一種液滴微操作機械手結(jié)構(gòu)及其姿態(tài)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是液滴微操作技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種液滴微操作機械手結(jié)構(gòu)及其姿態(tài)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著機械電子產(chǎn)品的小型化，機電產(chǎn)品的元器件也逐漸趨向小型化，薄型化的發(fā)展趨勢，在微型部件的裝配中對裝配精度要求越來越高，往往涉及到微型部件位置和姿態(tài)的調(diào)整和無損操作，這對微操作裝置提出了很高的要求。目前國內(nèi)外對于微小部件的操作與裝配，主要有基于微夾持器工具的方法，真空吸附法，基于表面張力法等。在微夾持器方面如日本名古屋大學(xué)的TAM1模仿筷子夾持物體的機理開發(fā)出一種雙指微操作手，實現(xiàn)了對物體的拾取，移動，旋轉(zhuǎn)和釋放操作。雖然微夾持器工具夾持方法比較穩(wěn)定，但是微尺度對于傳感器的精度提出了很高的要求，而且夾持操作難免會導(dǎo)致夾持部件的應(yīng)力集中產(chǎn)生變形，對部件造成一些不良的影響，同時難于夾持一些超薄的零部件。真空吸附法在微裝配中應(yīng)用最為廣泛，通過負(fù)壓的方式來吸持微小部件，但這種方法主要應(yīng)用于只需提取與釋放的簡單動作場合，很難實現(xiàn)微小部件的姿態(tài)調(diào)整，而且對吸附表面有嚴(yán)格要求。真空吸附方法避免了直接夾持對物體帶來的擠壓，但是機械操作的靈活性降低，只能實現(xiàn)部件的移動操作，而無法實現(xiàn)部件三維空間內(nèi)姿態(tài)的調(diào)整。Imperial College London的Richard提出基于表面張力的自適應(yīng)微型機械裝置，裝置通過微型部件連接部位處的液體表面張力來控制連接部位的轉(zhuǎn)動角度；東京工業(yè)大學(xué)的Kaiji Sato提出了一種液體表面張力驅(qū)動微小部件自適應(yīng)定位方法，討論了自適應(yīng)運動方法的影響因素和改進方法，這些方法都是將表面張力應(yīng)用到微小物體的姿態(tài)調(diào)整中，但只能調(diào)整特定的姿態(tài)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)榮偉彬團隊也利用了液滴的表面張力特性設(shè)計了一種運用于微操作的機械手，通過往微管內(nèi)注入液體，在微管底端吸附微小物體實現(xiàn)了對微小物體的拾取與釋放的操作。除了上述的方法之外，微小機器人在微裝配中應(yīng)用也越來越多，但由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和應(yīng)用環(huán)境的限制，目前還沒有得到廣泛的應(yīng)用。本研究團隊在前人研究的基礎(chǔ)之上，在一種液滴微操作機械手及控制方法專利中提出了一種多棒型的液滴微操作機械手，該專利可以實現(xiàn)微小物體的姿態(tài)改變，但是存在一些問題，在機構(gòu)方面，三角形鏈接板之間間隙過小，電機存在微小振動造成各棒之間的運動相互擾動，對鎢絲棒的直線度要求高，加工難度大；在控制方法方面，提出的方法局限于僅能實現(xiàn)姿態(tài)控制不能實現(xiàn)對微小部件的目標(biāo)姿態(tài)的精確控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明一方面提供了一種帶液滴微操作機械手結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過控制鎢絲棒的姿態(tài)，改變吸附的微小物體的姿態(tài)，從而實現(xiàn)任何形狀的微小物體空間范圍內(nèi)位置和姿態(tài)的控制，其采用的技術(shù)方案如下:
[0004]—種液滴微操作機械手結(jié)構(gòu)，包括注射組件、控制組件、固定支架組件、設(shè)置在所述固定支架組件上的驅(qū)動組件、與所述驅(qū)動組件及注射組件相連接的執(zhí)行組件，所述注射組件包括注射器、驅(qū)動所述注射器的推進器以及連接注射器出液口的軟管；所述固定支架組件包括具有支撐腿的下固定板、由支柱支撐設(shè)置于所述下固定板上方的電機定位板、通過螺栓和螺母連接在所述電機定位板上方的止推板；所述驅(qū)動組件包括六個沿圓形軌跡均勻地豎直分布在所述電機定位板的階梯通孔內(nèi)的微型電機，所述六個微型電機頂部由止推板所壓制，每個所述微型電機輸出軸的正下方均設(shè)置有傳動連接板，各個傳動連接板之間相隔一定間隙，所述傳動連接板內(nèi)均嵌有與所述微型電機輸出軸上的外螺紋相配合的傳動螺母；所述執(zhí)行組件包括上端連接于所述下固定板中心通孔的導(dǎo)行管、套設(shè)置于所述導(dǎo)行管下端的收束套筒、毛細(xì)微管、六根鎢絲棒，所述毛細(xì)微管一端連接軟管，另一端穿過止推板、電機定位板、下固定板中心通孔、導(dǎo)行管直達收束套筒出口，所述六根鎢絲棒上端分別連接傳動連接板，尖狀下端穿過導(dǎo)行管與毛細(xì)微管之間的空隙后從收束套筒的出口伸出一定長度，所述鎢絲棒與毛細(xì)微管相切；所述控制組件分別與所述注射組件和驅(qū)動組件電路連接；六根媽絲棒直徑一致，長度較長約為140?160mm，直徑為100 μ m?300 μ m，媽絲棒下端面呈尖狀，媽絲棒11的尖狀高度為0.5mm?Imm ;所述媽絲棒發(fā)生柔順變形時的徑向偏移量與軸向長度之比小于2/80。
[0005]進一步地，所述控制組件包括計算機、微量滴液控制裝置、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換卡、驅(qū)動電路，所述微量滴液控制裝置用于根據(jù)計算機的發(fā)出的控制信號控制推進器I動作，所述數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換卡及驅(qū)動電路根據(jù)計算機提供的姿態(tài)參數(shù)發(fā)出控制脈沖驅(qū)動微型電機。
[0006]進一步地，所述下固定板的上端面中心通孔位置還設(shè)置有與導(dǎo)行管相通的潤滑槽，潤滑槽內(nèi)填充有可滲透至導(dǎo)行管內(nèi)的潤滑油，所帶的潤滑槽儲存潤滑油對鎢絲棒之間的運動具有潤滑作用，減小了六根鎢絲棒之間的相互摩擦影響，提高控制精度。
[0007]進一步地，潤滑槽呈圓柱形，內(nèi)徑為0.8?1.5cm,深度為0.3?0.6cm。
[0008]進一步地，所述的控制組件還包括顯微放大鏡，用于在往毛細(xì)微管注入液體之前觀察和測量確保六個鎢絲棒下端面尖狀頂尖處平齊狀態(tài)。
[0009]本發(fā)明還提供了一種液滴微操作機械手結(jié)構(gòu)的姿態(tài)控制方法，其技術(shù)方案如下:
[0010]一種液滴微操作機械手結(jié)構(gòu)的姿態(tài)控制方法，包括步驟:
[0011]I)液滴吸附微小部件，通過注射器向毛細(xì)微管中注入液體在鎢絲棒尖端面形成液滴，鎢絲棒緩慢靠近微小部件，當(dāng)液體接觸到微小部件時，微小部件被吸附在鎢絲棒下端呈水平狀態(tài)，該步驟通過注射裝置往毛細(xì)微管注入一定量的液體，在鎢絲棒底端形成微小液滴，控制鎢絲棒運動靠近微小部件以吸附起微小部件；
[0012]2)按預(yù)設(shè)目標(biāo)姿態(tài)調(diào)整微小部件的姿態(tài)，計算機根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)姿態(tài)參數(shù)向各微型電機發(fā)出控制信號，控制各鎢絲棒的上下移動量來控制鎢絲棒尖端作為約束點的位置，微小部件的姿態(tài)將緊跟鎢絲棒姿態(tài)變化并且在鎢絲棒姿態(tài)的約束下實現(xiàn)微小部件的自平衡從而實現(xiàn)對于微小部件姿態(tài)的控制，所述目標(biāo)姿態(tài)為傾斜β度或旋轉(zhuǎn)Θ角，該步驟通過控制各鎢絲棒的上下移動量來控制鎢絲棒尖端作為約束點的位置，基于液滴表面張力吸附在液滴上的微小部件由于所受到的表面力遠大于體積力，微小部件的姿態(tài)將緊跟鎢絲棒姿態(tài)變化并且在鎢絲棒姿態(tài)的約束下實現(xiàn)微小部件的自平衡從而可以實現(xiàn)對于微小部件姿態(tài)的控制。
[0013]進一步地，當(dāng)所述目標(biāo)姿態(tài)為傾斜β度時，所述步驟2)具體包括:
[0014]21)在微小部件處于被水平吸附初始狀態(tài)時，定義微小部件所在平面為XOY平面，所述XOY平面以毛細(xì)微管(中心)在XOY平面中的投影點為原點，此時，微小部件法向量初始狀態(tài)為P。= [O O I]，將微小部件繞Y軸傾斜角度β得到表征姿態(tài)的法向量？:= R1.Ρ。，其中Rl為變換矩陣，Rl = [cos β O sin β ；0 I O ；-sin β 0 cos β ],求得傾斜后的微小部件18的法向量P1= [xl yl zl]；
[0015]22)求取各鎢絲棒尖端在XOY平面上投影點的坐標(biāo)值，選取離微小部件最邊緣的一根鎢絲棒尖端保持不動，根據(jù)保持不動的鎢絲棒尖端的坐標(biāo)值和傾斜β度后通過該點的微小部件的法向量？:求得傾斜β度后的平面方程；
[0016]23)將步驟22)求得的其余鎢絲棒尖端在XOY平面上投影點的坐標(biāo)值代入傾斜β度后的平面方程中，得出其余各鎢絲棒尖端在傾斜β度后XOY平面上的目標(biāo)高度值，所述微型電機控制各鎢絲棒以一定的速度運動至目標(biāo)高度，使微小部件傾斜β度。
[0017]進一步地，當(dāng)所述目標(biāo)姿態(tài)為旋轉(zhuǎn)Θ角時，所述步驟2)具體包括:
[0018]201)在微小部件處于被水平吸附初始狀態(tài)時，建立以微小部件所在平面為XOY平面、垂直所述XOY平面的方向為Z向的空間直角坐標(biāo)系，所述空間直角坐標(biāo)系以毛細(xì)