微操作机器人精确微动移动平台的研究与开发

摘要

平台系统是整套应用于医学上对细胞切割系统中的一部分，使其承载操作臂精密微动。基于视觉的多自由度微操作平台控制系统是一种图像处理与计算机控制相结合的一种微操作平台，达到在计算机屏幕中，仅仅通过用鼠标键点击一下目标点，操作平台上的执行器便会到达目标点。由此可以省去很多用手工不断地调整平台所带来的麻烦，提高了成功率和效率，并减轻了劳动强度。微动控制平台系统牵扯的知识面比较广，内容覆盖机械设计，通信，控制，图像处理等领域。 现代医疗和生物工程领域中有越来越多的工作需要对细胞及活性微组织等操作对象实施各种形式的细微操作。开发面向细胞及微组织的自动化高精度微操作机器人系统，符合生物工程的发展需要，对国内现代医疗和生物工程的发展具有重要意义。 本文研究的内容是国家自然科学基金项目“微超声振动切剖机器人系统研制及微切剖实验研究”的一部分。设计一套微超声振动机器人系统用于细胞切割。超声振动单元安装在并联机器人的动平台上，压电陶瓷驱动器控制操作针做高频振动，直到刺破细胞的壁膜，减少穿刺过程中细胞的变形，从而减小对细胞的损伤。该系统用于牛卵细胞微切割试验，取得很好的效果。本文从实际应用出发，对于微操作机器人系统中的载物台控制技术作了详细探讨和深入的研究，对显微控制的研究有一定的实用参考价值。 将超声振动与微动机器人相结合，我们开发了一套细胞微切剖机器人系统。本文研究精密微动平台的内容是微超声振动切剖机器人系统的一部分，从硬件设计、运动控制、精度分析三个方向研究了微操作机器人系统中的精密微动平台的控制技术。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1显微操作技术概述

1.1.1显微操作(micromanipulation)

1.1.2显微操作技术(Micromanipulation Technique)

1.1.3显微操作技术应用

1.1.4显微操作系统的组成

1.2微操作执行机构

1.2.1微操作执行机构目的和意义

1.2.2国内外相关研究现状及分析

1.2.3选题意义

1.2.4本文主要研究内容

第2章微操作执行机构总体方案设计

2.1 微操作执行机构系统构成

2.1.1高倍显微镜(倒置式OLYMPUS-IX70)

2.1.2 3-PUU并联微操作机器臂

2.1.3吸附臂系统

2.1.4.细胞液提取与注射系统

2.1.5切割臂系统

2.1.6多自由度微操作平台

2.2细胞显微操作切割流程图(Cell Cuttign system Flow Chart)

2.3本章小结

第3章多自由度微操作平台方案设计

3.1硬件选择

3.1.1工作台

3.1.2驱动元件

3.1.3传动元件

3.2精度分析

3.3本章小结

第4章多自由度微操作平台的控制系统

4.1PLC控制系统硬件设计原则

4.2单片机控制系统硬件设计原则

4.3运动控制卡控制系统硬件设计原则

4.3.1运动控制卡

4.3.2运动控制卡的技术特性和使用范围

4.3.3运动控制卡的运动控制功能

4.3.4步进电机驱动器

4.3.5控制卡转接板

4.4本章小结

第5章多自由度微操作平台的硬件组成

5.1 工作台

5.2传动元件

5.2.1精密滚珠丝杠

5.2.2精密普通丝杠

5.3平台的外部尺寸

5.4应用方式的选择

5.5驱动器的选择

5.5.1伺服和步进

5.5.2所选步进电机

5.6本章小结

第6章切割臂系统

6.1微操作机器臂

6.2并联机构

6.3超声振动单元

6.4本章小结

第7章多自由度微操作平台精度计算

7.1 理论精度分析

7.1.1基于0.2in普通丝杠

7.1.2基于10mm滚珠丝杠

7.2实际精度分析

7.2.1三维反求技术的分类

7.2.2三维反求技术的应用

7.3位移传感器选择

7.3.1激光三角法

7.3.2所选传感器特点

7.4本章小结

第8章 多自由度微操作平台软件编程

8.1平台系统的整体介绍

8.2控制卡和轴设置函数

8.3运动指令函数

8.3.1独立运动函数

8.3.2插补运动函数

8.4制动函数

8.5位置和状态设置函数

8.6位置和状态查询函数

8.6.1位置查询函数

8.6.2状态查询函数

8.7 I/O口操作函数

8.8其它函数

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致 谢