,这就要求机器人有很强的自动识别能力和决策能力。同时,温度变化、机械振动、噪声波动、机械蠕变等不稳定因素扰动,以及非线性微动特性、传递累积误差的影响,也使得微操作机器人必须具有很强的自我调整能力(即自我实时标定及补偿能力)。因此微操作机器人必须与其它仪器设备组合成一套光机电高度集成的系统,方能进行显微操作。 
    
    北京航空航天大学机器人研究所正在研制的用于细胞操作的微操作机器人系统包括倒置生物显微镜、粗动平台、左操作手、右操作手、摄像头、图像处理单元、控制系统、人机交互接口等。 
    
    本系统采用全局闭环控制方法,即将显微视觉作为反馈控制源参与伺服控制形成视觉伺服反馈控制系统。系统的具体运作方式解释如下:活体细胞或染色体悬浮在培养液内,左右微操作机器人对称地安装在显微镜机架上,毛细玻璃管与毛细玻璃针等操作工具作为机器人的末端执行器(毛细玻璃管用于捕捉与固定细胞,毛细玻璃针用于细胞的切割、注射等)。首先,在显微视觉伺服的控制下,玻璃管、玻璃针及被操作对象将自动地调整到显微镜的焦平面内。左机器人完成活体细胞的捕捉与固定,右机器人完成切割、注射等精细操作。整个操作过程都在显微视觉的监视下完成,即图像处理单元实时地处理分析采集的图像信息(如细胞、玻璃管、玻璃针之间的相对位姿,细胞核在细胞内的位置等),并变成控制信号输送给控制器,机器人在控制器的命令下实时地对细胞进行追踪、捕捉、注射、转移等,直至完成整个操作过程。在进行显微注射时,外源基因或染色体或蛋白质的注射量的多少也是在显微视觉及注射装置的共同监控下完成的。整个操作过程通过显微镜、摄像头、监视器实时再现出来,供科研人员进行分析研究。在出现意外的情况下,操作者可根据图像信息,通过人机交互接口对系统进行遥控操作。被操作对象的选取是由操作者通过人机交互接口完成的。 
    
    在研制本系统过程中,已取得以下阶段性成果: 
    
    (1) 利用螺旋理论,对微动并联机构的型综合问题进行了较深入的研究,并给出了几种并联机构型综合的新方法。 
    
    (2) 选用Delta三自由度并联机构作为微操作机器人机构,并结合微操作的特点,对其进行了运动学分析、工作空间优化、误差分析及动态特性分析。作为微操作系统的核心部分,微操作机器人机构应具有外形小、工作可达域相对较大、驱动精细、有很高的定位精度与精度稳定性、良好的动态特性等特点。Delta微动并联机构基本迎合了这些要求。它的外形尺寸为100 mm×100 mm×100 m,工作空间约为500 μm×500 μm×400 μm,运动分辨率约为80 nm。 

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