畢樹生 宗光華 摘自：中國(guó)機(jī)械工程
[F,s=,S'M {]7 lh#M 微機(jī)械電氣系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)這一前沿技術(shù)主要涵蓋以下研究專題：①集成化微型儀器與傳感器；②微加工與測(cè)試技術(shù)；③微操作系統(tǒng)。
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CC/ 微操作系統(tǒng)作為MEMS研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支受到各發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，紛紛投入大量資金進(jìn)行微操作機(jī)器人系統(tǒng)的研究，現(xiàn)已研制出多種各具特色的微操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)［1］。
H" pwIiC ~yRKNH* M 自1993年起，在國(guó)家自然科學(xué)基金資助下，北京航空航天大學(xué)開始從事微操作機(jī)器人的研究，研究?jī)?nèi)容主要集中于各單元技術(shù)。經(jīng)過幾年的技術(shù)儲(chǔ)備，研究重點(diǎn)開始由各單元技術(shù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成及應(yīng)用，如微操作系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、微動(dòng)仿生機(jī)構(gòu)綜合理論、基于圖像的視覺伺服理論、精細(xì)微操作系統(tǒng)的光-機(jī)-電集成設(shè)計(jì)方法等，并把生物工程作為微操作機(jī)器人系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。
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Km 把生物工程作為微操作機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，目的可以解釋為2點(diǎn)：①?gòu)膽?yīng)用層面說，目標(biāo)相當(dāng)明確地界定在“面向生物工程”上，如細(xì)胞操作、基因轉(zhuǎn)移、染色體切割等，希望給下一世紀(jì)中國(guó)的“綠色革命”帶來推動(dòng)作用。②從技術(shù)層面說，定位在基于顯微視覺全局閉環(huán)的計(jì)算機(jī)伺服自動(dòng)協(xié)調(diào)作業(yè)上。長(zhǎng)遠(yuǎn)觀之，其相關(guān)技術(shù)與微加工、微電子、顯微醫(yī)學(xué)等可觸類旁通。
J@4 Z+l9 =MmAn jo 1 微動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人［2］
;, @Fz 7wbpQ&1_ “微動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的研制”課題研制了1臺(tái)六自由度微動(dòng)機(jī)器人，以其為核心建立了一套包括三自由度粗動(dòng)平臺(tái)、顯微視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及周邊輔助設(shè)備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并重點(diǎn)圍繞微操作機(jī)器人的機(jī)構(gòu)選型、誤差分析、顯微視覺及系統(tǒng)標(biāo)定等方面做了較深入的研究。具體闡述如下：
CG!9{&F aq^OzKP? (1) 通過對(duì)國(guó)內(nèi)外微動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析與綜合，設(shè)計(jì)出了創(chuàng)意獨(dú)特、兩級(jí)解耦的串并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人，這在微動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域尚屬首例。
^8g<>, $ 1#vi]CX 此串并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人有六個(gè)自由度,由上(3RPS機(jī)構(gòu))、下(3RRR機(jī)構(gòu))兩機(jī)構(gòu)并聯(lián)串接而成［2］，它具有上下機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦，運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及誤差分析簡(jiǎn)便，控制成本低，加速度大，可完成粗調(diào)、細(xì)調(diào)2種功能等特點(diǎn)。其具體技術(shù)指標(biāo)如下：外形尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，工作空間為40 μm×40 μm×24 μm，運(yùn)動(dòng)分辨率為0.2 μm。
[](] "r OI^qX;#Kd (2) 為了合理地分配精度，充分評(píng)估各項(xiàng)誤差對(duì)末端執(zhí)行器位姿的影響，我們利用矢量分析的方法建立了串并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差與位姿誤差的數(shù)學(xué)模型，分析了各項(xiàng)結(jié)構(gòu)誤差對(duì)末端位姿的影響程度，并得出了若干對(duì)微操作機(jī)器人設(shè)計(jì)、加工及安裝有普遍指導(dǎo)意義的結(jié)論。
zhI"++ i6:O9Km (3) 對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)特性、柔性鉸鏈的機(jī)械性能、微動(dòng)機(jī)器人末端位姿的選擇、微動(dòng)機(jī)器人的控制方式及圖像處理等問題，做了較深入的研究，積累了許多有參考價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。
(+bt{Ma p$XvVzW#< (4) 提出了對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的若干改進(jìn)措施�！�
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2 面向生物工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng)
M{XBmDfN 7<93n`byM 大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人是按照給定的程序做簡(jiǎn)單重復(fù)的動(dòng)作(如焊接、裝配、搬運(yùn)等)，不需要太強(qiáng)的智能。而對(duì)于微操作機(jī)器人來說，情況就有很大不同。因?yàn)楸徊僮鲗?duì)象十分微小，操作人員不可能十分清楚它們的精確位置，況且外界環(huán)境的變化使得它們的相對(duì)位置不定，微觀世界里的物理法則及力學(xué)特性與宏觀世界也大相徑庭，這就要求機(jī)器人有很強(qiáng)的自動(dòng)識(shí)別能力和決策能力。同時(shí)，溫度變化、機(jī)械振動(dòng)、噪聲波動(dòng)、機(jī)械蠕變等不穩(wěn)定因素?cái)_動(dòng)，以及非線性微動(dòng)特性、傳遞累積誤差的影響，也使得微操作機(jī)器人必須具有很強(qiáng)的自我調(diào)整能力(即自我實(shí)時(shí)標(biāo)定及補(bǔ)償能力)。因此微操作機(jī)器人必須與其它儀器設(shè)備組合成一套光機(jī)電高度集成的系統(tǒng)，方能進(jìn)行顯微操作。
ZBc8 ^QZ ,GF(pCZzG 北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所正在研制的用于細(xì)胞操作的微操作機(jī)器人系統(tǒng)包括倒置生物顯微鏡、粗動(dòng)平臺(tái)、左操作手、右操作手、攝像頭、圖像處理單元、控制系統(tǒng)、人機(jī)交互接口等。
>Qs{LEsLb ' # 612iZo 本系統(tǒng)采用全局閉環(huán)控制方法，即將顯微視覺作為反饋控制源參與伺服控制形成視覺伺服反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的具體運(yùn)作方式解釋如下：活體細(xì)胞或染色體懸浮在培養(yǎng)液內(nèi)，左右微操作機(jī)器人對(duì)稱地安裝在顯微鏡機(jī)架上，毛細(xì)玻璃管與毛細(xì)玻璃針等操作工具作為機(jī)器人的末端執(zhí)行器(毛細(xì)玻璃管用于捕捉與固定細(xì)胞，毛細(xì)玻璃針用于細(xì)胞的切割、注射等)。首先，在顯微視覺伺服的控制下，玻璃管、玻璃針及被操作對(duì)象將自動(dòng)地調(diào)整到顯微鏡的焦平面內(nèi)。左機(jī)器人完成活體細(xì)胞的捕捉與固定，右機(jī)器人完成切割、注射等精細(xì)操作。整個(gè)操作過程都在顯微視覺的監(jiān)視下完成，即圖像處理單元實(shí)時(shí)地處理分析采集的圖像信息(如細(xì)胞、玻璃管、玻璃針之間的相對(duì)位姿，細(xì)胞核在細(xì)胞內(nèi)的位置等)，并變成控制信號(hào)輸送給控制器，機(jī)器人在控制器的命令下實(shí)時(shí)地對(duì)細(xì)胞進(jìn)行追蹤、捕捉、注射、轉(zhuǎn)移等，直至完成整個(gè)操作過程。在進(jìn)行顯微注射時(shí)，外源基因或染色體或蛋白質(zhì)的注射量的多少也是在顯微視覺及注射裝置的共同監(jiān)控下完成的。整個(gè)操作過程通過顯微鏡、攝像頭、監(jiān)視器實(shí)時(shí)再現(xiàn)出來，供科研人員進(jìn)行分析研究。在出現(xiàn)意外的情況下，操作者可根據(jù)圖像信息，通過人機(jī)交互接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遙控操作。被操作對(duì)象的選取是由操作者通過人機(jī)交互接口完成的。
TA"g U8YQ $< .wQ8:Q 在研制本系統(tǒng)過程中，已取得以下階段性成果：
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HF mf gUf (1) 利用螺旋理論，對(duì)微動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的型綜合問題進(jìn)行了較深入的研究，并給出了幾種并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合的新方法。
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`m (2) 選用Delta三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為微操作機(jī)器人機(jī)構(gòu)，并結(jié)合微操作的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、工作空間優(yōu)化、誤差分析及動(dòng)態(tài)特性分析。作為微操作系統(tǒng)的核心部分，微操作機(jī)器人機(jī)構(gòu)應(yīng)具有外形小、工作可達(dá)域相對(duì)較大、驅(qū)動(dòng)精細(xì)、有很高的定位精度與精度穩(wěn)定性、良好的動(dòng)態(tài)特性等特點(diǎn)。Delta微動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)基本迎合了這些要求。它的外形尺寸為100 mm×100 mm×100 m，工作空間約為500 μm×500 μm×400 μm，運(yùn)動(dòng)分辨率約為80 nm。
JuR x>F4 4 :M}Vz- (3) 在多年探索研究及廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了一些對(duì)構(gòu)筑微操作機(jī)器人系統(tǒng)有指導(dǎo)意義的設(shè)計(jì)原則。它不單適用于面向生物工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng)，對(duì)構(gòu)筑其它應(yīng)用領(lǐng)域的微操作機(jī)器人系統(tǒng)也有一定的參考價(jià)值。
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