CN103009387B - 一种液滴微操作机械手及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液滴微操作机械手，包括上、下定位板及设在上、下定位板之间的定位环；上定位板上安装有多个微型步进马达；机械手还包括毛细微管，毛细微管的下端穿过定位环及下定位板；下定位板上安装有与微型步进马达相同数目的多个三角形连接板，每个微型步进马达的丝杆式输出轴与导轨均穿过定位环安装在一个三角形连接板上，且该三角形连接板能够沿着该微型步进马达的导轨移动；毛细微管的下端环绕有与三角形连接板相同数目且拉直的多根钨丝棒，每个钨丝棒的上端与一个三角形连接板连接。本发明通过改变每根钨丝棒的直径和根数，可以调整微小物体姿态控制的精度。该方法简单易行，适用于任意形状微小物体的操作。
Description
技术领域
本发明涉及液滴微操作技术领域，特别涉及一种液滴微操作机械手及控制方法。
背景技术
随着机械电子产品的小型化，机电产品的元器件也逐渐趋向小型化，薄型化的发展趋势。在微型部件的装配中，往往涉及到微型部件位置和姿态的调整，这对微操作装置提出了很高的要求。
目前国内外对于微小部件的装配，主要有基于微操作工具的方法、真空吸附法与基于表面张力的方法等。
南京航空航天大学韩江义所提出一种夹钳式力反馈微遥操作系统，通过夹钳式主手，压电陶瓷驱动的微夹持器和主从式反馈控制模块，可使操作者在遥微操作中有夹持力觉临场感，实现对于微小物体的夹持和移动操作。
日本名古屋大学的TAMIO开发的一种双指微操作手，模仿筷子夹持物体的机理，实现对于物体的拾取、移动、旋转和释放。虽然这种直接夹持方法比较稳定，但是微尺度对于传感器的精度提出了很高的要求，而且夹持操作难免会导致夹持部件的变形，对部件造成一些不良的影响。
真空吸附法在微装配中应用最为广泛，通过负压的方式来吸持微小部件，但这种方法很难实现微小部件的姿态调整，而且对吸附表面有严格要求。
日本琦玉大学的芳贺哲也提出了一种通过毛细管内负压借助液体表面张力间接吸持部件的方法。这种方法避免了直接夹持对物体带来的挤压，但是机械操作的灵活性降低，只能实现部件的移动操作，而无法实现部件三维空间内姿态的调整。
ImperialCollegeLondon的Richard提出基于表面张力的自适应微型机械装置，装置通过微型部件连接部位处的液体表面张力来控制连接部位的转动角度；东京工业大学的KaijiSato提出了一种液体表面张力驱动微小部件自适应定位方法，讨论了自适应运动方法的影响因素和改进方法，这些方法都是将表面张力应用到微小物体的姿态调整中，但只能调整特定的姿态。
除了上述的方法之外，微小机器人在微装配中应用也越来越多，但由于系统的复杂性和应用环境的限制，目前还没有得到广泛的应用。
发明内容
本发明的发明目的是针对现有基于液体表面张力的微操作技术不足，提供一种液滴微操作机械手，通过拉直的钨丝棒的上下移动，控制液滴的形态，改变吸附在液滴表面的微小物体的姿态，从而实现任何形状的微小物体空间范围内位置和姿态的控制。
进一步地，提供一种液滴微操作机械手的控制方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种液滴微操作机械手，包括上、下定位板及设在上、下定位板之间的定位环；上定位板上安装有多个微型步进马达；所述机械手还包括毛细微管，毛细微管的下端穿过定位环及下定位板；下定位板上安装有与微型步进马达相同数目的多个三角形连接板，每个微型步进马达的丝杆式输出轴与导轨均穿过定位环安装在一个三角形连接板上，且该三角形连接板能够沿着该微型步进马达的导轨移动；毛细微管的下端环绕有与三角形连接板相同数目且拉直的多根钨丝棒，每个钨丝棒的上端与一个三角形连接板连接；每个钨丝棒的下端也穿过下定位板，液体通过毛细微管流入钨丝棒所围成的环形区域并在钨丝棒所围成的环形区域的下端端面形成液滴。
优选地，所述钨丝棒为6-10根，且钨丝棒的下端面表面光滑。
优选地，所述钨丝棒为6根，6根钨丝棒的直径一致，钨丝棒直线度小于0.008mm，其长度为5cm-6cm，其直径为300μｍ-500μｍ。
优选地，微型步进马达为6个，其单步移动的步长为小于0.3um。
优选地，微型步进马达的顶端设有固定板，毛细微管的上端穿过该固定板；微型步进马达的丝杆式输出轴通过矩形螺母安装在三角形连接板上,矩形螺母能够沿着微型步进电机的导轨运动,每个钨丝棒通过胶水与对应的三角形连接板固定连接。固定板通过螺栓固定在上定位板上，主要起固定作用。
优选地，所述毛细微管的外径为1mm—0.5mm，内径为0.3-0.7mm，且毛细微管的下端面缩进六根钨丝棒的下端面1.5mm—2mm，液体通过注射器注入毛细微管中，并保持一定的压力。
进一步地，提供一种液滴微操作机械手的控制方法，往毛细微管中注入液体，液体流经钨丝棒所围成的环形区域，在钨丝棒所围成的环形区域的下端端面形成液滴；通过控制各钨丝棒的上下移动量，改变钨丝棒所围成的环形区域的下端端面形状，使端面形成液滴的形态也随之改变，基于表面张力吸附在液滴上的微小部件的姿态将随之变化；当钨丝棒的上下移动时，液滴的位置随之改变，从而实现对于微小部件位置和姿态控制。
可以选择通过注射器或定量泵往毛细微管注入一定量的水并保持一定的压力，从而在拉直的钨丝棒的下端端面形成液滴；微小部件吸附液滴上。
优选地，通过改变每根钨丝棒的直径和根数，从而调整微小部件姿态控制的精度。
优选地，每根钨丝棒分别由一个的微型步进马达独立驱动，每个微型步进马达通过控制每根钨丝棒的上下移动，控制液滴的形态，从而改变吸附在液滴表面的微小部件的姿态。
优选地，通过改变液体的种类，从而可以改变吸附的微小部件的重量限度。
钨丝棒的上下移动，液滴的形态会跟随改变，吸附在液滴表面的微小物体的姿态改变，因此控制钨丝棒的上下移动的距离，及移动顺序就可实现对微小部件的姿态控制。钨丝棒的上下移动的距离，及移动顺序通过微型步进电机精确控制。液滴的姿态和钨丝棒的上下移动的距离通过另一套显微装置观察和测量。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明可实现对微小元件的姿态的较精确控制。本发明的液滴和元件之间通过表面张力相互作用，作用力很小避免了直接夹持对物体带来的挤压对元件的破坏。微小部件姿态的控制则通过对微型步进电机脉冲个数及电机的接通顺序的控制来实现，控制方式简单。本发明的方法是通过钨丝棒的上下移动，控制液滴的形态，改变吸附在液滴表面的微小物体的姿态，从而实现任何形状的微小物体空间范围内位置和姿态的控制。本发明通过改变每根钨丝棒的直径和根数，可以调整微小物体姿态控制的精度。通过改变液体的种类，可以改变吸附的微小部件的重量限度。该方法简单易行，适用于任意形状微小物体的操作。
附图说明
图1是本发明液滴微操作机械手的结构原理图；
图2是毛细微管的下端环绕多根钨丝棒的结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4、图5是不同姿态的吸附图；
图6是图1的A-A剖视图；
图7是本发明的控制原理图；
图8-13是微小部件倾斜角的状态变化过程图；
图14-23是微小部件旋转的状态变化过程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。
如图1、2、3与6所示，一种液滴微操作机械手，包括上、下定位板（4、2）及设在上、下定位板（4、2）之间的定位环3。上定位板4上安装有多个微型步进马达8。机械手还包括毛细微管9，毛细微管9的下端穿过定位环3及下定位板2。下定位板2上安装有与微型步进马达相同数目的多个三角形连接板13，每个微型步进马达的丝杆式输出轴10与导轨11均穿过定位环3安装在一个三角形连接板13上，且该三角形连接板13能够沿着该微型步进马达8的导轨移动。毛细微管9的下端环绕有与三角形连接板相同数目且拉直的多根钨丝棒1，每个钨丝棒的上端与一个三角形连接板连接。每个钨丝棒的下端也穿过下定位板，液体通过毛细微管9流入钨丝棒所围成的环形区域并在钨丝棒所围成的环形区域的下端端面形成液滴。毛细微管的外径为1mm—0.5mm，内径为0.3-0.7mm，且毛细微管的下端面缩进六根钨丝棒的下端面1.5mm—2mm，液体通过注射器注入毛细微管中，并保持一定的压力。
钨丝棒为6根，6根钨丝棒的直径一致，钨丝棒直线度为0.008mm，其长度为5cm-6cm，其直径为300μｍ-500μｍ。钨丝棒的下端面表面光滑。微型步进马达为6个，其单步移动的步长为小于0.3um。微型步进马达的顶端设有固定板，毛细微管的上端穿过该固定板；微型步进马达的丝杆式输出轴通过矩形螺母安装在三角形连接板上,三角形连接板能够沿着微型步进电机的导轨运动,每个钨丝棒通过胶水与对应的三角形连接板固定连接。固定板通过螺栓固定在上定位板上，主要起固定作用。
进一步地，提供一种液滴微操作机械手的控制方法，往毛细微管中注入液体，液体流经钨丝棒所围成的环形区域，在钨丝棒所围成的环形区域的下端端面形成液滴；通过控制各钨丝棒的上下移动量，改变钨丝棒所围成的环形区域的下端端面形状，使端面形成液滴的形态也随之改变，基于表面张力吸附在液滴上的微小部件的姿态将随之变化；当钨丝棒的上下移动时，液滴的位置随之改变，从而实现对于微小部件位置的姿态控制。
可以选择通过注射器或定量泵往毛细微管注入一定量的水并保持一定的压力，从而在拉直的钨丝棒的下端端面形成液滴；微小部件吸附液滴上，如图4和5所示。
通过改变每根钨丝棒的直径和根数，从而调整微小部件姿态控制的精度。每根钨丝棒分别由一个的微型步进马达独立驱动，每个微型步进马达通过控制每根钨丝棒的上下移动，控制液滴的形态，从而改变吸附在液滴表面的微小部件的姿态。通过改变液体的种类，从而可以改变吸附的微小部件的重量限度。
钨丝棒的上下移动，液滴的形态会跟随改变，吸附在液滴表面的微小物体的姿态改变，因此控制钨丝棒的上下移动的距离，及移动顺序就可实现对微小部件的姿态控制。钨丝棒的上下移动的距离，及移动顺序通过微型步进电机精确控制。液滴的姿态和钨丝棒的上下移动的距离通过另一套显微装置观察和测量。计算机输出信号通过模拟输出卡转换并经放大器放大，进而驱动微型步进马达，如图7所示。
往毛细微管注入液体之前都要通过显微装置观察和测量确保六个拉直的钨丝棒平齐。用定量泵往毛细微管注入液体在钨丝棒底断面形成液滴。在液滴吸附微小物体时，液液体与物体之间会形成液桥如图8所示。钨丝棒b向上运动2次，每次移动0.1mm，如图9-10所示状态。钨丝棒a，c与钨丝棒b同时向上运动，每次运动0.1mm，移动3次，如图11-13所示。钨丝棒b与静止的钨丝棒d，e，f相差0.5mm，钨丝棒b与钨丝棒a，c相差0.2mm，形成图13所示的阶梯状。通过步骤1、2、3、4中每根拉直的钨丝棒的运动距离，可以控制微小部件的任意倾斜角度。往毛细微管注入液体之前都要通过显微装置观察和测量确保六跟拉直的钨丝棒平齐。用定量泵往毛细微管注入液体在钨丝棒底断面形成液滴。在液滴吸附微小部件时，液体与物体之间会形成液桥如图14所示。钨丝棒b缓缓向上移动，微小部件稍倾斜，延迟适当时间，钨丝棒c开始缓慢向上移动，微小部件保持倾斜状态开始逆时针旋转，如图14-16所示。
钨丝棒d也开始缓慢上升，此时钨丝棒b已开始缓慢向下移动，如图17所示。钨丝棒e、f、a、b相继缓慢向上移动，然后又相继向下缓慢恢复原位，在这个过程中微小部件逆时针旋转如图18-23所示。微小部件逆时针旋转了360°，整个过程如图21所示，通过改变钨丝棒的移动顺序可控制微小部件的旋转方向。由上述分析可知，通过调整labview程序中各通道脉冲的个数及电机的接通顺序，便可以使机械手按照指定运动策略移动，实现对微小部件任意姿态的控制。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (5)
1.一种液滴微操作机械手，包括上、下定位板及设在上、下定位板之间的定位环；上定位板上安装有多个微型步进马达；所述机械手还包括毛细微管，毛细微管的下端穿过定位环及下定位板；下定位板上安装有与微型步进马达相同数目的多个三角形连接板，每个微型步进马达的丝杆式输出轴与导轨均穿过定位环安装在一个三角形连接板上，且该三角形连接板能够沿着该微型步进马达的导轨移动；毛细微管的下端环绕有与三角形连接板相同数目且拉直的多根钨丝棒，每个钨丝棒的上端与一个三角形连接板连接；每个钨丝棒的下端也穿过下定位板，液体通过毛细微管流入钨丝棒所围成的环形区域并在钨丝棒所围成的环形区域的下端端面形成液滴；其特征在于：
所述钨丝棒为6根，且钨丝棒的下端面表面光滑；6根钨丝棒的直径一致，其长度为5cm-6cm，钨丝棒直线度小于0.008mm，其直径为300μｍ-500μｍ；微型步进马达为6个，其单步移动的步长为小于0.3um；
所述毛细微管的外径为1mm—0.5mm，内径为0.3-0.7mm，且毛细微管的下端面缩进六根钨丝棒的下端面1.5mm—2mm，液体通过注射器注入毛细微管中；微型步进马达的顶端设有固定板，毛细微管的上端穿过该固定板；微型步进马达的丝杆式输出轴通过矩形螺母安装在三角形连接板上，矩形螺母能够沿着微型步进马达的导轨运动，每个钨丝棒通过胶水与对应的三角形连接板固定连接。
2.一种根据权利要求1所述的液滴微操作机械手的控制方法，其特征在于：往毛细微管中注入液体，液体流经钨丝棒所围成的环形区域，在钨丝棒所围成的环形区域的下端端面形成液滴；当液滴吸附微小物体时，物体、液滴形成液桥，通过控制各钨丝棒的上下移动量，改变钨丝棒所围成的环形区域的下端端面形状，使端面形成液滴的形态也随之改变，基于表面张力吸附在液滴上的微小物体的姿态将随之变化；当钨丝棒上下移动时，液滴的位置随之改变，从而实现对于微小物体位置和姿态的控制。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：通过改变钨丝棒的直径和根数，从而调整微小物体姿态控制的精度。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：每根钨丝棒分别由一个微型步进马达独立驱动，每个微型步进马达通过控制每根钨丝棒的上下移动，改变钨丝棒群所围成的环形区域的下端端面形状，控制液滴的形态，从而改变吸附在液滴表面的微小物体的姿态。
5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：通过改变液体的种类，从而可以改变吸附的微小物体的重量限度。
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