CN110450072B - 一种基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微纳技术、微机电一体化技术领域，具体涉及一种基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法。本发明基于三维视觉成像技术、微加工装置和三维成像反馈技术，将多微纳末端定位装夹于目标微纳末端，解决了现有微纳末端定位装夹结构单一的问题，具有操作自动化的优点，并提高了对微纳末端定位装夹的定位精度；此外，本发明控制多微纳末端的折弯位置和折弯角度，使得多微纳末端与目标微纳末端的尖端部位于同一直线或同一平面上，便于多微纳末端的协作执行，提高工作效率。

Description

一种基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法
技术领域
本发明属于微纳技术、微机电一体化技术领域，具体涉及一种基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法。
背景技术
目前，微纳末端作为微纳米级研究领域的常见执行器工具，简单的结构设计对于微纳操作及其测量等应用具有明显的经济和实用效益。但对于某些特殊场合，要求多微纳末端的协作执行，这就要求多样化设计微纳末端的结构形式。尽管传统手工的微纳末端设计方法相对简单，但存在结构单一且效率低下等问题。此外，对于单微纳末端的定位装夹也相对简便，由于缺乏反馈环节的开环控制，易造成微纳末端定位装夹的精度低、效果差等问题，也无法满足复杂任务对于多微纳末端操作的特殊形状需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法，以解决现有微纳末端定位装夹存在的结构单一、效率低下、定位装夹精度低且效果差的问题，同时，实现对多微纳末端进行互定位装夹的功能，具有三维实时成像和反馈、自动化操作的优点。
基于上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法，包括以下步骤：
（1）基于三维成像，构建目标微纳末端的点云数据；利用微加工装置对目标微纳末端进行切削，形成多个对称型扁平槽，从微纳末端的钝端至尖端，依次记为T1、T2、…、Tn；
（2）基于三维成像，构建对称型扁平槽T1、T2、…、Tn结构的点云数据，结合目标微纳末端的点云数据，确定目标微纳末端的折弯位置和截断位置，并对目标微纳末端进行折弯和截断；
（3）基于对称型扁平槽T1的点云数据，模拟出与对称型扁平槽T1相配合的双层夹紧结构的点云数据，利用计算机控制微加工装置，对固定于三维微转动台上第一微纳末端的端部进行切削，形成与对称型扁平槽T1相配合的双层夹紧结构；
（4）基于对称型扁平槽T1的点云数据，确定对称型扁平槽T1与目标微纳末端的相对位置，从而确定第一微纳末端的折弯位置和截断位置，利用计算机控制微加工装置，驱动折弯装置对第一微纳末端在折弯位置处进行折弯，控制切断装置对第一微纳末端在截断位置处进行截断；
（5）控制第一微纳末端的运动，将第一微纳末端定位装夹于目标微纳末端的对称型扁平槽T1；
（6）重复步骤（3）～（5），依次将第二微纳末端、第三微纳末端、…、第n微纳末端定位装夹于目标微纳末端的对称型扁平槽T2、T3、…、Tn。
进一步地，步骤（1）基于三维成像，构建目标微纳末端的点云数据，利用微加工装置对目标微纳末端进行切削，形成多个对称型扁平槽的具体过程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
.基于三维视觉成像，对目标微纳末端进行整体扫描，获取目标微纳末端的整体三维模型信息，构建目标微纳末端点云数据；
Figure 475430DEST_PATH_IMAGE002
.将目标微纳末端固定于三维校准水平台上，利用微加工装置对目标微纳末端的两侧进行对称切削，形成对称型扁平槽；从目标微纳末端的钝端至尖端，在不同位置处切削形成的对称型扁平槽依次记为T1、T2、…、Tn。
进一步地，步骤（2）基于三维成像，构建对称型扁平槽T1、T2、…、Tn结构的点云数据，结合目标微纳末端的点云数据，确定目标微纳末端的折弯位置和截断位置，并对目标微纳末端进行折弯和截断的具体过程为：
Figure 595832DEST_PATH_IMAGE004
.基于三维视觉成像，对目标微纳末端上的对称型扁平槽T1、T2、…、Tn进行扫描，获取对称型扁平槽结构的三维模型信息，分别构建对称型扁平槽T1、T2、…、Tn结构的点云数据；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
.结合对称型扁平槽T1、Tn结构的点云数据和目标微纳末端的点云数据，确定目标微纳末端的折弯位置和截断位置；目标微纳末端的折弯位置设于对称型扁平槽Tn与目标微纳末端的尖端之间；目标微纳末端的截断位置设于对称型扁平槽T1与目标微纳末端的钝端之间；
Figure 93679DEST_PATH_IMAGE006
.驱动折弯装置对目标微纳末端在折弯位置处进行折弯；控制切断装置对目标微纳末端在截断处进行截断。
进一步地，步骤（5）控制第一微纳末端的运动，将第一微纳末端定位装夹于目标微纳末端的对称型扁平槽T1的具体过程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
.对目标微纳末端上的对称型扁平槽T1进行定位，控制置于三维微转动台上的第一微纳末端进行转动，使得第一微纳末端上的双层夹紧结构在配合方向上与对称型扁平槽T1对齐，并规划第一微纳末端的运动路径；
Figure 223309DEST_PATH_IMAGE008
.耦合三维成像反馈技术，实时控制第一微纳末端与目标微纳末端的垂直度，使得第一微纳末端上的双层夹紧结构始终沿垂直方向，向目标微纳末端上的对称型扁平槽T1运动，从而将第一微纳末端定位装夹于目标微纳末端的对称型扁平槽T1。
进一步地，双层夹紧结构中间设有夹槽，夹槽的两侧设有截面为扇形的夹板，两个夹板的截面和夹槽的截面共同构成一个圆形。
进一步地，对称型扁平槽包括上下对称设置的两个卡槽，两个卡槽之间设置有方形卡接板，两个卡槽分别与双层夹紧结构的两个夹板相配合，方形卡接板与双层夹紧结构的夹槽紧配合；方形卡接板与目标微纳末端为一体化结构。
进一步地，第一微纳末端、第二微纳末端、…、第n微纳末端的折弯位置处和其尖端的距离，与目标微纳末端的折弯位置处和目标微纳末端尖端之间的距离相同；折弯后的第一微纳末端、第二微纳末端、…、第n微纳末端，靠近尖端的部分均与目标微纳末端靠近尖端的部分相平行；第一微纳末端、第二微纳末端、…、第n微纳末端的截断位置均位于其双层夹紧结构的端部。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）本发明基于三维视觉成像技术和微加工装置，在目标微纳末端上开设多个对称型扁平槽，并在第一微纳末端、第二微纳末端、…、第n微纳末端上开设与对称型扁平槽相配合的双层夹紧结构，通过双层夹紧结构与对称型扁平槽的配合，便于第一微纳末端、第二微纳末端、…、第n微纳末端在目标微纳末端上的定位装夹，解决了现有微纳末端定位装夹结构单一的问题，具有操作自动化的优点，并提高了对微纳末端定位装夹的定位精度。
（2）本发明基于三维成像反馈技术，在第一微纳末端、第二微纳末端、…、第n微纳末端向目标微纳末端移动的过程中，实时判断双层夹紧结构至对称型扁平槽的垂直度，便于对双层夹紧结构至对称型扁平槽的垂直度进行实时调整，使得第一微纳末端、第二微纳末端、…、第n微纳末端始终垂直地向目标微纳末端移动装夹，进一步提高了多微纳末端装夹定位的精度。
（3）本发明控制第一微纳末端、第二微纳末端、…、第n微纳末端的折弯位置处和其尖端的距离，与目标微纳末端的折弯位置处和目标微纳末端尖端之间的距离相同，同时，折弯后的第一微纳末端、第二微纳末端、…、第n微纳末端，靠近尖端的部分均与目标微纳末端靠近尖端的部分相平行，使得装夹后的多微纳末端的尖端部位于同一直线或同一平面上，便于多微纳末端的协作执行，提高了工作效率。
综上所述，本发明基于三维视觉成像技术、微加工装置和三维成像反馈技术，将多微纳末端定位装夹于目标微纳末端，解决了现有微纳末端定位装夹结构单一的问题，具有操作自动化的优点，并提高了对微纳末端定位装夹的定位精度；此外，本发明控制多微纳末端的折弯位置和折弯角度，使得多微纳末端与目标微纳末端的尖端部位于同一直线或同一平面上，便于多微纳末端的协作执行，提高工作效率。
附图说明
图1为本发明基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法的流程图；
图2为本发明多微纳末端互定位装夹结构组成示意图；
图3为本发明目标微纳末端的对称型扁平槽、第一微纳末端的双层夹紧结构及其定位装夹后的结构示意图；
图4为本发明目标微纳末端的局部结构示意图；
图5为本发明双层夹紧结构示意图。
图中：1、方形卡接板；2、夹板。
具体实施方式
如图1～图5所示，本发明基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法，具体操作步骤如下，
（1）基于三维视觉成像，对目标微纳末端进行整体扫描，获取目标微纳末端的整体三维模型信息，构建目标微纳末端点云数据。
（2）将目标微纳末端固定于三维校准水平台上，利用微加工装置对目标微纳末端进行对称切削，形成对称型扁平槽；从目标微纳末端的钝端至尖端，在不同位置处切削形成的对称型扁平槽依次记为T1、T2、…、Tn。其中，每个对称型扁平槽均包括上下对称设置的两个卡槽，两个卡槽之间设置有方形卡接板1，方形卡接板1与目标微纳末端为一体化结构。
（3）基于三维视觉成像，对目标微纳末端上的对称型扁平槽T1、T2、…、Tn进行扫描，获取对称型扁平槽结构的三维模型信息，分别构建对称型扁平槽T1、T2、…、Tn结构的点云数据。
（4）结合对称型扁平槽T1、Tn结构的点云数据和目标微纳末端的点云数据，确定目标微纳末端的折弯位置和截断位置；目标微纳末端的折弯位置设于对称型扁平槽Tn与目标微纳末端的尖端之间；目标微纳末端的截断位置设于对称型扁平槽T1与目标微纳末端的钝端之间。
（5）驱动折弯装置对目标微纳末端在折弯位置处进行折弯；控制切断装置对目标微纳末端在截断处进行截断。
（6）基于对称型扁平槽T1的点云数据，模拟出与对称型扁平槽T1相配合的双层夹紧结构的点云数据，利用计算机控制微加工装置，对固定于三维微转动台上第一微纳末端的端部进行切削，形成与对称型扁平槽T1相配合的双层夹紧结构。双层夹紧结构中间设有夹槽，夹槽的两侧设有截面为扇形的夹板2，两个夹板2的截面和夹槽的截面共同构成一个圆形。双层夹紧结构的两个夹板2分别与对称型扁平槽T1的两个卡槽相配合，双层夹紧结构的夹槽与对称型扁平槽T1的方形卡接板1紧配合。
（7）基于对称型扁平槽T1的点云数据，确定对称型扁平槽T1与目标微纳末端的相对位置，从而确定第一微纳末端的折弯位置和截断位置，利用计算机控制微加工装置，驱动折弯装置对第一微纳末端在折弯位置处进行折弯，控制切断装置对第一微纳末端在截断位置处进行截断。并且，第一微纳末端的折弯位置处和第一微纳末端尖端的距离，与目标微纳末端的折弯位置处和目标微纳末端尖端之间的距离相同；控制第一微纳末端的折弯角度，使得第一微纳末端折弯后，第一微纳末端靠近尖端的部分与目标微纳末端靠近尖端的部分相平行。第一微纳末端的截断位置位于其双层夹紧结构的端部。
（8）对目标微纳末端上的对称型扁平槽T1进行定位，控制置于三维微转动台上的第一微纳末端进行转动，使得第一微纳末端上的双层夹紧结构与对称型扁平槽T1在配合方向上对齐，并规划第一微纳末端的运动路径。
（9）耦合三维成像反馈技术，实时控制第一微纳末端与目标微纳末端的垂直度，使得第一微纳末端上的双层夹紧结构始终沿垂直方向，向目标微纳末端上的对称型扁平槽T1运动，从而将第一微纳末端定位装夹于目标微纳末端的对称型扁平槽T1。
（10）重复步骤（6）～（9），依次将第二微纳末端、第三微纳末端、…、第n微纳末端定位装夹于目标微纳末端的对称型扁平槽T2、T3、…、Tn。
综上所述，本发明基于三维视觉成像技术、微加工装置和三维成像反馈技术，将多微纳末端定位装夹于目标微纳末端，解决了现有微纳末端定位装夹结构单一的问题，具有操作自动化的优点，并提高了对微纳末端定位装夹的定位精度；此外，本发明控制多微纳末端的折弯位置和折弯角度，使得多微纳末端与目标微纳末端的尖端部位于同一直线或同一平面上，便于多微纳末端的协作执行，提高工作效率。

Claims (7)

1.一种基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）基于三维成像，构建目标微纳末端的点云数据；利用微加工装置对目标微纳末端进行切削，形成多个对称型扁平槽，从微纳末端的钝端至尖端，依次记为T1、T2、…、Tn；
（2）基于三维成像，构建对称型扁平槽T1、T2、…、Tn结构的点云数据，结合目标微纳末端的点云数据，确定目标微纳末端的折弯位置和截断位置，并对目标微纳末端进行折弯和截断；
（3）基于对称型扁平槽T1的点云数据，模拟出与对称型扁平槽T1相配合的双层夹紧结构的点云数据，对第一微纳末端的端部进行切削，形成与对称型扁平槽T1相配合的双层夹紧结构；
（4）基于对称型扁平槽T1的点云数据，确定对称型扁平槽T1与目标微纳末端的相对位置，从而确定第一微纳末端的折弯位置和截断位置，利用微加工装置对第一微纳末端进行折弯和截断；
（5）控制第一微纳末端的运动，将第一微纳末端定位装夹于目标微纳末端的对称型扁平槽T1；
（6）重复步骤（3）～（5），依次将第二微纳末端、第三微纳末端、…、第n微纳末端定位装夹于目标微纳末端的对称型扁平槽T2、T3、…、Tn。
2.根据权利要求1所述的基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法，其特在于，所述步骤（1）基于三维成像，构建目标微纳末端的点云数据，利用微加工装置对目标微纳末端进行切削，形成多个对称型扁平槽的具体过程为：
Figure 792686DEST_PATH_IMAGE001
.基于三维视觉成像，对目标微纳末端进行整体扫描，获取目标微纳末端的整体三维模型信息，构建目标微纳末端点云数据；
Figure 615148DEST_PATH_IMAGE002
.利用微加工装置对目标微纳末端的两侧进行对称切削，形成对称型扁平槽；从目标微纳末端的钝端至尖端，在不同位置处切削形成的对称型扁平槽依次记为T1、T2、…、Tn。
3.根据权利要求2所述的基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法，其特在于，所述步骤（2）基于三维成像，构建对称型扁平槽T1、T2、…、Tn结构的点云数据，结合目标微纳末端的点云数据，确定目标微纳末端的折弯位置和截断位置，并对目标微纳末端进行折弯和截断的具体过程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
.基于三维视觉成像，对目标微纳末端上的对称型扁平槽T1、T2、…、Tn进行扫描，获取对称型扁平槽结构的三维模型信息，分别构建对称型扁平槽T1、T2、…、Tn结构的点云数据；
Figure 819865DEST_PATH_IMAGE004
.结合对称型扁平槽T1、Tn结构的点云数据和目标微纳末端的点云数据，确定目标微纳末端的折弯位置和截断位置；目标微纳末端的折弯位置设于对称型扁平槽Tn与目标微纳末端的尖端之间；目标微纳末端的截断位置设于对称型扁平槽T1与目标微纳末端的钝端之间；
Figure 18765DEST_PATH_IMAGE005
.驱动折弯装置对目标微纳末端在折弯位置处进行折弯；控制切断装置对目标微纳末端在截断处进行截断。
4.根据权利要求3所述的基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法，其特在于，所述步骤（5）控制第一微纳末端的运动，将第一微纳末端定位装夹于目标微纳末端的对称型扁平槽T1的具体过程为：
Figure 687644DEST_PATH_IMAGE006
.对目标微纳末端上的对称型扁平槽T1进行定位，控制第一微纳末端进行转动，使得第一微纳末端上的双层夹紧结构在配合方向上与对称型扁平槽T1对齐，并规划第一微纳末端的运动路径；
Figure 681008DEST_PATH_IMAGE007
.耦合三维成像反馈技术，实时控制第一微纳末端与目标微纳末端的垂直度，使得第一微纳末端上的双层夹紧结构始终沿垂直方向，向目标微纳末端上的对称型扁平槽T1运动，从而将第一微纳末端定位装夹于目标微纳末端的对称型扁平槽T1。
5.根据权利要求1或3或4所述的基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法，其特在于，所述双层夹紧结构中间设有夹槽，夹槽的两侧设有截面为扇形的夹板，两个夹板的截面和夹槽的截面共同构成一个圆形。
6.根据权利要求5所述的基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法，其特征在于，所述对称型扁平槽包括上下对称设置的两个卡槽，两个卡槽之间设置有方形卡接板，两个卡槽分别与双层夹紧结构的两个夹板相配合，方形卡接板与双层夹紧结构的夹槽紧配合；所述方形卡接板与目标微纳末端为一体化结构。
7.根据权利要求6所述的基于三维成像反馈的微纳末端互定位装夹方法，其特在于，所述第一微纳末端、第二微纳末端、…、第n微纳末端的折弯位置处和其尖端的距离，与目标微纳末端的折弯位置处和目标微纳末端尖端之间的距离相同；所述折弯后的第一微纳末端、第二微纳末端、…、第n微纳末端，靠近尖端的部分均与目标微纳末端靠近尖端的部分相平行；所述第一微纳末端、第二微纳末端、…、第n微纳末端的截断位置均位于其双层夹紧结构的端部。
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