（机械制造及其自动化专业论文）细胞微操作平台系统集成及控制系统开发.pdf

摘要 摘要 微、纳米技术及相关技术的迅速发展，对微操作系统提出了更高的要求，在 生物工程领域，用微操作系统对细胞进行的操作代替现有手工操作，便真正实现 显微操作的工程化和自动化，因此面向生物工程应用的显微操作系统有很大的潜 在市场。基于上述原因，本课题是对现有研究成果改进，进行功能扩展，再进行 系统集成，研制出一套结构合理，控制可靠，使用方便的集成化的细胞微操作系 统。作为课题的主要工作，本文主要对与系统控制相关的各项关键技术进行了系 统深入的研究，主要涉及压电陶瓷精密驱动器的控制，显微视觉处理以及编写系 统控制软件等方面工作。 根据微操作任务的特点，提出了细胞微操作系统的总体设计方案：以压电陶 瓷微驱动器为驱动器，微振动单元以高频压电陶瓷驱动器作为激振器，并带有显 微视觉功能。驱动器的精确控制是对微操作系统精度的重要保障，通过理论分析 和实验，建立了压电陶瓷微驱动器的开环控制模型，最后进行了实验验证，实现 了对驱动器的高精度控制。对显微图像处理方法进行了探讨，建立了屏幕二维坐 标与空间三维坐标的转换关系，为基于视觉的控制提供了基础，实现了视觉定位 和简单图像伺服控制。在对系统任务需求进行充分分析的基础上，应用v i s u a l c + + 6 0 在微软视窗x p 系统下开发了各个程序模块，并集成在控制软件之中， 实现了系统功能。本文介绍的细胞微操作系统已经具有细胞穿刺，微进给，显微 图像处理与显示等功能，能够实现一定程度的自动化，另外，系统开放性强具有 升级和扩展潜力。 关键词微操作；压电陶瓷驱动；显微视觉，图像处理 a b s t r a c t m i c r om a n i p u l a t i n gr o b o ts y s t e m sw i t hh i g hq u a l i t y w e r er e q u i r e db e c a u s eo ft h e r a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o na n dn a n o m e t e rt e c h n o l o g y t h i sp r o j e c tr e s e a r c ha i m e d t od e v e l o pah a l f - a u t o n o m o u sp r e c i s em i c r om a n i p u l a t i n gs y s t e mw i t hm i c r o v i b r a t i o n u n i t ，i n c l u d i n gd e s i g n i n ga n dd o i n gs o m em i c r om a n i p u l a t i n ge x p e r i m e n t s t h o s ek e y i s s u e sr e l a t e dt os y s t e mc o n t r o lw e r ea d d r e s s e di nt h i st h e s i s ，i n c l u d i n g ：c o n t r o lo f p i e z o e l e c t r i c c e r a m i ca c t u a t o r , p r o c e s s i n go fm i c r o s c o p i ct m a g e s - a s w e 儿a s p r o g r a m m i n gc o n t r o ls y s t e m s o f t w a r e a c c u r a t ec o n t r o lo fa c t u a t o rw a sa ni m p o r t a n tg u a r a n t e et ot h ep r e c i s i o no f m i c r o m a n i p u l a t i n gs y s t e m p i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca c t u a t o r sw e r e c h o s e nb a s e do ne l a b o r a t e a n a l y s i so na l lk i n d so fm i c r o m o t i o na c t u a t o r s o p e n l o o pc o n t r o lm o d e l s w e r e b u i l t t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n da b u n d a n te x p e r i m e n t s t h ea c c u r a c yo f t h e s em o d e l s w a sv e r i f i e db ya c t u a t i o nc o n t r o le x p e r i m e n t s a n da c c u r a t ec o n t r o lo fp i e z o e l e c t r i c c e r a m i ca c t u a t o r sw a sr e a l i z e ds u c c e s s f u l l y p r o c e s s i n gm e t h o d s o fm i c r o s c o p i c i m a g e sw e r ed i s c u s s e d t h et r a n s f o r m a t i o nr e l a t i o nb e t w e e n2 - d i m e n s i o n a l s c r e e n c o o r d i n a t ea l l d3 - d i m e n s i o n a ls p a c ec o o r d i n a t ew a s b u i l t t h ef o u n d a t i o nf o rc o n t r o l b a s e do nv i s i o nw a sp r o v i d e db yt h a tt r a n s f o r m a t i o nr e l a t i o n p o s i t i o n i n gb a s e do n v i s i o na n ds i m p l ev i s u a ls e r v oc o n t r o lw a sr e a l i z e d b a s e do ns u f f i c i e n ta n a l y s i so n s y s t e mt a s kr e q u i r e m e n t s ，p r o g r a mm o d u l e s w e r ed e v e l o p e du n d e rw i n x pu s i n g v i s u a lc + + 6 0a n di n t e g r a t e di n t ot h ec o n t r o ls o f t w a r e k e y w o r d s ：m i c r om a n i p u l a t i n g ；p i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca c t u a t o r ；m i c r o s c o p i cv i s i o n ； i m a g ep r o c e s s i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一 签名：孓鼢 导师签名： 第1 章绪论 1 1 课题背景与实际意义 北京t 业大学t 学硕 学位论文 题。 如果能代替现有手工操作，用微操作系统对细胞进行的操作，不仅可提高效 率和成功率，而且还可以改变只有少数受过专门训练的技术人员能够操作的局 面，真正实现显微操作的工程化和自动化，因此面向生物工程应用的显微操作系 统有很大的潜在市场【6 j 。 微操作系统作为微电子机械系统研究领域的重要分支，受到国内外学者的高 度重视，它能够实现亚微米至纳米级的定位分辨率，在精密机械工程、光纤对接、 生物和遗传工程、材料科学等领域具有广阔的应用前景。仅细胞微操作系统就有 很广泛应用范围，在很多领域都有很高的价值。在医疗方面，微操作系统可以辅 助进行治疗性克隆中异种核移植胚胎发育工作【7 1 ，为患者提供与其自身遗传物质 一致的组织细胞或器官，用于患者疾病的治疗；还能用于特殊的外科手术，如在 视网膜进行的病变细胞摘除手术。应用在生物工程领域，微操作系统可以大大提 高动物体细胞核移植，单精子显微注射等生物工程技术的成功掣引，使相关技术 能更好的用于拯救濒危珍稀野生动物，保护野生动物遗传资源；辅助畜牧业生产， 使牲畜生双胞胎甚至多胞胎，提高牲畜生产率。另外微操作系统还可以用于帮助 解决法医实践工作中的问题【9 1 ，如混合样本的分型问题，微量检材的分型问题。 所以说，集操作手、动力系统、显微视觉系统为一体的微操作作业系统，是 人们深入探索微观世界不可缺少的重要工具，在生物细胞及染色体的操作、显微 外科手术等技术领域有广泛的应用前景和重要的研究意义【l u j 。 1 2 微操作系统综述及国内外相关研究现状及分析 1 2 1 微操作系统的特点及组成 所谓微操作就是对微小对象的整体或部分进行某种操作和处理。由于操作对 象的特殊性，与工业机器人相比微操作系统有许多自己的特点： 1 由于操作对象几何尺寸微小，静电力、摩擦力、表面张力等表面力起主 要作用，而重力、惯性力等体积力不再起主要作用，这是微观操作的尺度效应； 2 操作对象质量小，构造薄弱，对其施加的力不宜过大；空气阻力相对其 重量而言可能较大，因而在作业时不但需要抓取操作，还需要释放操作； 3 由于操作对象微小，特别是在0 5 r a m 以下时，用肉眼很难看清其形状、 位姿，因而必须借助显微镜才能实现微细作业； 4 为了灵活地改变操作对象的位姿，要求微操作机器人具有多自由度，且 操作灵活，便于调整； 鉴于微操作的上述特点，一个基本的微操作系统由以下几个方面组成： 第l 苹绪论 1 高倍率、高分辨率的显微视觉系统。 2 两个自由度以上的高精度、大范围运动的作业平台及辅助设备； 3 能够改变操作对象位姿的多自由度微操作机器人手； 4 适于微小物体操作的微操作器，如进行微型零件装配的夹持器，进行微 细外科手术的注射器、手术刀等。 1 2 2 国内外相关研究现状及分析 目前研制的微操作系统主要针对微穿刺注射操作及实现微细对象的灵活操 作。 美国国家基金会于1 9 8 8 年投入1 0 0 万美元支持8 所大学研究微电子机械系 统，主要从事显微外科手术、微细作业方法、微制动器、微传感器、扫描隧道显 微镜以及原子显微镜的研究与探索【l 。 日本非常重视微操作机器人系统研究，制定了为期十年投资2 5 亿美元的“微 机器人技术研究发展计划 。东京大学、名古屋大学从十几年前就开始研究压电 元件驱动的各种无间隙驱动机构及其控制问题【l2 1 。目前，这些大学也在研究微小 物体操作的作业特征和用于微细操作的操作器，以及适于微细作业的遥控作业系 统。 瑞士、瑞典、加拿大等国家目前也在积极开展微操作机器人系统的研究工作。 瑞士联邦技术研究所( e t h z ) 从1 9 9 4 年制定了研制用于操作微小物体的微操作机 器人计划。随着微驱动技术，特别是记忆合金( s h a p em e m o r y a l l o y - s m a ) 驱动和 压电驱动技术的发展，以各种应用为目的的并联机器人系统也被研制出来【l 3 1 。 另外，国外研制成功的微操作系统或子系统大多价格昂贵，如日本已研制成 功计算机参与控制的用于生物工程的微操作机器人系统，价格高达8 0 万美金； 美国b i 0 2 r a d 公司和德国的l e i c a 公司开发的用于细胞显微操作的立体视觉系统 报价2 0 万美元。 我国一些高等院校和研究所从8 0 年代中期就开始对微操作、精密定位技术 进行跟踪性研究，国家“8 6 3 ”计划也把微驱动器，微型、微操作机器人的开发 列入计划中【1 4 】。在并联微执行器、微操作机器人的研究方面，南开大学、清华大 学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学和北京理工大学等单位已取得了一定成 果。 南开大学的“面向生物工程的微操作机器人系统”，实现了对动物细胞的转 基因注射，它的功能覆盖了生物医学工程的主要操作( 如染色体切割，细胞转基 因注射等1 。 哈尔滨工业大学蔡鹤皋院士领导的机器人研究所研制出六自由度超精密驱 北京t 业人学t 学7 西! l + 学位论文 动器0 f m r ) ，该系统与p u m a 5 6 2 机器人组成宏微操作系统，实现了精密液压 阀的装配作业。 北京航空航天大学机器人研究所研制的“面向生物工程的微操作机器人系 统 ，能在摄像头下完成全局视觉闭环反馈，且采用压电陶瓷驱动和较新颖的柔 性铰链机构，可对活体细胞和基因进行自动或半自动显微操作。 总的来说，目前国内对并联微操作机器人的研究虽然起步较晚，但发展速度 很快，已经取得令人瞩目的成果。特别是以哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、 清华大学等高等院校为代表的研究机构每年都有论文重要的国际会议发表。从研 究的重点来看，主要集中在机构结构设计、运动学分析和动力学分析，而对于控 制理论、控制系统及人机交互等系统化方面的研究还处在初步阶段。 目前关于微细作业的研究虽然已达到一定的水平，但是大多数微动机器人仍 处于实验开发阶段，只有少数的微动机器人才接近或达到实用阶段。 1 3 显微视觉系统国内外发展现状 根据操作对象不同，微操作机器人系统各自的视觉系统也略有不同，大多数 研究机构均是在原有微动机器人基础上增加了视觉系统从而获得更好的控制效 果以实现自动化、半自动化操作【l5 1 。日本通产省机械技术研究所与大阪大学合作 在研制的双指微操作机器人基础上增加光学显微镜，通过c c d 摄像机获得指尖 和微操作物体的平面位置信息，将这一信息传给控制系统实现对细胞的自动化操 作【l 们。此外还构建了显微镜的自动聚焦装置，能够对图像质量进行优化。该系统 完成了直径2 p m 的玻璃球的抓取和在任意位置的放置操作实验【1 7 ，l 引。东京大学 研制了纳米机器人系统的纳米手眼系统，该系统由实时视觉跟踪处理器、实时图 像处理器、扫描电子显微镜( s e m ) 、光学显微镜和主从操作手构成。s e m 作为主 监视器对主从手平面信息进行跟踪测量，光学显微镜作为从监视器对垂直方向的 深度信息进行监视。在纳米手眼系统帮助下，已经实现了直径1 0 p r o 的微粒子摆 放操作和3 p m 宽直线刻线工作。日本冈山大学以细胞操作为目标，以2 r a m 直径 的种子为试验操作对象，以0 6 m m 直径，2 0 m m 长的细针作为操作工具进行细胞 微操作的模拟试验。体式显微镜外接两个c c d 摄像机构成视觉监视系统，通过 监视系统对细针针尖的三维位置信息进行观察和测量【1 8 , 1 9 j 。 欧洲各国也在视觉方面进行了深入研究。德国卡尔斯鲁厄大学( k a r l s r u h e ) 研 制了m i n i m a n 机器人。原有m i n i m a ni 型机器人和m i n i m a ni i 型机器人是压电陶 瓷驱动下五自由度机器人。该机器人可以实现精密移动，再配以管状操作手后可 以精确完成微操作任务。s e r g e jf a t i k o n 教授等人在此基础上增加了视觉传感器和 力觉传感器，研制了m i n i m a ni i i 型机器人。在视觉系统引导下，机器人可在光 第1 章绪论 电显微镜或扫描电子显微镜下完成1 0 h m 以下的高精度微操作，安装微夹持器后 可以对微小物体进行高精度夹持、搬运、操作和定位。该研究小组将视觉系统分 为全局和局部传感器系统进行分别研究并在微视觉系统下的目标识别和深度信 息获取方法等方面进行了探讨。该系统配上吸管后实现了对砂2 毗聊的细胞进行 拾取、移动和定位等操作。瑞士洛桑大学采用激光扫描显微镜作为监视装置，利 用激光直接测量高度信息，根据图像获得平面信息。同时，在视觉信息基础上开 展了微小型机器人微操作的虚拟现实技术的研究。 相对国外，国内研究起步较晚，直到最近几年才有微操作视觉方面的相关研 究报道出现。北京航空航天大学、南开大学首先以生物细胞为研究对象，在视觉 系统的伺服控制、深度信息获取方法等方面进行了探讨。哈尔滨工业大学以微机 械零件装配为操作目标，以体式显微镜作为监视系统进行了视觉系统的研究。我 国北京航空航天大学机器人所已经实现了“面向生物工程的微操作机器人系统 的显微视觉伺服控制【2 眦2 1 。视觉系统的发展一直都受到国内外研究机构的重视， 但目前为止，总体来说微操作显微视觉系统还存在很多问题，对显微视觉系统的 深入研究已经成为当前微操作研究的紧迫任务之一。 1 4 本研究课题的来源及主要研究内容 本文的研究课题来源于北京市重点实验室跨学科合作项目，是已完成的国家 自然科学基金资助项目“微超声振动切剖机器人系统研制及微切剖研究 ( 6 0 2 7 5 0 3 1 ) 的进一步扩展和完善。课题将对实验室现有研究成果改进，进行功能 扩展，再进行系统集成，研制出一套结构合理，控制可靠，使用方便的集成化的 细胞微操作系统。故本课题主要工作内容包括： 1 分析现有系统，提出改进总体方案，对新系统做出整体重新规划； 2 新系统压电陶瓷的驱动与控制方案，对现有及新增功能模块的控制方法研 究，并将各个部分整合到的统一的控制系统中，主要研究压电陶瓷驱动技术，建 立完整的计算机软硬件控制系统； 3 建立高效的图像采集处理系统，研究内容包括显微图像原理，硬件选型， 图像采集技术及相应标准，算法设计和程序实现； 4 用户程序开发，建立友好高效的用户应用界面，充分实现系统对用户开放 的各种功能。 第2 章系统总体方案设计 2 1 北京市重点实验室前期研究成果介绍及分析 圈2 - l 北京r l 业大学研制的微操作机器人系统 f i g2 - 1m i c z o m a n i p u l a t o rs y s t e m o f b 叫l l l g u m v e r s i t y o f t e c h n o l o g y 我校在生物微操作机器人方面的研究也开展得较早，并且已经取得了很有价 值的成果( 如图2 - 1 1 。从1 9 9 8 年至2 0 0 6 年，刘德忠教授带领的科研团队一直在 坚持从事微操作机器人系统方面的研制研究过程中“智能型微执行器系统的研 制”和“微超声振动切剖机器人系统研制及微切剖实验研究”两个项日分别得到 国家自然科学基金资助。 图2 - 2 微操作机器人结构 f i g2 - 2 m i e r o o p e r a t i o nr o b o t3 n u c m r e 到目前为止，已经研制成功一台面向生物工程微操作的3 自由度并联微动操 作机器人和振动微切剖单元，见图2 - 2 。机器人平台运动分辨率达到ol 肌i 可 蕊 第2 章系统总体方案设计 绕水平轴旋转0 5 7 。，沿垂直轴方向移动0 6 0 r a m 。振动微切割单元安装在并 联机器人动平台与操作针之间，用于振动穿刺，有效解决了细胞穿刺过程中存在 的损伤问题。 2 2 现有微操作机器人的不足 虽然我校现有研究成果有一定价值并且有自身技术特色，但是与国内外先进 的系统相比，我校现有实验平台还存在一定不足： 图2 - 3 微操作机器人系统简图 f i g 2 - 3s k e t c ho f m i c r o - m a n i p u l a t i n gr o b o ts y s t e m 首先，由于实验平台研制时间跨度较大，工作量大，使用的仪器设备较多所 以存在着系统性不强的缺陷。实验平台现有功能包括光学显微，图像采集，并联 机器人控制，振动穿刺等功能，这些功能联系不紧密，处于各自相对独立的状态 ( 图2 3 ) ，这样造成诸多问题，如成本过高，工作台的占用空间大，操作使用不 便，而且限制了系统整体的速度，平台工作效率较低。 另外，需要建立完整的平台控制系统和用户程序。现有的控制程序只部分地 控制平台，并且随着计算机的软硬件更新换代该程序已经不能再适用，需要重新 编写；系统没配备全功能的用户程序，非研发人员还难以使用本系统，所以说还 未能实现显微操作的工程化和自动化。 同时，本系统现有功能亟待扩展。现有图像采集处理系统的效果有限，图像 质量不高，影响操作目标的识别，对整体功能影响较大，是现有平台功能的薄弱 环节；并联微操作机器人的工作空间过小，在使用时只能通过人工辅助移动才能 使其移动到目标细胞附近，这种人工辅助移动难度大，难以精确定位，技术要求 高，难以掌握，是本系统的一大缺陷；此外，现有系统还不能实现细胞内物质的 北京t q k 大学t 学硕f ：学位论文 提取与注射，这使得对细胞的一类重要操作不能实现。 2 3 细胞微操作平台系统集成及其控制系统总体设计方案 根据上面分析和总结，现有系统应在系统集成化，控制系统及用户程序，功 能拓展三大方面进一步研制。其中功能扩展方面又分为三个模块：显微图象处理， 微移动平台，和微注射系统。最终要研制出用于生物微操作的高效操作系统，能 在较少人工操作情况下，可靠有效的实现细胞的定位，振动穿刺，细胞内物质交 换等微米级操作，并且要求该系统不依赖人工技术水平，能自动或半自动地实现 目标任务。这就要求新系统研制成一整套完整的微操作实验平台，为该平台配备 相应完整的用户程序，程序能方便快捷的对平台进行各种控制，同时具备数据采 集及记录功能，该平台能自动或半自动的进行细胞切剖、微注射等微观实验操作， 并且具有良好的显微图像处理功能。 故对系统做出的规划是： 1 由一台计算机完成全部驱动控制，图像采集处理，用户界面等功能。首 先，上一阶段的研究成果是由几届科研人员先后断续完成的，故在当时的实验设 备限制下，未能在研究阶段把已完成的图像采集，三坐标并联机器人驱动控制使 用同一台计算机整合，而是采用两台不同时期的计算机控制( 一台是奔腾2 时代 的计算机，一台是奔腾4 时代的计算机) 。这两台计算机的硬件功能落后，特别 是驱动三坐标并联机器人的计算机，其p c i 通用总线接口已经是被淘汰的上一代 标准接口，这给两台计算机共同完成相关任务造成了极大的不便，也给系统的升 级改进造成许多困难；其次，上一阶段系统使用的微软视窗9 8 系统，相关软件 控制代码已经不能在现在的新系统运行；另外，已经完成的微振动穿刺功能是独 立于系统外的功能模块，是使用外部驱动电源独立手工控制的，这样不利于系统 自动化，降低了系统稳定性，限制了该功能的应用范围。所以，新规划要求对现 有计算机和现有实验设备升级换代，充分整合现有功能，实现系统集成化。 2 新增的显微图象处理，微移动平台和微注射系统功能可以有机整合在本 系统内，不是简单的附属或独立模块。上一阶段的研究成果已经实现了图像采集， 机器人控制，振动穿刺功能，这些成果都是对实现生物细胞微操作非常有价值的 功能，但是还需要显微图象处理，微移动平台和微注射系统这些功能模块才能更 加有效的实现功能目标，由于是共同完成同一任务目标，这就要求新增的功能可 以完整地整合在新系统内。 3 全新的软件控制系统，实现各个核心功能，具有友好高效的用户界面， 同时具有扩展再次开发的接口，有利于实现今后新增其他功能或升级系统相关模 块。上一阶段的控制系统仅实现了图像采集，传输( 因为控制与采集图像是两台 8 第2 章系统总体方案设计 计算机) 和三坐标并联机器人的驱动控制，而且软件代码已经由于相关硬件升级 核心计算机系统而不能继续使用，所以软件必须重新编写，新软件系统不但能继 承现有功能，而且要求整合新增功能并且留有扩展接口以便未来升级。 倒置生物显微镜 陶瓷驱动电源 图2 _ 4 新系统总体方案简图 f i g 2 - 4s k e t c ho f t h en e wm i c r o - m a n i p u l a t i n gs y s t e m 由上述改进规划可看出，新系统如上图2 - 4 所示，是具有细胞显微图像采集、 处理，三坐标并联机器人操作，机器人微移动，细胞振动穿刺，细胞微注射等功 能的，整合化的系统，全部功能由一台高性能计算机控制，并且通过友好的界面 完成此系统的相关操作。 2 4 课题系统硬件组成 为进一步深入讨论新系统的构成，有必要首先研究其中被控部分和控制部分 硬件构成。系统中需要对控制或信息传输的部分主要包括：生物显微镜，超声波 振动模块，三自由度并联机器人，微移动模块和微注射模块等。微注射和微移动 两个子系统的研究属本课题的并列课题在此不讨论其控制系统组成，但是本系统 为其余留出硬件接口，以便扩展和集成。 本课题要求所有操作和处理过程使用同一台计算机完成，这就要求所有被控 设备需要和该计算机有相应的信息交换通道，在此分别介绍。 本系统采用的显微镜是奥林巴斯i x 7 0 荧光倒置式显微镜，此显微镜是传统 的生物用光学显微镜，没有数字或模拟信号输出功能，本系统需要将普通光学信 号转换成计算机可以识别的信号。故课题选用了一台模拟摄像机将光学信号转换 成模拟电信号，摄像机型号是索尼s s c d c i8 p 的彩色1 3 英寸摄像机，该摄像 机拥有高密度的1 3 英寸行转移h y p c rh a dc c d 传感器，能提供4 7 0 电视线的 高分辨率和最小1 5 1 x ( f 1 2 1 低照度的高灵敏度。但是模拟信号是不能被计算机直 北京t 业大学t 学硕卜学位论文 接识别和处理并显示在计算机屏幕上的，所以有必要再将模拟信号转化成可被系 统接受的数字信号，这就需要配备相应的图像采集卡。本课题选用大恒图像的 d h c g 4 0 0 视频采集卡，该采集卡是一款彩色黑白视频图像采集卡，具有使用 灵活、集成度高、功耗低等特点。视频采集卡采用p c i 总线和计算机进行数据交 换，所采集的图像数据传输基本不占用c p u 时间，并可将图像直接传送到计算 机内存或显存。通过这一系列转换显微镜的光学信号就可以转换为计算机可识别 的数字信号，构成了图像采集的硬件通道，该通道只占用了一个通用的p c i 总线 插槽( 普通计算机主板一般有三个以上) ，为其他控制预留了总线资源，并且可以 移植性强。 图2 - 6 系统硬件设备简图 f i g 2 - 6s k e t c ho fh a r d w a r eo ft h es y s t e m 课题中最重要的两部分执行机构是超声波振动模块和三自由度并联机器人， 在前期的研究中，这两部分执行机构分别独立控制，本系统根据要求将其集成在 一台计算机下控制。超声波振动模块和三自由度并联机器人都属于微动机构，故 这两个执行机构都采用压电陶瓷驱动，压电陶瓷的激励电压会超过1 0 0 v ，对电 流的稳定性也有很高有求，不能用普通电源驱动，更不能使用计算机直接控制的， 本系统为实现其工作目标配备了两台压电陶瓷驱动电源，分别是博实 h p v - 1 8 0 1 5 a 0 5 0 0 单路压电陶瓷驱动电源，用于驱动振动臂，芯明天 h v a 一3 c 0 3 0 0 a 0 3 0 0 三路压电陶瓷器动电源，用于驱动并联机器人。这两种电源 都可以通过计算机的2 5 针d 形并口和计算机通信，实现计算机控制电源的工作， 同样，2 5 针d 形并口也是计算机的标准接口，而且两部电源经过级连通过一个 并口就可实现与计算机的通信。 如图2 - 6 所示，系统计算机通过p c i 总线和2 5 针并口与相关设备通信，所 以通过该计算机可以完成图像采集，并联机器人驱动和振动模块控制功能，实现 第2 章系统总体方案设计 了系统集成的基础。 2 5 课题系统软件组成 图2 - 7 软件系统简图 f i g 2 - 7s k e t c h o f t h es 0 1 a r es y s t e m 经过对系统整体方案的相关设备和硬件信息通道的设计，本课题已给出系统 设备构成和硬件组成方案。根据前文所述，为达到此次设计的最终要求，还有必 要设计出一整套完整的软件控制系统。本设计的软件系统，主要有五大部分组成： 用户界面，三自由度微动机器人控制系统，振动波发生系统，显微图像系统和扩 展接口，见图2 7 。 软件系统是本设计的关键部分，不但能起到将硬件系统从各个设备获得的数 据有机统一起来的作用，并且能够处理这些数据，根据用户要求给设备发出相应 指令，完成对系统的控制。所以，软件系统和各个部分都是围绕着用户控制程序 的，即用户界面。用户界面是本系统和操作者的交流平台，操作者实现系统功能 的直接方式。故用户界面设计必须能够实时显示操作图像对象状况，能够对相关 设备发出各种操作指令，并且这些操作和显示功能要直观方便，界面友好，有利 于用户的使用操作。 三自由度微动机器人控制系统和振动波发生系统，是围绕着用户界面服务的 两大控制软件模块，它们的主要功能是将用户的操作指令转换为相应的信号，这 些信号是符合计算机并口信号标准的数字信号，能够被两台压电陶瓷驱动电源所 识别，驱动三自由度并联为东机器人和振动波发生模块正常工作。 显微图像系统是软件系统的重要组成部分，它是系统反映操作环境和功能实 北京t 业大学工学硕i ：学位论文 现效果的渠道。显微图像系统主要包括图像采集，图像处理和图像显示三部分： 图像采集程序是将硬件c g 4 0 0 图像采集卡的数字图像信号采集到分配的内存的 程序，主要功能是在计算机上开辟内存空间，实时地将图像采集卡中的信息载入 该空间以供其它程序调用；图像处理程序功能是将原始的数字图像经过有关算法 处理成更加清晰、更能反映显微图像特征的图像信号，这样有利于操作观察图像 信息，也便于自动控制的图像识别；显示部分是将要显示的图像信息从相应内存 中提取，以用户程序要求加载在合适的显存区域的相关程序。 以上所述的各个程序模块共同构成了本课题的软件系统，另外在设计中预留 了一些扩展接口，其它功能加入便增强软件系统，也为以后的进一步设计留下空 间。 2 6 本章小结 本章在深入讨论分析现有研究成果的基础上，提出了本系统应在系统集成 化，控制系统及用户程序，功能拓展三大方面工作的要求，进一步做出了细胞微 操作平台系统的设计要求和系统集成及其控制系统总体设计方案。详细介绍了细 胞微操作平台系统的设备构成，控制部分硬件构成，信息通道和软件系统构成。 第3 章压电陶瓷微驱动器控制 3 1 引言 第3 章压电陶瓷微驱动器控制 高精度是生物微操作系统的最主要特征，在微操作系统中，决定精度的关键 因素除了能够实现精确运动的机构形式，还需要有能够实现高精度运动的微驱动 器。作为微动机器人的驱动关节，微驱动器既要满足本身重量和体积小，又要满 足大的驱动力和转矩，以及大作业空间等方面的要求。已经开发并探讨的多种高 精度微驱动器中，主要有微电机( 直流伺服电机、步进电机、音圈电机、静电电 机、超声波电机、电磁型电机等) 、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、电磁铁、 超磁致伸缩材料驱动器等【2 3 】。 压电陶瓷驱动器利用逆压电效应将电能直接转换成直线机械运动，作为微驱 动器，具有定位精度高、体积小、响应速度快、负载能力强的特点，而且低功耗、 低噪声、无磨损与破损等其他方式驱动器所无法比拟的优越性【2 4 】，这使其在微操 作领域受到得到广泛的应用。但输出位移范围小是压电陶瓷材料的最大缺点，另 外，解决其精确控制问题也一直是近年来研究的热点。 3 2 压电陶瓷材料特性 3 2 1 压电特性 当压电晶体在外力作用下发生变形时，在它的某些相对应的面上产生异号电 荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生电荷的现象叫做正压电效应。相反， 在压电晶体中还存在着逆压电效应，即电介质在外电场的作用下，能够产生应变， 应变的大小与电场大小成正比。在极化方向上施加电场e ，由压电方程可得压电 陶瓷在该方向的伸长量为： 越= d e ( 3 - 1 ) 式中：d 压电伸缩系数( 常数) 3 2 2 受力特性 当压电陶瓷驱动器承受载荷时，其在相同驱动电压下的伸长量与空载荷时并 不相同。当外载荷达到封锁力只懈后，压电陶瓷的变形能力将完全消失，只眦 与压电陶瓷的刚度k r 和空载最大变位量缸有如下关系： 北京t 业人学t 学硕i j 学位论文 f m 。k r a l ( 3 - 2 ) 恒定载荷和弹性压力载荷对压电陶瓷驱动器的影响是不一样的。 3 2 - 2 1 恒定载荷影响 图3 - 1 对比了空载和恒定载荷( 轴向) 状态下压电陶瓷的驱动电压( 一输出 位移o ) 特性，特性曲线分别为a 和b ，其中 a l = 州k r ( 3 3 ) 式中：址零点偏移 ， 一叵定轴向载荷 k r 压电陶瓷驱动器的刚度 q 司 f l 己8 | _ b l 图3 1 恒定载荷静态特性图 f i g 3 - 1s t a t i ce h a r a e t e ru n d e ri n v a r i a b l el o a d 可见，压电陶瓷在工作状态下如果作用有恒定的载荷，则会产生零点偏移， 但不影响它的输出幅度。 3 2 。2 2 弹性压力载荷影响 图3 2 反映了压电陶瓷空载状态和轴向受弹性压力载荷时的“一s 特性，特 性曲线分别用a 和b 表示。 根据等效原则： a l = l o ( 1 - k 7 僻7 + k s ) )( 3 4 ) 式中：三o 空载最大位移输出 k s 负载弹簧刚度 压电陶瓷输出位移、工作频率和负载能力之间存在的密切关系对压电陶瓷的 动态应用意义重大。首先，压电陶瓷在动态工作时，它将受到一个等效质量的惯 第3 章压电陶瓷微驱动器控制 性力凡y m 的作用，力的大小与工作频率 等效质量m 和输出幅度有关。 = m a = m ( 2 n f ) 2 ( l 0 2 ) ( 3 - 5 ) q 哟 3 - 2 弹性载荷静态特性 f i g 3 - 2s t a t i cc h a r a c t e ru n d e re l a s t i cl o a d 谐振频率是压电陶瓷动态工作时的另一重要指标，( 空载时的谐振频率由厂 家提供) ，实际上可将它视为弹簧一质量系统，当有载荷时谐振频率而为： i = ( 1 2 n ) x 厩r m ( 3 - 6 ) 可见，在压电陶瓷微位移驱动中，应尽量减小等效质量以提高谐振频率、降 低惯性力的影响，工作频率和输出幅度也是惯性力的影响因素，设计中可以通过 验算来判断其影响程度。 3 2 3 迟滞非线性 图3 3 迟滞模型 f i 9 3 - 3h y s t e r e s i sm o d e l 压电陶瓷驱动器在较高电场的作用下会产生严重的非线性、迟滞和蠕变。国 内外很多学者对其迟滞和非线性的成因进行了深入的研究：文献【2 5 】认为其主要 由铁电效应和电致伸缩效应引起；文献 2 6 2 8 认为内摩擦所引起的粘滞是引起 北京t 业大学t 掌坝t 学1 节论文 迟滞和非线性的主要原因，文献 2 9 】认为非1 8 0 。电畴在电场作用下的转向及转 向的不完全可逆分别是造成压电陶瓷驱动器的非线性和迟滞的主要原因。驱动电 压幅值、驱动电压频率、驱动循环次数及晶片厚度都对压电陶瓷的迟滞和非线性 有不同程度的影响。压电陶瓷的静态特性都存在着迟滞特性：在某一个驱动电压 下，压电陶瓷的伸长量与其初始驱动电压有关，即从低电压和高电压达到某电压 时，其伸长量是不相同的，如图3 3 所示。迟滞的量化值表示为伸长量一电压关 系曲线上最大的位移差a 与最大伸长量b 之比的百分数：a b x1 0 0 。 3 2 4 蠕变特性 蠕变是关于稳定性的术语，也是压电陶瓷的重要特性之一。如图3 4 所示， 当驱动电压发生变化时，压电陶瓷会在瞬间响应( 嬲) ，产生位移量址l ，随后在 驱动电压不变的情况下，压电陶瓷在相对较长的时间内继续伸长( 或缩短) a l z 。 量化的蠕变系数定义为附加的位移与瞬间响应的百分比：a t 1 m - a 1 0 0 。 图3 - 4 蠕变模型 f i g 3 4c r e e p i n gm o d e l 3 3 微动并联机器人压电陶瓷驱动与控制 前文已述，本系统的执行末端之一是一个三自由度的并联机器人，其驱动器 是三个压电陶瓷，本节将介绍这一组压电陶瓷的控制方法。 3 3 1p 8 3 0 3 0 型压电陶瓷 本文系统的并联机器应用p i 公司生产的p 8 3 0 3 0 压电陶瓷驱动器，外观尺 寸见图3 5 ，详细参数见表3 1 。该型号压电陶瓷能够承受最大1 0 0 0 n 压力，空 载荷情况下最大伸长量为4 舡所，代入公式( 3 2 ) ，可以求出其静刚度k r 为 2 2 2 n p m ，出厂参数为1 9 n l a m ( - f 2 0 ) 。假设压电陶瓷驱动器安装时的预紧力为 l ：2 i ：2 登2 3 n , 则驱动器本身缩短了01 5 跏m ，与其本身长度5 8 r a m 相比，完全可以忽略。 图3 - 5 p - 8 3 03 0 型压电陶瓷 f i g 3 - 5p - 8 3 0 3 0 p z t t r a n s l a t o r 由附录1 可知，三条支链压电陶瓷驱动嚣最大伸长量分别是3 15 9 9 9 、3 42 5 5 9 和3 54 8 1 8 , m ，k 2 = 1 9 n g m ，上庐4 5 9 珊，分别代入方程( 3 4 ) ，整个机构相当于分 别施加在三个压电陶瓷之上的弹簧相并联，刚度约等于三个弹簧刚度的总和 k s - 1 92 3 n , u m 。 表3 - 1p 一8 3 03 0 型压电按能器技术参数 f 0 皿3 1p 3 03 0p z t t r a n s l a t o r s t 凹h n i c a l d a t a 型号单位 空载荷最大伸长量r o1 0 0 v ) , u m 开环精度 n m 静态受力刚度1 9 2 0 n g m 晟大受压拉力 1 0 0 5 转矩限制n 2n m 电容 54 2 0 驴 动态工作电流系数c )l o l ( h z , u m ) 空载谐振频率f r o )胜 标准工作温度范围 - 2 0 + 8 0 。c 电缆k 度 1 0 0 重量 2 i 5 k 度f l ) 5 8 03 3 3 2h v a 3 c 0 3 0 0 a 0 3 0 0 驱动电源 在本系统的总体设计方案中已经提到本设计采用h v a 3 c 0 3 0 0 a 0 3 0 0 三路 压电陶瓷驱动电源驱动f 见图3 - 6 1 本系统的三自由度微动并联机器人上的三个压 电陶瓷。h v a - 3 c 0 3 0 0 a 0 3 0 0 详细参数件表3 2 ，该压电陶瓷电源是一种为压电陶 瓷致动器设计开发的高品质驱动电源，能够为压电陶瓷提供高稳定性、高分辨率 滢鞠縻勇捌 ：耋：；：銮：i ：；：2 ：錾耋圣 的电压并且有着优良的频率响应和极低的静态纹波。 图3 - 6h v a - 3 c 0 3 0 0 a 0 3 0 0 压电陶瓷驱动电源 f i 9 3 - 6 h v a - 3 c 0 3 0 0 a 0 3 0 0 t y p e p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c d r i v e p o w e r 幽3 - 7 h v a - 3 c 0 3 0 0 a 0 3 0 0 压电陶瓷驱动电源工作原理 f i g 3 - 7 h v a - 3 c 0 3 0 0 a 0 3 0 0 t y p e “e c m cc e r a m i c & i r e p o w e r s w o r k 删n c i p l c h v a - 3 c 0 3 0 0 a 0 3 0 0 压电陶瓷驱动电源工作原理如图3 7 所示，h v a 电源采 用中央处理器控制及1 6 位数模转换，实现了输出电压的高稳定性、高分辨率。 该电源具有上位机s p p 接口，可通过该接口与计算机串口通信，实现系统计算 机的直接控制，并且具有级联控制功能，级联控制数量最多可达2 5 5 台，通过该 功能可实现用一台计算机的一个串口控制多台电源。 表3 - 2 h v a - 3 c 0 3 0 0 a 0 3 0 型压电陶瓷驱动电源技术参数 输出路数 路 输山电压范围 1 0 十3 0 0 峰值输出电流 0 3 输出电压静态纹波 兰1 嘶平均值) m r 输出电压分辨率 2 0腽 计算机接口模式 s p p 最多级联控制数量5 2 5 5 厶 i z i 自定义波形存储量5 1 2 b y t e 自定义波形时问问隔0 2 1 0 0 0嬲 过流保护电流 0 3么 供电电压 2 2 0 + 1 0 v ( a c ) 输入功率 1 0 0w 工作温度0 4 5。c 3 3 3 压电陶瓷微驱动器控制方法 压电陶瓷的优良特性使其在多个领域得到了应用，但是压电陶瓷驱动器同时 也存在着明显的不足在较高电场的作用下将产生严重的非线性、迟滞和蠕 变，从而大大降低了它的定位精度。必须采用适当的控制方法来改善或消除压电 陶瓷驱动器非线性、迟滞和蠕变。在控制方式上，可采用开环或闭环控制；在驱 动方式上，可采用电压或电