微操作机器人系统中的载物台控制技术研究

摘要

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。 将超声振动与微动机器人相结合，开发了一套细胞微切剖机器人系统。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，从硬件设计、视觉控制、电磁兼容三个方向研究了微操作机器人系统中的载物台控制技术。 首先，将机器人系统设计模块化。根据功能将微操作机器人系统分成吸附臂模块、载物台模块和切割臂模块分别分析。在实验的基础上提出了微操作机器人系统的改进措施，引入从电磁兼容角度设计载物台控制系统的理念。 然后，分析载物台系统特点，设计载物台模块硬件，包括复位，时钟、通信接口、电源、片选控制等多个单元；根据载物台控制的特点，提出了载物台控制系统的控制功能、控制命令及控制过程中应注意的问题。 接着，对基于视觉的载物台系统控制进行了探讨和研究，内容涉及显微视觉的组成、显微放大原理、显微视觉的建立、图像坐标与直角坐标空间的转换关系、自动聚焦、视觉标定等内容，为进一步研究显微视觉伺服控制奠定了的基础。 最后，从电磁兼容角度研究载物台控制系统，内容涉及电路设计原则、有针对性的电磁兼容改进措施等；专门为这个系统设计了防浪涌滤波器；并且对载物台系统的干扰源之一——压电陶瓷驱动器进行了电磁兼容检测和整改，提高了它的电磁兼容性。 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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.2微操作机器人国内外发展现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.2.3自动显微镜的发展

1.3选题意义

1.4本文主要内容

第2章微操作机器人系统构成

2.1微操作机器人系统构成

2.2微操作机器人系统模块

2.3吸附臂系统

2.4切割臂系统

2.4.1微操作机器人系统

2.4.2超声振动单元

2.5载物台系统

2.6载物台模块的作用

2.7本章小结

第3章载物台的自动控制

3.1显微镜载物台自动控制方法介绍

3.2单片机控制系统硬件设计原则

3.3系统硬件设计

3.3.1硬件原理图

3.3.2单片机的选择

3.3.3串口连接器件的选择

3.3.4单片机系统小单元设计

3.3.5片选逻辑电路

3.3.6电源的设计

3.3.7单片机与PC机通信接口

3.4步进电机

3.5步进电机的驱动

3.6显微载物台的控制

3.7 PC机与单片机的通信协议

3.8本章小结

第4章基于视觉系统的载物台协调控制

4.1显微视觉系统的组成

4.2显微镜的选用

4.3视觉定位的实现

4.3.1显微放大原理

4.3.2 CCD摄像机模型

4.3.3显微视觉系统模型

4.3.4载物台X，Y向坐标标定

4.3.5切割机器人X，Y向视觉定位

4.4自动聚焦

4.4.1自动聚焦原理

4.4.2聚焦评价函数

4.5基于视觉的载物台协调控制

4.6本章小结

第5章载物台控制技术中的电磁兼容问题

5.1电磁兼容的概念

5.2载物台系统控制电磁兼容的必要性

5.3显微镜控制器电磁兼容设计

5.3.1遵循电路板电磁兼容性设计原则

5.3.2显微镜控制系统电磁兼容改进措施

5.4防浪涌电源滤波器

5.4.1防浪涌电源滤波器设计

5.4.2线圈的选择

5.4.3防浪涌电源滤波器的电器特性

5.4.4防浪涌电源滤波器改进措施

5.5显微镜系统控制系统内干扰源测试

5.5.1群脉冲干扰测试

5.5.2传导发射测试

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢