基于液滴的微操作机械手控制机理研究

The components of electronic products are becoming smaller and slimmer with the miniaturization of electronic products. In the assembling process of micro-parts, common problems lie in multi-DOF position and orientation adjustment of micro-parts in sub-micron scale and grasping & releasing micro-parts in small space. These problems limit their applications in automatic micro-assembly. The dynamic modeling and control method of micromanipulator based on liquid-drop are put forward in this project. The liquid-drop micromanipulator can pick up tiny target with the surface tension of the droplet, and we can adjust the position and orientation of tiny target absorbed on the surface of liquid drop by controlling the shape of liquid drop. This project is committed to establishing the dynamic model of micro fluid in the working process of the liquid-drop micromanipulator; presenting the action mechanism, action mode, action condition of all micro-forces acting in the process of micro-operation; analyzing the factors which influence the control performance of liquid-drop micromanipulator; discussing the quantitative mapping relationship between the apex shape of micromanipulator and the position/orientation of tiny target; researching the micro-operation ways for liquid-drop micromanipulator to pick up the tiny target, adjust its orientation, release it and so on. The research achievement of this project will provide an effective approach to operate micro-parts in a small space during the process of the micro assembly.

随着机械电子产品的小型化，元器件也逐渐趋向小型化、薄型化的发展趋势。在微型部件的装配中，目前主要存在三大难点:小空间内零件位置与姿态的多自由度亚微米级调整；微细零件的抓取与释放；微细零件的组合。这些问题限制了微装配技术水平的提高和自动微装配的实现。本课题提出基于液滴的微操作机械手控制方法研究，利用液滴的表面张力变化吸附和释放微小物体；通过改变液滴的形态，改变吸附在液滴表面的微小物体姿态，从而实现微小物体位置与姿态的控制。建立液滴机械手工作过程的微流体动力学模型，模拟微操作过程中存在的机械、流体以及微力之间的耦合作用；分析各种微力的作用机理、作用方式、作用条件以及影响液滴微操作机械手控制性能的因素，建立机械手先端形状与微小物体位置和姿态的定量映射关系；研究液滴机械手对微细物体进行拾取、姿态调整、释放等微操作的方法。本项目的研究成果将为微装配过程中小空间内微细零件的操作提供一种有效的技术途径。

针对微装配中，存在的小空间内零件位置与姿态的多自由度亚微米级调整；微细零件的抓取与释放；微细零件的组合等难点问题，开展了基于液滴的微操作机械手控制方法研究。①针对微细零件的微装配，提出了多棒型液滴微操作机械手的结构，建立液滴微操作机械手工作过程的力学模型，详细讨论了液滴微操作机械手对微小物体进行拾取、姿态调整、释放的方法和物理过程，分析了微操作过程中各种微力的作用机理、作用方式、作用条件以及影响液滴微操作机械手性能的因素；建立液滴机械手先端形状与微小物体姿态的定量映射关系，提出微小零件倾斜、旋转等姿态的定量控制方法；提出了基于液桥形态变化的微小物体释放方法:通过改变液桥的液体量和液桥高度，改变液桥形态，可以控制液桥力，实现微小物体的释放，讨论了倾斜平面内的各种形状微部件的释放方法；通过仿真研究了液滴机械手参数配置方法，优化了控制过程；建立了非对称液桥的力学模型，提出了非对称液桥力是液滴机械手自驱力理论，丰富了微流体动力学理论。在以上研究基础上，通过大量实验验证了提出方法的可行性。②胶粘接技术是微装配技术的重要组成部分，狭小空间内pL级超微量点胶是胶接技术的难点，利用液滴机械手的原理，开发了pL级超微量自动点胶笔，实现直径5μm-20μm微孔的pL级密封，窄缝内(0.5mm×20mm) 的狭小空间内的封装，为小空间，高粘度，超微量点胶提供了有效技术手段，目前该成果已经应用到工程实际中。③在微粒（细胞）的微操作方面，提出基于微流体驻点的液滴机械手结构，通过构建微流场，形成流场驻点，利用流场驻点附近在微粒表面形成的压力包容面来“挟持”微粒；通过控制驻点运动,实现了任意形状的微米级、亚微米级微粒，做定向、定量运动，为解决微粒操控无接触化、系列化的难点问题，提供了有效技术途径，有助于提高我国微流控芯片的技术水平。