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    微操作機器人系統的研究開發

    2006-04-23 控制工程

          微機械電氣系統(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)這一前沿技術主要涵蓋以下研究專題:①集成化微型儀器傳感器;②微加工與測試技術;③微操作系統。
        微操作系統作為MEMS研究領域的一個重要分支受到各發達國家的高度重視,紛紛投入大量資金進行微操作機器人系統的研究,現已研制出多種各具特色的微操作機器人實驗樣機系統[1]。
          自1993年起,在國家自然科學基金資助下,北京航空航天大學開始從事微操作機器人的研究,研究內容主要集中于各單元技術。經過幾年的技術儲備,研究重點開始由各單元技術轉向系統集成及應用,如微操作系統的數學模型、微動仿生機構綜合理論、基于圖像的視覺伺服理論、精細微操作系統的光-機-電集成設計方法等,并把生物工程作為微操作機器人系統的主要應用領域。
          把生物工程作為微操作機器人的應用領域,目的可以解釋為2點:①從應用層面說,目標相當明確地界定在“面向生物工程”上,如細胞操作、基因轉移、染色體切割等,希望給下一世紀中國的“綠色革命”帶來推動作用。②從技術層面說,定位在基于顯微視覺全局閉環的計算機伺服自動協調作業上。長遠觀之,其相關技術與微加工、微電子、顯微醫學等可觸類旁通。
    1 微動并聯機器人[2]
    “微動并聯機器人的研制”課題研制了1臺六自由度微動機器人,以其為核心建立了一套包括三自由度粗動平臺、顯微視覺系統、控制系統及周邊輔助設備的實驗平臺,并重點圍繞微操作機器人的機構選型、誤差分析、顯微視覺及系統標定等方面做了較深入的研究。具體闡述如下:
    (1) 通過對國內外微動機構的分析與綜合,設計出了創意獨特、兩級解耦的串并聯微動機器人,這在微動機器人領域尚屬首例。
    此串并聯微動機器人有六個自由度,由上(3RPS機構)、下(3RRR機構)兩機構并聯串接而成[2],它具有上下機構運動解耦,運動學、動力學及誤差分析簡便,控制成本低,加速度大,可完成粗調、細調2種功能等特點。其具體技術指標如下:外形尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,工作空間為40 μm×40 μm×24 μm,運動分辨率為0.2 μm。
    (2) 為了合理地分配精度,充分評估各項誤差對末端執行器位姿的影響,我們利用矢量分析的方法建立了串并聯機構結構參數誤差與位姿誤差的數學模型,分析了各項結構誤差對末端位姿的影響程度,并得出了若干對微操作機器人設計、加工及安裝有普遍指導意義的結論。
    (3) 對壓電陶瓷驅動器的驅動特性、柔性鉸鏈的機械性能、微動機器人末端位姿的選擇、微動機器人的控制方式及圖像處理等問題,做了較深入的研究,積累了許多有參考價值的經驗。
    (4) 提出了對實驗環境的若干改進措施。
    2 面向生物工程的微操作機器人系統
          大多數工業機器人是按照給定的程序做簡單重復的動作(如焊接、裝配、搬運等),不需要太強的智能。而對于微操作機器人來說,情況就有很大不同。因為被操作對象十分微小,操作人員不可能十分清楚它們的精確位置,況且外界環境的變化使得它們的相對位置不定,微觀世界里的物理法則及力學特性與宏觀世界也大相徑庭,這就要求機器人有很強的自動識別能力和決策能力。同時,溫度變化、機械振動、噪聲波動、機械蠕變等不穩定因素擾動,以及非線性微動特性、傳遞累積誤差的影響,也使得微操作機器人必須具有很強的自我調整能力(即自我實時標定及補償能力)。因此微操作機器人必須與其它儀器設備組合成一套光機電高度集成的系統,方能進行顯微操作。
          北京航空航天大學機器人研究所正在研制的用于細胞操作的微操作機器人系統包括倒置生物顯微鏡、粗動平臺、左操作手、右操作手、攝像頭、圖像處理單元、控制系統、人機交互接口等。
         本系統采用全局閉環控制方法,即將顯微視覺作為反饋控制源參與伺服控制形成視覺伺服反饋控制系統。系統的具體運作方式解釋如下:活體細胞或染色體懸浮在培養液內,左右微操作機器人對稱地安裝在顯微鏡機架上,毛細玻璃管與毛細玻璃針等操作工具作為機器人的末端執行器(毛細玻璃管用于捕捉與固定細胞,毛細玻璃針用于細胞的切割、注射等)。首先,在顯微視覺伺服的控制下,玻璃管、玻璃針及被操作對象將自動地調整到顯微鏡的焦平面內。左機器人完成活體細胞的捕捉與固定,右機器人完成切割、注射等精細操作。整個操作過程都在顯微視覺的監視下完成,即圖像處理單元實時地處理分析采集的圖像信息(如細胞、玻璃管、玻璃針之間的相對位姿,細胞核在細胞內的位置等),并變成控制信號輸送給控制器,機器人在控制器的命令下實時地對細胞進行追蹤、捕捉、注射、轉移等,直至完成整個操作過程。在進行顯微注射時,外源基因或染色體或蛋白質的注射量的多少也是在顯微視覺及注射裝置的共同監控下完成的。整個操作過程通過顯微鏡、攝像頭、監視器實時再現出來,供科研人員進行分析研究。在出現意外的情況下,操作者可根據圖像信息,通過人機交互接口對系統進行遙控操作。被操作對象的選取是由操作者通過人機交互接口完成的。
    在研制本系統過程中,已取得以下階段性成果:
    (1) 利用螺旋理論,對微動并聯機構的型綜合問題進行了較深入的研究,并給出了幾種并聯機構型綜合的新方法。
    (2) 選用Delta三自由度并聯機構作為微操作機器人機構,并結合微操作的特點,對其進行了運動學分析、工作空間優化、誤差分析及動態特性分析。作為微操作系統的核心部分,微操作機器人機構應具有外形小、工作可達域相對較大、驅動精細、有很高的定位精度與精度穩定性、良好的動態特性等特點。Delta微動并聯機構基本迎合了這些要求。它的外形尺寸為100 mm×100 mm×100 m,工作空間約為500 μm×500 μm×400 μm,運動分辨率約為80 nm。
    (3) 在多年探索研究及廣泛調研的基礎上,總結出了一些對構筑微操作機器人系統有指導意義的設計原則。它不單適用于面向生物工程的微操作機器人系統,對構筑其它應用領域的微操作機器人系統也有一定的參考價值。
    (4) 將顯微視覺作為反饋控制源參與伺服控制形成視覺伺服反饋控制系統,使顯微操作自動化程度及操作精度大大提高。操作者只需用鼠標輕輕一點被操作對象(細胞、染色體等),系統將自動完成顯微操作,如基因注射、細胞切割等。
    (5) 機械加工、裝配精度低于系統綜合精度的特點導致了系統標定的困難性,而各子系統向參考坐標系轉換的誤差,以及由溫度、振動、蠕變等因素造成的誤差的隨機性更加劇了離線標定的復雜性。本課題針對視覺伺服控制的微操作機器人系統的特性,提出新穎的欠參數標定法。
    (6) 本項目擬采用多套智能控制算法,如基于視覺校正的模糊自適應控制方法、基于視覺的模糊預測控制方法,實現基于顯微視覺全局閉環的計算機伺服自動協調作業。這些方法在初始模型不精確的情況下,也能保證快速、準確地定位。
    3 值得注意的若干問題
          微操作機器人系統的構筑比工業機器人的設計更為復雜,涉及的研究領域也更為廣泛。在構筑“面向生物工程的微操作機器人系統”過程中,以下問題應引起特別注意。這些問題可以作為構筑微操作機器人系統的設計準則。
    (1) 莫奢望能構筑一套“萬能機器”。由于細胞或染色體是活性的,它的形狀顏色各有不同,研制出的微操作機器人系統不可能完成所有的顯微操作。部分操作可能更適合于采用電學、化學、甚至手工方法完成。
    (2) 微操作機器人系統的各單元應剛性連接。為了減少積累誤差、增強系統抗振能力、減少標定測量次數,系統各單元應以顯微鏡視野為分布中心剛性地連接一起。
    (3) 左右微操作手的工作空間應比顯微鏡的視野大,并且包圍它。顯微鏡的視野是一定的,為了充分利用有限的空間,避免機器人在工作空間邊界附近可操作性及靈活性差的情況出現,左右微操作手的工作空間應該比顯微鏡的視野范圍大。系統安裝調試時,機器人及相關周邊設備應以視野中心分布,保證操作工具的端部與視野中心重合,并在視野內運動操作。這種安裝組合方式我們稱之為“運動集中型”微操作機器人系統。
    (4) 微操作機器人的理論工作空間應比其實際工作空間大。數學模型的精確性、驅動器的性能、機構材料的彈性變形等因素的存在,使得微操作機器人的實際可達域要比理論可達域小。在構筑機器人系統時,要特別注意這一點。
    (5) 微動機構的運動鏈應盡量短。為了增強抗振能力、減小裝配誤差、提高結構剛度,系統應盡量減少運動環節。這也是并聯機構在微操作領域倍受青睞的原因之一。
    (6) 自由度過多得不償失。理論上講,機器人自由度越多,其操作靈活性越好。但過多的自由度也意味著控制難度的增加及成本的提高。3個移動自由度足可以應付所有顯微操作,況且在微觀世界里也不易實現大范圍轉角。
    (7) 對用于細胞操作的微操作機器人來說,其運動速度和加速度尤其重要。對于細胞的注射、切割等顯微操作來說,當微注射針或微切割刀切入活體細胞時,需要一定的力方能使細胞膜破裂。如果施加力的速度比較慢,可能導致細胞膜沿工具方向凹陷,直至刺破細胞膜。速度愈慢,凹陷愈深,對活體細胞的損害程度愈大。另外,由于培養液體的粘性及流動性,操作工具的運動使細胞沿同樣的方向漂移,要使操作工具盡快捕捉到細胞,它的運動加速度愈大愈好。
    (8) 在選擇微動機構時,應盡量避免球鉸出現。主要原因是鉸鏈的加工難度太大,成本太高。
    (9) 設置限位裝置是必要的。多數微操作機構是靠材料彈性變形來實現微動的。如果材料的變形超出了彈性極限,便會斷裂,因此有必要設置限位機構加以保護。
    (10) 應慎重選擇顯微視覺系統硬件部分。倒置生物顯微鏡是整個系統中最大最重的設備。它的視野、放大倍率、機械接口、光學性能、抗振能力等都關系著系統的成敗。圖像處理周期慢與實時運動控制采樣周期快的矛盾一直很突出。盡管研究高速圖像匹配算法及控制方案是一解決途徑,但選擇高品質的圖像處理硬件(攝像頭、圖像處理板等)也是必要的。
    (11) 系統應采用使用簡單的人機交互接口。數據手套、遙控手柄、虛擬現實等高級復雜的人機交互接口裝置越來越多地應用于機器人系統。但運動鏈過長引起的積累誤差對微操作機器人系統來說是個致命的問題。因此微操作機器人系統人機交互接口的選擇不可過分追求復雜、時髦,應以簡單、經濟、實用為主要目的。如鍵盤、鼠標、觸摸屏等即可。
    (12) 應從整個系統入手提高系統精度,莫將精力過分集中于機構及驅動器上。相對于工業機器人來說,微操作機器人系統的誤差來源更為復雜,更不穩定。為了提高系統精度應考慮環境因素(振動、噪聲、溫度等)、參數因素(桿長、關節零位角、柔性鉸鏈的形狀尺寸等)、測量因素(傳感器的分辨率、非線性及標定設備的精度等)、控制和計算因素(計算機的舍入誤差、跟蹤控制誤差、數學模型的精確程度、控制方案的選取等)、應用因素(安裝誤差、坐標系的標定誤差等)等。
    (13) 必需簡化操作流程。活體細胞或染色體是無規律地漂浮在培養液里,為了使系統自動完成細胞操作,使機器人有規律、按步驟地動作,就必須簡化操作流程(與工廠里的自動生產線類似)。有效的解決方法是設計專用的培養器皿或細胞矯正器(Bio-aligner,類似于生產線上的喂料器),使活體細胞整齊排列并逐個移送到指定位置。
    (14) 微操作機器人系統對環境要求比較苛刻。有些顆粒或灰塵的體積可能比卵細胞還要大,另外活體細胞的培養對環境的溫度濕度也有要求,因此周圍環境的質量是不可忽視的。這一點已引起科研工作者的廣泛注意。
          系統的抗振性能也是值得注意的問題之一。系統不但要求機構緊湊、固有頻率高,還要將整個系統安裝在防振平臺上。
    4 微操作機器人系統的研究熱點與難點
          在微操作系統研究領域,由于其本身精度的要求及微空間內獨有的物理法則,微操作機器人系統的研究至今仍存在許多理論和技術難題,主要表現如下:
    (1) 系統標定 事實上單獨靜態地對微操作系統進行精確標定是行不通的,只有將幾何標定與具有自學習功能的智能控制結合起來才能解決標定問題。
    (2) 顯微視覺伺服系統亟待完善 就目前來說,多數微操作機器人只有一套顯微監視系統,其操作控制方式是由操作者根據顯微監視系統輸出的圖像,通過操縱手柄、指套、鍵盤等來遙控微操作機器人的運動。這套監視系統通過操作者的眼睛、大腦和手形成一個大的控制閉環,操作者的精神狀態、熟練程度影響著整個系統的控制精度和效率,不利于提高整個系統的自動化程度。將顯微視覺作為反饋控制源參與微操作機器人的伺服控制,是最佳解決途徑之一。
    圖像數據的采集和處理延時一直是實現視覺伺服控制的主要障礙。對于微操作機器人來說,這種現象更為突出。微執行器的細小尺寸及材質、微操作對象的形狀逼近性、載體的透光品質、顯微鏡的光學性能、微操作的高精度要求、外界振動及灰塵的介入等因素,使得圖像數據處理的延時更長。因此,為實現視覺實時閉環,提高控制品質與速度,研究視覺控制方案,開發具有系統自標定功能的顯微視覺伺服系統是努力的目標。
    (3) 微操作控制理論需做進一步的探討 微操作機器人系統是一個高度復雜的非線性系統,傳遞累積誤差和超高精度微位姿實時檢測的困難,造成建立精確模型設計控制方案和獲得準確的手端誤差信號進行反饋控制比較困難,所以系統的微運動控制精度也難以保持穩定(魯棒性差)。嘗試新的控制算法是一條可行之路。
    (4) 微操作機器人可達域與運動分辨率之間的矛盾有待解決 受高精度壓電驅動單元的短行程和系統機械結構限制,微操作機器人的可達工作空間太小。雖然有些大行程的微動機器人已經出現(如液壓式、蠕動式[3]、變異式、模塊式、串并聯式等典型機器人),但積累誤差、結構復雜、運動分辨率低、控制不便等問題也隨之出現。結構緊湊、大可達域、高運動分辨率、整體化結構(Totally monolithic structure)式的微操作機器人是設計者們追求的最高“境界”[3]。
    (5) 微觀世界的物理法則十分復雜 在被操作對象的微觀世界里,其運動學及力學特性不大服從于現有的一些物理法則,因此有些控制策略也不能機械地挪用到微操作機器人系統中。操作培養液中的細胞,不但要考慮重力作用,還要考慮浮力、流動力、布朗運動、范德華力、靜電力等。如果不仔細地研究這些微觀世界里的物理現象,很難構造出完美的微操作機器人系統。
    (6) 迫切需要研究開發新型的微位移及微力傳感器 為了使微操作機器人系統具有較強的智能,微位移傳感器及微力傳感器是必不可少的。由于微觀世界里的種種條件約束,現有系統中各種微力、微位移、速度、加速度傳感器均未能成功地得到應用。
    5 結語
          目前,微操作機器人系統尚屬初露端倪的階段,很難一下子弄清它所具有的全部特有性質,有許多問題有待探索。因此在微操作機器人的發展初期,包含著很多機遇,也蘊藏著嚴峻的挑戰。微操作機器人系統應用領域很廣,本文論述的一些問題是針對面向生物工程的微操作機器人系統的,有些問題也具有普遍性。
    作者簡介
    畢樹生 男,1966年生。北京航空航天大學(北京市 100083)機器人研究所副教授。主要研究領域為微操作機器人系統。發表論文10余篇。
    宗光華 北京市 100083 北京航空航天大學
    參考文獻
    1 Grace K W.A Six Degree of Freedom Micromanipulator for Ophthalmic Surgery.IEEE International Conference on Robotics and Automation,1993:630~635
    2 國家自然科學基金委員會.國家自然科學基金資助項目研究成果年報——工程與材料科學.北京:科學出版社,1996.
    3 Eric Pernette.Robotica,1997,15:417~420


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