提高微操作机器人性能的若干关键基础问题研究

To meet the demand of higher requirements of accuracy, convenience, stability and safety to the micro-manipulation robots in the cell engineering, several kinds of key basic problems will be researched and improved. The contents in this project mainly include: (1) research on the nonlinear drive control technology and dynamic modeling methods of micro-positioning stage based on piezoelectric ceramics and flexure hinges; (2) research on the key problems such as target location and tracking in the microscopic visual servo system; (3) research on the sensing probe and gripper based the key issues of cell gripping and detection. Research targets mainly include: (1) research on modeling based on nonlinear phenomena such as hysteresis, creep, etc. in order to achieve accurate positioning control of the micro-positioning stage; (2) research and design the microscopic visual servo system with controllable rotation stage to achieve the requirements of multi-angle, high speed, accurate positioning and measurement to the targets;(3) research on the automatic detection, auto-focusing and tracking about the sensing probe and IPMC / PVDF integrated gripper in the microscopic visual servo system; (4) research on the cell’ s mechanical model under forcing to guide the applied force among the cell operation; (5) research on the integrated 2-finger gripper based on the soft smart material IPMC / PVDF and the sensing probe based on the PVDF force sensors, and the variable stiffness control methods to them in order to grip cell rapidly and stably.

针对微操作机器人提出的更加精确、便捷、稳定和安全的要求，研究和改进若干关键基础问题。研究内容有：（1）基于压电陶瓷和柔性铰链的微动定位平台的动力学建模方法与非线性驱动控制技术。（2）显微视觉伺服系统下目标定位、跟踪等关键问题。（3）基于手爪和感知探针的细胞夹持固定与检测关键问题。研究目标：（1）针对该微动定位平台系统存在的迟滞、蠕变等非线性现象进行建模的研究，以实现该平台精确定位控制。（2）研究并设计具有可控转动载物台的显微视觉伺服系统，以实现目标物体的多角度、快速、精确定位和测量的需求；（3）研究显微视觉伺服系统下感知探针、IPMC/PVDF 一体化手爪的自动检测、对焦及跟踪定位问题。（4）研究细胞在受力情况下的力学模型，用于指导细胞操作时施加力的大小；（5）研究基于柔性智能材料IPMC/PVDF的集成二指手爪和基于PVDF 力传感器的感知探针，及其变刚度控制方法，实现快速稳定夹取细胞.

微操作机器人是应用于生物医学工程领域，能够帮助操作人员完成微米/纳米级的操作的机器人系统，是传统微操作系统与机器人技术的结合。该技术的应用可以提供自动化的新型实验设备，可执行微米/纳米级生物体的自动操作，能够显著提高操作质量及稳定性，降低对操作者的技能要求，提高科研工作者的工作效率。本项目将研究压电陶瓷(PZT, piezoelectric ceramic transducer)、离子交换聚合金属材料(IPMC, ionic polymer metal composite) 、聚偏氟乙烯(PVDF，polyvinylidenefluoride )等智能材料在微操作机器人的微动定位工作台、二指柔顺手爪和感知探针中的应用及相关关键基础问题，以提高微动工作台的定位精度、对细胞操作的准确性和安全性，从而提高微操作效率和成功率。本项目组取得了以下研究成果。.（1）设计并加工了一压电陶瓷驱动柔性微动平台，通过性能实验得知所设计微动平台工作空间为140μm×140μm。为了进一步将其消除微动平台存在的复杂迟滞及蠕变现象，分别提出了EUPI迟滞模型和对数蠕变模型，分析了模型的稳定性，并基于模型实现了平台的自抗扰控制。.（2）设计研制了以压电陶瓷作为驱动器并配合尺蠖运动原理，在保证了高运动精度同时还实现了大行程运动的尺蠖型旋转载物台。针对压电叠堆所表现出的迟滞特性进行建模分析与控制研究，通过加工原型样机对载物台性能进行了测试研究。得出该旋转载物台完全可以完成旋转定位的工作，达到了设计要求。.（3）设计了PVDF微力感知探针及配套调理电路，同时研制了IPMC/PVDF二指手爪，并建立IPMC驱动器存在的蠕变非线性模型及输出力控制系统。.（4）将目标物固定在旋转载物台上，实现目标物的自动调焦；当目标物体已经聚焦，采用模板匹配的方式进行计算并实现系统对目标物的实时检测与跟踪。针对末端执行器，实现了驱动感知一体IPMC夹持器的变刚度柔顺控制。.（5）研究了细胞在夹持过程中受力变形情况并进行力学建模。采用该模型通过有限元的计算对细胞在夹持力和探针接触力作用下进行应力/应变分布，比较分析细胞膜破坏时的临界值，得出安全施加力的范围和过程。