直线超声电机驱动、多自由度微操作手的动力学行为

In order to meet the great demand for the micromanipulator with high positioning accuracy and operating space, which is used for biological cell manipulation in bio-engineering, this paper researches the drive and parallel structure of linear ultrasonic motor, as well as the operation mode and energy transport mechanism of two-finger micromanipulator with four degrees of freedom. The basic problems of the micromanipulator explored in the analysis, design and experimental include: the movement and response characteristics ; the nonlinear dynamics mechanism of energy conversion and friction drive; the dynamic model of the coupling of temperature, electric and structural vibration; the operating mechanism and control strategies of grasping , flipping and puncturing biological cells; the design method of parallel structure with multi - degree of freedom; the development of a micromanipulator prototype ; experimental studies on grasping , flipping , and puncturing single cells; the motion characteristics and mechanical properties of cells under the work of the micromanipulator . From all these research, the design theory and method of the micromanipulator with a parallel structure and four-degrees of freedom which is driven by linear ultrasonic motor can be extracted and summarized. The results can help to improve the operation ability of the micromanipulator in muti-measure space (a few microns to 1 mm). The micromanipulator can not only be able to handle biological cells, but also be used for the assembly of micro-parts and micro-electromechanical systems, micro-surgery and fiber optic butting in optical engineering.

针对生物工程中，对定位精度高、操作空间大的生物细胞操作用的微操作手需求，旨在研究直线超声电机驱动、并联结构、4自由度的两指微操作手的运行方式和能量输送机理。探索该微操作手在分析、设计和实验中的基本问题：研究其运动方式和响应特性；分析其电能转换成振动能和摩擦传动的非线性动力学机理；建立其温度、电场和结构振动相互耦合的动力学模型；研究其抓取、翻转和穿刺生物细胞的操作机理和控制策略；研究多自由度、并联结构的设计方法；研制相应的微操作手原型；开展单细胞的抓取、翻转和穿刺的实验研究，研究细胞在操作手作用下的运动特性和力学特性。从中提炼和总结出直线超声电机驱动的、具有并联结构、有4个自由度的微操作手的设计理论和方法。研究结果有助于提高微操作手的多测度空间（几微米~1毫米）操作能力。该操作手不仅能够处理生物细胞，也能够用于微型零件的装配、微机电系统组装、微外科手术和光学工程的光纤对接。

针对生物工程中，对定位精度高、操作空间大的生物细胞操作用的微操作手需求，研究直线超声电机驱动、并联结构、4自由度的两指微操作手的运行方式和能量输送机理。按照计划书的要求开展研究工作，将工作的重点放在微操作手的结构设计、微操作手的动力学建模与分析，以及驱动与控制系统设计。形成完整的直线超声电机驱动的、具有并联结构、有4个自由度的两指微操作手的设计理论和制造方法。具体完成工作如下：.1）研究了在直线超声电机作用下，微操作手的驱动方式、运动方式和响应特性；.2）建立了直线超声电机驱动下，微操作手的温度、电场和结构振动相互耦合的动力学模型；.3）研究了微操作手的结构力学特性和负载能力，以及运行稳定性，提出控制指针振动的控制方法；.4）设计了具有并联结构、4自由度的微操作手，形成了相应的结构设计方法；.5）建立了微操作手的机电耦合动力学模型；.6）研制了用于微操作手驱动和控制的驱动控制系统，实现微操作手的驱动和控制；.7）制造出直线超声电机驱动的、具有并联结构、有4个自由度的微操作手；.8）开展了抓取实验研究，能够抓取50µm微小颗粒。.至此，完成了任务书规定的全部研究内容，研制了直线超声电机驱动的、具有并联结构、有4个自由度的两指微操作手，并开展试验研究。试验表明，微操作手结构简单、制作成本低、控制性能好，能够实现对微小颗粒的抓取、翻转和穿刺功能，其探针的位移分辨率达到 100nm，工作位移达到 2mm，其技术指标达到任务书预期的要求。.这项研究培养博士3名，硕士7名；出席国际和国内发会议23人次；发表论文28篇，其中，SCI论文 10篇，EI论文8篇；申请专利10 项，其中已授权专利4项。