直线超声电机驱动的并联微操作手的结构设计

提出一种基于直线超声电机驱动的两指微操作手,它具有纳米级的定位精度,其操作空间在毫米级的范围,提高了微操作手的实用性.该操作手采用并联机构,以直线超声电机作为滑动副驱动微操作手,以柔性铰链作为转动副.利用机构学分析了微操作手的运行机理.利用ADAMS软件建立了微操作手的运动学模型,分析了微操作手的输出特性,包括探针在时域的位置、速度和加速特性,以及操作空间.直线超声电机的使用简化了微操作手的结构,增加了操作空间.柔性铰链作为转动副能够保证纳米级的定位精度.微操作手原型机的初步试验表明,它能够用于微小颗粒的实时抓取,其探针的位移分辨率达到100 nm,工作位移达到2 mm.     

基于多路显微视觉的微零件自动对准策略

基于对显微视觉系统成像特点的分析,针对搭建的微装配实验平台,提出了一种基于三路显微视觉的微零件自动对准策略,实现了毫米级复杂几何结构微零件的自动对准.基于显微视觉成像模型,推导了基于多路显微视觉的微零件运动控制的图像雅可比矩阵,证明了显微视觉引导下位置控制的图像雅可比矩阵为常数,并通过微零件的主动运动,实现了对图像雅可比矩阵的在线自标定.采用增量式PI(比例-积分)控制方式实现了对微零件快速有效的运动控制.实验结果验证了所提方法的有效性.     

微装配中零部件搜索方法

针对如何快速且准确地在微装配的显微视野中寻找到目标零部件,并获取目标零部件的全局视觉信息的问题,提出了一种基于显微视觉倍率切换的微装配零部件搜索机制.详细分析了如何确定自动搜索步长;论述了自动搜索策略的原理与过程:通过自动扫描目标平面,以准确识别出目标平面内的微零部件,有效地克服了大范围微装配中显微视觉范围远小于操作域的局限性,保证了微装配零部件目标始终呈现在不同显微倍率视野中,为微装配机器人的进一步操作奠定了视觉基础.实验结果表明:提出的搜索方法搜索成功率达到了95％,平均搜索时间为28 s.     

宏微结合的多机械手微装配机器人系统

为解决复杂组件装配中存在的并行操作、空间操作和多操作对象的难题,研制了一套基于显微视觉伺服的多机械手微装配机器人系统.该系统有6个机械手,每个机械手都由宏动模块、微动模块和末端夹持器组成.分别针对5种不同结构类型的零件,设计了5种异形零件夹持器.通过给镜头配置高精度的位移平台,实现了在30 mm×30 mm×30 mm的大操作空间内2μm精度的在线检测,可实现±9μm的装配精度.通过显微视觉反馈和力觉反馈相结合的策略,设计了过盈配合件的装配方法.使用该微装配机器人开展了微装配实验,实验结果表明该微装配机器人系统是可行的,基本能实现既定的装配要求.     

锥壳靶自动精密微装配系统

为解决多尺度、多形状的锥壳靶精密装配问题,研制了一套具有微米级定位精度的多操作手精密微装配系统.该系统具有3个多自由度操作手,能够针对不同形状、不同材质的零件进行拾取、装配.在显微视觉景深较小及装配空间光照有限的条件下,采用提升小波算法获得清晰的零件与操作手图像并进行相应图像的识别检测,实现了位置的闭环控制.通过3路显微视觉实现靶零件的在线测量,直线测量不确定度小于2μm,角度测量不确定度小于0.01?.装配实验结果表明,该系统能够保证微球中心与锥轴线的偏差小于5μm,微球中心与柱腔中心偏差小于10μm,与手动装配相比大大提高了装配精度.     

基于微透镜阵列的多通道光寻址电位传感器研

为了提高化学和生物图像传感器的成像速度和简化成像系统,提出了一种基于微透镜阵列的多通道光寻址电位传感器.利用微透镜阵列把单束激光转化成点阵,通过多频率斩波器,得到不同频率的光点阵列用作光寻址电位传感器的光源,从而实现多点同时检测.实验结果表明该系统具有良好的频域分辨率,通过数字补偿技术可获得各个检测点的电流电压特性曲线,证明可实现多点同时检测.该系统可以用于光寻址电位传感器和扫描光感阻抗传感器的快速成像,以及多通道化学生物图像检测.     

微操作机器人显微视觉系统的研究

本文深入研究了基于生物工程领域显微视觉系统的设计方法．给出了微操作物体平面坐标及微机器人手端位姿的求取方法；提出了基于载物台平动测量微操作物体的高度及微机器人做三维空间已知运动标定出微机器人手端在摄像机坐标系的坐标，进而确定微机器人手端与微操作物体之间位置关系的单目视觉方案．采用两步法对显微视觉系统进行了标定．实验证明该系统运行可靠，达到显微操作的要求．     

柔性温度压力仿生皮肤的模块化设计与实现

为实现电子仿生皮肤的模块化设计,以石墨烯纳米片制备薄膜温敏传感器,同时,以炭黑/硅橡胶复合材料为弹性电介质、有机硅导电银胶为柔性上极板设计电容式力敏传感器,在此基础上,以聚酰亚胺为柔性基体,提出一种可用作智能机器人仿生皮肤的全柔性温度/压力触觉传感器,并设计成具有可拼接特点的模块化阵列结构.介绍柔性温度/压力触觉传感器的结构设计、检测机理以及信号采集与处理系统.通过温度、压力及温度/压力复合感知实验表明,该柔性温度/压力复合式触觉传感阵列及信号提取系统可实现触觉感知功能,为可穿戴式人工皮肤的研究提供了一种设计方案.     

一种具有广泛适应性的微机械加工方法研究

研究了一种具有广泛适应性的微机械制造方法,该方法可用于制备各种不同的器件,包括硅微陀螺仪、加速度计、剪切应力传感器以及光开关等.利用该方法,制备了硅微陀螺仪,并给出了所制备的硅微陀螺仪的性能测试结果,同时分析了利用该制备方法制备各种不同器件时,工艺流程对器件性能的影响,重点讨论了硅-玻璃阳极键合、减薄工艺以及深刻蚀所形成的侧壁质量,包括侧壁垂直度、侧壁杂质等因素对器件性能的影响.     

MEMS压力传感器批量组装设备的研制

针对当前MEMS产业化推进过程中的小批量的发展现状,研究面向批量组装的MEMS微操作实用化系统具有重要实际价值.针对MEMS高温压力传感器产业化发展过程中的批量化键合工艺需求,从分析压力传感器键合工艺入手,研究批量组装关键技术,最后进行系统集成研制MEMS压力传感器批量组装设备.批量组装实验表明该系统可实现典型MEMS传感器批量组装,对MEMS产业化发展具有重要意义.     

A Supervisory Wafer-Level 3D Microassembly System for Hybrid MEMS Fabrication

Hybrid MEMS (microelectromechanical systems) integrate solid-state ICs with MEMS sensors and actuators. It is widely believed that such systems will bring fundamental technological impacts and significant social benefits. Hybrid MEMS manufacturing requires the development of new fabrication, packaging and interconnection technologies in which microassembly plays a critical role. Microassembly is the assembly of objects with microscale and/or mesoscale features under microscale tolerances. It integrates techniques from many different areas such as robotics, computer vision, microfabrication and surface science. This paper studies the design and implementation of microassembly systems through the introduction of a supervisory microassembly workcell. This workcell is developed for 3D assembly of large numbers of micromachined thin metal parts into DRIE (deep reactive ion etching) etched holes in silicon wafers. It overcomes a major limitation of current MEMS fabrication techniques by allowing the use of incompatiable materials and fabrication processes to build complex-shaped 3D MEMS structures. The system is able to perform reliable and efficient wafer-level microassembly operations within a supervisory framework. Microassembly brings new and unique issues to robotics research. The major components of microassembly systems are analyzed. Results on micromanipulator design, illumination modeling and control, and microgripper design are presented.     

微操作/微装配中微力觉的测量与控制技术研究现状综述

微力觉的测量与控制技术是微操作/微装配领域内的核心内容和难点课题,是满足微器件可靠操作与无损装配要求的重要技术保障之一.本文介绍了微操作/微装配机器人系统的典型框架,并对各分系统的研究要点做了分析与回顾.然后,从微力觉的特点、微力测量方法与传感器、微力觉控制三个方面对微力觉的测量与控制技术的发展现状进行了综述.着重介绍了近些年在远程微操作系统和微操作/微装配系统中微力觉控制的方法及核心研究内容的研究成果.在此基础上,提出了微力觉测量与控制亟待解决的一些关键问题,并对这些关键问题的解决方案进行了探讨.最后,对微力觉的发展前景和方向进行了展望.     

Integrating Optical Force Sensing with Visual Servoing for Microassembly

For microassembly tasks uncertainty exists at many levels. Single static sensing configurations are therefore unable to provide feedback with the necessary range and resolution for accomplishing many desired tasks. In this paper we present experimental results that investigate the integration of two disparate sensing modalities, force and vision, for sensor-based microassembly. By integrating these sensing modes, we are able to provide feedback in a task-oriented frame of reference over a broad range of motion with an extremely high precision. An optical microscope is used to provide visual feedback down to micron resolutions, while an optical beam deflection technique (based on a modified atomic force microscope) is used to provide nanonewton level force feedback or nanometric level position feedback. Visually servoed motion at speeds of up to 2 mm/s with a repeatability of 0.17 m are achieved with vision alone. The optical beam deflection sensor complements the visual feedback by providing positional feedback with a repeatability of a few nanometers. Based on the principles of optical beam deflection, this is equivalent to force measurements on the order of a nanonewton. The value of integrating these two disparate sensing modalities is demonstrated during controlled micropart impact experiments. These results demonstrate micropart approach velocities of 80 m/s with impact forces of 9 nN and final contact forces of 2 nN. Within our microassembly system this level of performance cannot be achieved using either sensing modality alone. This research will aid in the development of complex hybrid MEMS devices in two ways; by enabling the microassembly of more complex MEMS prototypes; and in the development of automatic assembly machines for assembling and packaging future MEMS devices that require increasingly complex assembly strategies.     

A Flexible Microrobot-Based Microassembly Station

A wide range of microcomponents can today be produced using various microfabrication techniques. The assembly of complex microsystems consisting of several single components (i.e., hybrid microsystems) is, however, a difficult task that is seen to be a real challenge for the robotic research community. It is necessary to conceive flexible, highly precise and fast microassembly methods. In this paper, the development of a microrobot-based microassembly station is presented. Mobile piezoelectric microrobots with dimensions of some cm³ and with at least 5 DOF can perform various manipulations either under a light microscope or within the vacuum chamber of a scanning electron microscope. The components of the station developed and its control system are described. The latter comprises a vision-based sensor system for automatic robot control, user interfaces, a re-configurable parallel computer array and an assembly planning system. Specific problems that occur when using microrobots in an SEM and our research activities on the development of force microsensors integrated into the microrobots" grippers are described as well.     

微装配机器人的控制软件设计

针对亚毫米级微型零件的装配精度和效率偏低的问题,构建了21自由度微装配机器人控制系统。首先简要介绍了其控制系统的硬件组成。接着将系统控制软件分解成相应的功能模块,并由这些软件模块组成二个控制阶段,以完成整个微装配过程。提出了一种通用的基于.NET框架的＂四层架构＂设计模式,简化了各软件模块的编写工作,重点讨论了各层的功能及实现细节。最后,成功地应用了所提出的设计方案构建了微装配系统,结果表明该控制系统极大的改善了装配精度和装配效率,能够满足微装配作业的要求。     

用于微器件装配的微操作系统

微器件装配技术是微机械的关键技术之一,本文从微 器件装配系统的特性和功能出发,提出了一套用于微装配的微操作系统设计方案,并对系统 各个组成部分进行分析,介绍了系统实现的方法．     

SACST: smart anthropomorphic contact surface technology

In this article, we present the ongoing research work of smart anthropomorphic contact surface technology (SACST) and applications in robotics and human-augmented systems. Integrating MEMS technology with contact theory and intelligent-control techniques, SACST can alter the behavior of contact surfaces based on robotics theories. To make SACST products more reliable and efficient, certain critical components are indispensable. For example, MEMS valves should be able to work under more resistant force and with less power consumption; the contact sensor should have higher and flexible resolution; and the actuation mechanism of the bladders should become more integrated, more flexible, and easier to control. Next-generation SACST technology will also integrate intelligent operation systems and control with actuators and sensors.     

基于Petri网的MEMS柔性设计建模方法

微机电系统设计具有微尺度效应和多物理场耦合的特点,而现有的面向产品宏观结构的CAD系统难以满足微米尺度设计需求,为此提出一种基于Petri网的MEMS柔性设计建模方法.在分析MEMS设计特点、框架和流程的基础上,对已有设计系统进行抽象化和精细化,获得高内聚低耦合的设计模块,并将Petri网与设计系统各模块相互关联,建立了基于Petri网的MEMS柔性设计建模框架;然后通过添加前置库所和带权有向弧调节库所最大/最小标识数,控制设计流的总数;再添加控制库所形成控制回路,使并发变迁有序执行,消解并行设计冲突;最后用Petri网的状态空间求解结果控制各模块运行,满足复杂设计流的多元关系.以ACIS为几何造型内核开发了自主原型系统,以电容式三维硅微梳齿驱动器设计为例进行应用验证,结果表明,文中方法将现有MEMS设计从自顶向下和自底向上及其混合拓展到基于Petri网的柔性设计建模,使产品设计不局限于固定的设计流程,对于提高MEMS设计效率和质量具有重要意义.     

一种集成微力检测的压电式微夹钳

针对微装配任务设计了一种双悬臂梁结构的压电双晶片微夹钳,该微夹钳由两个压电双晶片驱动．建立了压电双晶片的复合梁模型,并对它的微位移—电压特性、夹持力—应变特性进行了数学分析．通过检测悬臂梁根部的应变信号实现对微夹钳夹持力的检测．实验证明该微夹钳工作可靠,能够满足微装配机器人装配任务的要求．