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柔顺精密定位与操作机构研究进展

机械工程学报 2023年第19期59卷 24-43页

作者：张宪民朱本亮李海陈忠王日鑫臧浩延华南理工大学广东省精密装备与制造技术重点实验室广州510640

柔顺机构是一种利用柔顺元件的弹性变形来传递或转换运动、力或能量的新型机构。与传统的刚性机构相比,柔顺机构具有高精度、无间隙、无摩擦磨损、免装配及易于小型化等特点,是机构学研究领域的一个重要分支。以精密定位和精密操作两类... 详细信息

柔顺机构是一种利用柔顺元件的弹性变形来传递或转换运动、力或能量的新型机构。与传统的刚性机构相比,柔顺机构具有高精度、无间隙、无摩擦磨损、免装配及易于小型化等特点,是机构学研究领域的一个重要分支。以精密定位和精密操作两类代表性的柔顺机构为研究对象,从分析与设计、传感与控制等方面介绍了该领域国内外的研究现状、存在的主要问题和发展趋势。

关键词：柔顺机构精密定位微纳操作传感与控制

面向微纳操作机器人的3D打印的六轴微操作手腕的研究

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面向微纳操作机器人的3D打印的六轴微操作手腕的研究

作者：王乐重庆大学

学位级别：硕士

微夹钳是微纳操作机器人的微操作手的末端执行器,一般只能实现运动范围在微米或纳米尺度一维的夹持运动。微操作手则由多个一维的直线运动导轨和圆周运动转台串联构成,实现分辨率在微米尺度的大行程多维运动。如果将微操作手看成人的躯... 详细信息

微夹钳是微纳操作机器人的微操作手的末端执行器,一般只能实现运动范围在微米或纳米尺度一维的夹持运动。微操作手则由多个一维的直线运动导轨和圆周运动转台串联构成,实现分辨率在微米尺度的大行程多维运动。如果将微操作手看成人的躯干和手臂,则微夹钳可以看成人手。如果微夹钳能通过一个具有微米直至纳米尺度分辨率的六轴微操作手腕与微操作手相连,则可以极大地丰富微夹钳的功能。面向微纳操作机器人的应用需求,本文中提出并实现了一种3D打印的基于立方体结构Stewart平台的压电致动柔顺六轴微操作手腕。本文的主要研究工作与成果如下:（1）本文中提出并实现了一种3D打印的基于立方体结构Stewart平台的压电致动柔顺六轴微操作手腕,提出并设计了适宜于3D打印的一体化结构。为了便于3D打印和系统集成,六轴微操作手腕采用立方体结构Stewart平台,在每条支链上设计椭圆机构用于内嵌压电陶瓷叠堆驱动元件,在每条支链的上下端设计球铰连接上下平台。并对3D打印的六轴微操作手腕进行了运动学模拟与分析,建立了末端位姿与压电陶瓷叠堆伸长量之间函数关系。（2）对3D打印的六轴微操作手腕的刚度分析,建立了柔性球铰、椭圆壳柔性移动副与整体的结构参数与刚度之间关系模型,并利用有限元仿真分析验证了刚度模型的正确性和结构设计的合理性,确定了结构尺寸参数并进行了强度校核。（3）加工了六轴微操作手腕样机,实现了3D打印的六轴微操作手腕系统,建立了测试实验装置,对3D打印的六轴微操作手腕进行了性能测试。测试结果表明,六轴微操作手腕的位移和旋转角度分别可达8.3μm和0.184 mrad,位移和角度分辨率分别可达105 nm和1.86μrad,位移和角度重复定位精度分别可达0.275μm和2.73μrad,证明了3D打印的六轴微操作手腕的可行性。同时测试了其谐振频率、阶跃响应、迟滞和蠕变等特性,并进行了误差分析,便于后期对其进行控制与改进。本文的工作对一体化六自由度并联微操作手的设计与开发提供指导意义。

关键词：六轴微操作手腕 3D打印微纳操作柔顺结构

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SEM纳米操作机器人的鲁棒控制方法研究

SEM纳米操作机器人的鲁棒控制方法研究

作者：杨利涛苏州大学

学位级别：硕士

后摩尔时代的集成电路特征尺寸已经进入量子效应显著的范围,传统的硅基芯片已经接近了性能极限,而碳基芯片的计算速度是硅基芯片的3-5倍,具有室温下导热性好,承载电流上限高,频响快等优点,因而碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)成为了有望... 详细信息

后摩尔时代的集成电路特征尺寸已经进入量子效应显著的范围,传统的硅基芯片已经接近了性能极限,而碳基芯片的计算速度是硅基芯片的3-5倍,具有室温下导热性好,承载电流上限高,频响快等优点,因而碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)成为了有望替代硅的材料之一。以半导体型单壁碳纳米管(Single-Wall Carbon Nanotube,SWNT)为构建单元的晶圆级别碳基芯片,在自下而上和自上而下的加工方法上都存在着重大挑战,纳米操作方法是对上述加工技术的一种有效补充,因而需要能够在晶圆尺度,在复杂结构中对SWNT进行三维操作的纳米操作机器人(Nano manipulation robot,NMR)。本文针对纳米操作机器人三维运动精度控制问题,提出了 SEM显微视觉反馈的运动控制方法,将三维运动简化为二维平面运动,提出了纳米尺度位移实时测量方法,可以以显微镜的分辨率对位移进行测量;提出了基于Prandtl-Ishlinskii(PI)逆模型的前馈与比例—积分(PI)反馈相结合的控制方法,同时对输出电压进行比例—积分—微分(PID)稳压,从而对纳米操作机器人的单轴定位精度进行优化;设计了基于输入输出灵敏度函数权重混合调整的鲁棒控制器,对纳环境下的热干扰进行抑制;通过双轴的鲁棒控制器以及一个额外的交叉耦合控制器对纳米操作机器人的双轴轨迹精度进行优化。本课题研究的内容可以具体分为以下四部分:(1)针对纳米操作机器人驱动控制与纳米尺度位移测量的问题,对粘滑驱动原理进行了分析,并提出了一种基于扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)二次电子图像的目标位移实时测量方法,搭建了纳米操作机器人的纳米尺度位移测量系统,进行了跟踪目标位移测量实验,并对SEM的图像尺寸进行标定,其理论位移测量分辨率优于1nm。(2)针对纳米操作机器人大行程步进驱动与微动精确控制问题,对步进阶段的步距输出进行了分析,并对其真实步距输出进行了修正,提出了一种融合PI逆模型前馈控制、基于图像识别的PI位移反馈控制以及输出电压PID稳压控制的综合控制方法,用以对微动阶段进行精确控制,进行了微动定位实验,其定位精度达到了1.8nm。(3)针对纳米操作机器人在纳观环境下受到的热干扰问题,对真空中纳米操作机器人驱动过程中的热干扰进行分析,搭建热干扰模拟平台,设计了基于输入输出灵敏度函数权重混合调整的鲁棒控制器,通过权重函数的选取,对热干扰进行抑制。进行了热干扰抑制实验,在存在热干扰的情况下依旧保证纳米操作机器人1.8nm的定位精度,并且其重复定位精度小于两个像素即3.6nm。(4)针对纳米操作机器人的双轴轨迹优化控制问题,提出了一种双轴鲁棒控制结合交叉耦合控制的控制方案,对纳米操作机器人典型轨迹的轮廓误差进行分析,基于几何轮廓误差模型,对轨迹误差进行计算,在以鲁棒控制器对单轴优化控制后,添加一个额外的交叉耦合控制器,对双轴的轨迹精度进行控制,进行了双轴直线轨迹以及圆轨迹实验,与之前组中工作相比优化后,1μm行程的直线轨迹平均误差优化了 75%,1μm直径圆轨迹平均误差优化了 64%。

关键词：微纳操作纳米操作机器人纳环境干扰鲁棒抑制微纳操作双轴轨迹优化

纳米机器人操作元任务的划分以及CNT自主拾取应用研究

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纳米机器人操作元任务的划分以及CNT自主拾取应用研究

作者：韩驰瑞苏州大学

学位级别：硕士

随着集成电路特征尺寸进入量子效应显著范围,集成芯片技术的发展已经来到了后摩尔时代,芯片的功耗瓶颈使得尺寸缩小难以维持既有的比例。碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)是可能性极高的替代硅的材料之一,北京大学、英特尔公司和IBM公司... 详细信息

随着集成电路特征尺寸进入量子效应显著范围,集成芯片技术的发展已经来到了后摩尔时代,芯片的功耗瓶颈使得尺寸缩小难以维持既有的比例。碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)是可能性极高的替代硅的材料之一,北京大学、英特尔公司和IBM公司等早已开始对CNT本身的性能以及使用CNT制造微纳器件进行深入研究。CNT的直径通常为几个纳米,传统的设备与技术对单根CNT的性能测量不是很适用。借助扫描电子显微镜并在其中搭建纳米操作机器人,能够在纳米尺度下使用机器人操作技术对CNT进行多种精准处理。本文针对纳米操作机器人自动拾取CNT的问题,提出了学习纳米操作机器人CNT拾取元任务中运动技能实现自动拾取CNT的方法。基于纳米操作机器人元任务划分准则,建立纳米操作机器人CNT拾取的元任务运动模型,设计了纳米操作机器人元任务的调用策略,实施调用多个元任务进行自动拾取CNT实验,验证了纳米操作机器人通过元任务学习人类操作技能并复现方法的可行性,成功拾取长5微米的单根CNT,为纳米操作机器人自动执行其它微纳操作任务奠定了基础。本论文的主要研究内容如下:(1)针对建立纳米操作机器人元任务划分关键点的问题,本文开展了多次人工示教实验,分析纳米操作机器人与操作对象的关系,建立了元任务的划分准则。通过图像处理技术获得纳米操作机器人的平面运动轨迹和清晰度变化情况,实施两步划分步骤,将完整的人类操纵的任务演示划分为多个简单的元任务,并成功应用到CNT拾取任务。(2)针对纳米操作机器人学习人类示教中运动技能的问题,本文研究了不同演示划分出来的同一个元任务的区别,并基于元任务的轨迹特征,提出了针对每一种元任务运动技能的学习的方法。根据元任务轨迹之间的区别,归类了元任务的多种运动轨迹。制定了优化元任务每一类轨迹的优化过程,可生成最优的元任务示教轨迹,并使用动态运动基元学习轨迹。测试结果表明,动态运动基元能够复现元任务的演示轨迹。(3)针对纳米操作机器人的多个元任务的调用问题,分析了 CNT拾取任务完整的操作过程,建立了正常情况下拾取任务中各个元任务的多种组合顺序,建立了纳米操作机器人CNT拾取任务的有限状态机模型。由于微观环境下,纳米操作机器人在运动过程中,可能会碰到一些操作上的错误,开展多次CNT拾取实验,分析了可能会发生的错误,并将这些错误进行分类,针对那些能够修正的错误,增加修正元任务,添入纳米操作机器人碳纳米管拾取的有限状态机模型。(4)开展多次自动拾取CNT实验。应用前面的方法划分获得拾取任务的多个元任务并进行相应的优化和学习,搭建自动拾取CNT的实验平台,研究纳米操作机器人驱动与控制方法,从纳米操作机器人复现单个元任务实验出发,进行多个元任务自动拾取CNT实验。实验结果表明,成功自动拾取了长4.8微米的单根CNT,验证了纳米操作机器人通过元任务学习人类操作中的运动技能并复现是可行的,为之后实现纳米操作机器人自动执行其它纳米操作任务奠定了基础。

关键词：纳米操作机器人微纳操作示教学习动态运动基元

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基于超声电机的细胞微操作台设计与实验研究

压电与声光 2017年第1期39卷 19-22页

作者：吴必成姚志远张亚飞南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室江苏南京210016

针对生物医学工程对微/纳操作手的需求,提出了一种能够实现对微小细胞进行多重操作的微操作台。该平台由三自由度精密定位仪、负压驱动部件(V型直线超声电机、注射器和硅胶软管)和玻璃基纳米通孔构成。定位仪的定位精度为1μm,操作简便... 详细信息

针对生物医学工程对微/纳操作手的需求,提出了一种能够实现对微小细胞进行多重操作的微操作台。该平台由三自由度精密定位仪、负压驱动部件(V型直线超声电机、注射器和硅胶软管)和玻璃基纳米通孔构成。定位仪的定位精度为1μm,操作简便,定位效率高。利用负压驱动部件的V型直线超声电机产生吸附力,可以精确地吸附并控制特定的生物细胞。玻璃基纳米通孔的外径小于50μm,可以操作更微小的生物细胞。该操作台首次采用自主设计制造的V型直线超声电机和玻璃基纳米通孔作为关键部件。生物细胞操作实验表明,此操作台最终实现了对生物细胞的定位、吸附、释放和移动等操作,所操作的细胞大小在20μm以内。

关键词：微纳操作直线超声电机纳米通孔生物技术细胞

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基于电磁驱动的微夹持器设计与实验研究

基于电磁驱动的微夹持器设计与实验研究

作者：潘磊苏州大学

学位级别：硕士

微夹持器作为微操作系统中直接接触被夹持物的末端执行机构,其性能对于微纳操作技术有着重要意义。为了满足微纳操作技术越来越多的需求,设计结构紧凑、体积较小、位移精度高的微夹持器是一个重要的研究方向。而电磁微夹持器有着可靠性... 详细信息

微夹持器作为微操作系统中直接接触被夹持物的末端执行机构,其性能对于微纳操作技术有着重要意义。为了满足微纳操作技术越来越多的需求,设计结构紧凑、体积较小、位移精度高的微夹持器是一个重要的研究方向。而电磁微夹持器有着可靠性高、原理简单和便于控制等优势,但往往受限于线圈尺寸导致其体积较大,难以微型化。本文针对目前电磁微夹持器难以小型化的缺点和生物医学、微装配等领域对微纳操作更精准化的需求,对传统的电磁驱动进行改进,创新性的将微型线圈与光固化3D打印相结合,制备了新型的电磁驱动微夹持器。首先对微型电磁驱动的原理以及可行性进行了分析。因为随着宏观尺度的不断减小,需要考虑到缩小器件尺度所带来的驱动力减小的物理后果,分析微型化在物理上是否可行。通过对电磁驱动原理以及尺度效应的分析可知,选择合理的受力结构可以削弱驱动力随尺度减小所带来的不利影响,从而为下文设计电磁驱动微夹持器提供了基础。其次,分别针对空气中物体的操作问题及液体中细胞的操作问题提出了平面线圈电磁微夹持器和推杆式电磁微夹持器的设计。平面线圈电磁微夹持器采用柔性电路板工艺和光固化3D打印工艺实现了线圈和夹持结构的微型化,成功缩减了电磁微夹持器的体积。推杆式电磁微夹持器加长了夹持臂并更改了驱动结构以使得其可以在培养液中对细胞进行夹持动作。两款电磁微夹持器尺寸设计分别为15mm×5mm×3mm和9mm×5mm×3mm,达成了电磁微夹持器小型化的目标。制作完成之后对两款微夹持器的性能进行测试,包括驱动力测试、夹持末端位移量测试和夹持器疲劳测试,实验结果表明所设计的微夹持器位移量和线性度等性能均满足设计目标。最后,分别为平面线圈电磁微夹持器和推杆式电磁微夹持器搭建了整体系统和实验平台,并对其进行了微装配实验和生物微操作实验。微装配实验使用平面线圈电磁微夹持器完成了矢量传感器的装配,生物微操作实验使用推杆式电磁微夹持器完成了小鼠卵母细胞的夹持操作。实验结果验证了两款电磁驱动微夹持器在缩小体积的同时可以顺利完成微纳操作流程,具有实际应用价值。本文所研制的电磁微夹持器将微型线圈与光固化3D打印技术相结合,成功实现了电磁微夹持器的小型化并进行了微纳操作实验,体现了新型电磁驱动微夹持器在生物医学和微装配等领域的应用价值,对电磁微夹持器技术的发展起到了积极的推动作用。

关键词：电磁驱动微夹持器微纳操作 3D打印

纳米线/管温度传感器的机器人化组装方法研究

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纳米线/管温度传感器的机器人化组装方法研究

作者：巢沛栋苏州大学

学位级别：硕士

伴随着微纳加工技术方法的不断发展和石墨烯、黑磷、二硫化钼等二维新兴材料的出现,带动微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)快速升级为纳机电系统(Nano-Electro-Mechanical System,NEMS)。纳米尺寸下的各种传感器作为... 详细信息

伴随着微纳加工技术方法的不断发展和石墨烯、黑磷、二硫化钼等二维新兴材料的出现,带动微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)快速升级为纳机电系统(Nano-Electro-Mechanical System,NEMS)。纳米尺寸下的各种传感器作为纳机电系统的一种重要类型,实现了对微观物理、化学或生物信息的检测和测量,成为了纳米器件中的研究热点之一。由于纳米传感器的尺寸不断缩小,其所需的线宽、膜厚、阵列等制备精度要求接近传统加工方法的技术极限。借助扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)实现机器人化的组装方法为纳米器件的制备提供了新思路,为突破现有的技术瓶颈提供了一种新的解决方案。本文针对纳操作机器人人工组装纳米传感器的操作经验需求高,均一性差等问题,提出了基于动态运动基元的纳米线/管温度传感器三维自主组装方法。通过图像处理方法对扫描电子显微镜内人工组装实验中的纳操作机器人的运动轨迹进行捕捉、划分并生成三维组装示教轨迹;结合动态运动基元(Dynamic Movement Primitives,DMP)对组装示教轨迹进行学习并实现自主生成组装轨迹;采用聚焦深度法(Depth From Focus,DFF)对深度信息进行提取并通过接触判断及反馈实现精准放置纳米管/线;搭建出三维机器人化操作平台,成功实施多次机器人化自主组装实验,验证了纳米线/管温度传感器三维自主组装方法的可行性。本论文的主要研究内容如下:(1)针对人工演示组装实验中运动轨迹的获取与分析问题,通过图像处理方法对操作人员组装实验的运动轨迹进行捕捉、划分并生成三维组装示教轨迹。采用目标识别和跟踪方法处理人工组装实验视频,获取XY平面运动轨迹。根据操作机器人特殊的驱动机理,将整个组装过程的轨迹划分为五类操作轨迹。利用纳操作机器人直角化运动特点,添加深度方向的运动信息,重建为三维组装示教轨迹。(2)针对纳操作机器人组装轨迹的生成问题,选用动态运动基元来学习组装示教轨迹并设计满足组装操作要求的组装轨迹自主生成程序。采用基于动态运动基元的轨迹学习方法对三维示教组装轨迹进行学习,对示教组装轨迹进行复现和泛化,选择合适的DMP参数,缩小目标点误差至5nm以内。设计动态运动基元轨迹学习算法,实现组装任务中三维运动轨迹的自主生成。(3)针对纳操作机器人深度方向的运动问题,采用聚焦深度法提取深度信息进行粗下降并通过接触判断及反馈实现纳米线/管的精准放置。通过聚集深度法获取深度信息并控制纳操作机器人进行粗下降。设计接触判断程序,通过斜率变化判断接触情况。将接触判断与动态运动基元相结合,通过接触判断结果修正运动参数,进行多次接触修复,实现深度方向的运动控制,使得纳米线/管与电极接触。(4)搭建纳米线/管温度传感器机器人化组装实验平台,开展机器人化纳米线/管温度传感器自主组装实验。搭建纳操作机器人驱动与控制平台,结合动态运动基元生成组装轨迹,通过接触反馈实现深度方向运动控制。开展了10次纳米线/管温度传感器自主组装实验,成功率为50%,通过半导体分析仪对纳米线/管温度传感器进行测试,验证了机器人化组装的纳米线/管温度传感器的可靠性。

关键词：纳操作机器人微纳操作自主操作动态运动基元纳米传感器组装

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多探针扫描探针显微镜研究进展与应用

科学通报 2018年第35期63卷 3713-3726页

作者：许可邵永健李鹏裘晓辉沈阳建筑大学信息与控制工程学院沈阳110168 国家纳米科学中心中国科学院纳米科学卓越创新中心中国科学院纳米标准与检测重点实验室北京100190

扫描探针显微镜(SPM)是微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳操作的重要工具之一.传统的SPM只有单一探针,功能单一,多探针扫描探针显微镜(MP-SPM)的出现拓展了SPM的应用.MP-SPM的多个探针可充当精确定位的测量电极,从而提供了一种无损探测... 详细信息

扫描探针显微镜(SPM)是微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳操作的重要工具之一.传统的SPM只有单一探针,功能单一,多探针扫描探针显微镜(MP-SPM)的出现拓展了SPM的应用.MP-SPM的多个探针可充当精确定位的测量电极,从而提供了一种无损探测样品微纳尺度电学输运性质的方法;也可相当于多只独立活动的"手",相互配合实现复杂的纳米操作;还可以探针成像,成像信息作为其他探针操作的先验/反馈信息,从而提高操作的效率及准确性.本文首先介绍了MP-SPM的基本仪器结构,多探针距离缩小及位置标定方法,以及使用多探针技术测量材料电阻率的原理,接着总结了近年来MP-SPM在样品微纳尺度电学输运性质测量、微纳操作、并行成像与操作以及新型力学性质测量等方面的应用,最后探讨了该技术的前沿发展以及面临的机遇与挑战.

关键词：多探针扫描探针显微镜电学输运性质测量微纳操作并行成像与操作

SEM环境下3PRR并联平台奇异区域规避与逃逸控制策略

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机械工程学报 2015年第23期51卷 1-11页

作者：莫嘉嗣张宪民邱志成魏骏杨华南理工大学广东省精密装备与制造技术重点实验室广州510641

微纳操作系统是精密操作、精密加工领域重要组成部分。微纳操作系统的载物平台负责放置样品和大行程搬运样品,需要大行程、高精度的定位。宏微结合的方法能弥补精密定位平台行程不足的缺点,而并联机构能实现高精度定位,因此采用3PRR(3... 详细信息

微纳操作系统是精密操作、精密加工领域重要组成部分。微纳操作系统的载物平台负责放置样品和大行程搬运样品,需要大行程、高精度的定位。宏微结合的方法能弥补精密定位平台行程不足的缺点,而并联机构能实现高精度定位,因此采用3PRR(3自由度,每条支链包括一个移动副(P)驱动和两个转动副(R))并联平台作为扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)环境下的宏微结合精密平台中的宏动部分。为了实现大行程、高精度定位,需要分析机构工作空间与奇异性分布。通过推导3PRR运动学方程,求得机构雅可比矩阵,研究雅可比矩阵特性,求得3PRR并联平台非奇异工作空间分布,把机构雅可比矩阵特性与奇异分布引入控制范畴,提出两种奇异区域规避控制策略与一种奇异位型逃逸控制策略。对机构如何规避奇异区域与进入奇异位型后如何快速逃逸提供了理论指导,仿真分析表明,提出的策略对机构精密定位与可控性提供了保障。

关键词：微纳操作 3PRR SEM并联平台奇异规避逃逸控制策略