CN1348848A - 基于显微视觉的微装配机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于显微视觉的微装配机器人系统,由系统控制主机、微操作机械手、真空微夹、带有摄像头的显微镜构成。微操作机械手由微动平台组合而成,微动平台上设有限位开关和零位开关,并与带有光电编码器的伺服电机连接;机械手控制器由依次相连的多轴运动控制卡、转接板及驱动器组成,多轴运动控制卡与主机连接;真空微夹由压力调节阀、第一开关、第二开关、真空发生器和吸管构成;真空微夹控制器为单片机,它分别与系统控制主机、压力调节阀及第一、二开关相连。本发明可方便、高效地对亚毫米级微粒物体进行自动和半自动操作与装配作业,其定位精度可达到1～5μm,三维空间的运动范围可达到50～150mm。本发明具有广泛的应用前景和可观的社会经济效益。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体地说，它涉及一种基于显微视觉的微装配机器人系统，是一种能对亚毫米级物体进行操作和装配作业的微装配机器人系统装置，该系统装置由微操作机械手、真空微夹、显微视觉和控制器四部分组成，该系统可用于亚毫米级微靶、钻石和各种微零件的选拣、加工和装配。
背景技术
近年来，国外利用机器人对亚毫米级微粒物体进行操作的实验研究取得了一定进展，如澳大利亚的R.A.Russell研究的“用于完成亚毫米级抓取及操作任务的机器人系统”(1994)，其实验装置的定位精度为0.05mm，并可对大小为0.2mm到2mm的目标进行操作。日本Nagoya大学的F.Arai等人研究的“用于微型操作的粘着型微型末端执行器”(1997)，提出了一种用于微操作的新型拾放方法，该方法基于微型孔内温度变化而产生的压力变化，使末端执行器表面的吸附力改变而拾起和放下物体。B.Vikramaditya等人研究的“使用光学显微镜和主动视觉技术的视觉导引微观装配”(1997)，采用视觉伺服运动可得到亚毫米级的重复精度，实验结果表明其重复精度达到8μm。日本东京大学的Hideki Miyazaki等人研究的“微粒物体三维结构的机械装配”(1997)，分析了微粒物体间的动力学及其操作原理与实验方法。
国内开展微操作机器人研究的有，南开大学、北京航空航天大学研究的用于生物医学工程的细胞注射和转基因操作的微操作机器人，广东工业大学研究的微动机器人可用于微机械加工，它们的共同特点是精度高、运动范围小和少自由度，尚不能满足微装配的要求。同时，国内目前对微装配还缺乏有效的工具(微夹)，大多采用手工操作和利用极简易的工具(如用动物毛发对微靶的静电吸附)并借助显微镜进行微装配，操作难度大，可靠性和效率低。
总之，目前国内外虽然对微操作机器人的研究工作取得了一些进展，但还存在如下问题：1)仅着重其中某个部分的研究而不是系统的整体，如微型末端执行器、主动视觉、微装配过程的动力学分析、操作原理与试验方法等；2)对于系统研究有二种情况，一是借助现有的机器人加上自己研究的某个装置构成系统，二是针对某种特定的对象构建的系统，如用于生物医学工程的细胞注射和转基因操作的微操作机器人，用于微机械加工的微动机器人等；3)运动范围小，通常只有微米级，不能满足微装配所需的三维空间的运动范围。
澳大利亚的R.A.Russell研究的“用于完成亚毫米级抓取及操作任务的机器人系统”(见R.Andrew Russell.A robotic system forperforming sub-millimeter grasping and manipulation tasks.Robotics and Automation Systems，1994-13：209-218)，它由系统控制主机、机械手和作为末端执行器的微夹组成。其机械手采用并联式机械结构，其手爪(微夹)位于并联结构框架内部，不能伸出，因此只能对置于其框架内部台面上的微粒物体进行操作，运动空间受到限制，且无法与显微视觉配合。其机械手采用弹簧拉伸式结构，用步进电机驱动，其脉冲当量为0.037mm，系统的定位精度只能达到0.05mm；其微夹是采用二指夹镊方式，无法克服指尖与微粒物体之间的粘着力(包括静电力，范德华力和表面张力)，因此在释放微粒物体时会很困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于显微视觉的微装配机器人系统，该机械人系统的运动空间是开放的，并可方便地与显微视觉相配合，满足微装配的工艺要求，而且本机器人系统定位精度高、其末端执行器(真空微夹)可克服指尖与微粒物体之间的粘着力。
为实现上述发明目的，本发明的基于显微视觉的微装配机器人系统包括系统控制主机、微操作机械手、真空微夹、带有摄像头的显微镜，所述微操作机械手、真空微夹、显微镜分别通过机械手控制器、真空微夹控制器和图像采集卡与系统控制主机连接；所述微操作机械手由微动平台组合而成，所述微动平台上设有由带有光电编码器的伺服电机驱动的限位开关和零位开关；所述机械手控制器由依次相连的多轴运动控制卡、转接板及驱动器组成，多轴运动控制卡与系统控制主机连接，驱动器与光电编码器和伺服电机相互连接；所述真空微夹由压力调节阀、第一开关、第二开关、真空发生器构成，真空发生器位于二个开关之间，吸管通过真空软管与真空发生器相连，第一开关通过压力调节阀与系统外的压力源相连；所述真空微夹控制器为单片机，它分别与系统控制主机、压力调节阀及第一、二开关相连。
上述微动平台可由三个高精度滚柱丝杆微动平台构成，第一开关和第二开关可选用二通阀。
本发明是一个将机器人技术、微操作技术、微操作工具(即真空微夹)和显微视觉有机地结合起来的完整的、具有实用性的系统。该系统的机械手采用开链式结构，其手爪(即真空微夹)安装在机械手的末端，其运动空间是开放的，可方便地与显微视觉配合，满足微装配的工艺要求。本发明所设计的机械手可采用高精度滚柱丝杆微动平台组合而成，用带有位置反馈(由光电编码器检测)的交流伺服系统控制，其定位精度可达到0.002mm。而本发明所采用的末端执行器，即真空微夹是根据真空吸附原理设计的，通过控制吸管内正负压力的大小，可有效地克服吸管尖端与微粒物体之间的粘着力，从而可靠地吸取和释放微粒物体，操作更加方便。
总之，本发明系统可方便、高效地对亚毫米级微粒物体进行自动和半自动操作与装配作业，如微靶的制备，钻石和微型零件的测量、分拣、加工和装配等，其定位精度可达到1～5μm，三维空间的运动范围可达到50～150mm。随着高技术产品向微型化发展的趋势日益加快，本发明的应用前景和社会经济效益是可观的。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于显微视觉的微装配机器人的系统总体结构示意图；
图2为图1中真空微夹及其控制器的连接结构示意图；
图3为图1中机械手控制器及其连接结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由系统控制主机1、机械手控制器2、微操作机械手3、真空微夹控制器4、真空微夹5、图像采集卡7和带有摄像头的显微镜8组成，微操作机械手3、真空微夹5、显微镜8分别通过机械手控制器2、真空微夹控制器4和图像采集卡7与系统控制主机1连接。真空微夹可以对置于操作平台6上微粒物体进行操作。其中，系统控制主机1、机械手控制器2、真空微夹控制器4构成本发明的控制器部分，图像采集卡7和带有摄像头的显微镜8构成本发明的显微视觉部分。
在本实施例中，操作机械手3由多个微动平台组合而成，采用三个定位精度为2μm，运动范围为50～150mm的高精度滚柱丝杆微动平台构成三维微动平台，以满足机械手X-Y-Z三维空间的定位与运动范围的要求。微动平台上安装限位开关和零位开关，并由带有光电编码器的交流伺服电机直接驱动，光电编码器为控制器提供位置与速度反馈信息，从而保证机械手具有精确的位置与速度控制。机械手姿态控制可根据实际应用的需要而定，通常微装配对姿态的要求不高，本发明可设计一种角度可调的夹具，将其安装在三维动平台上或将真空微夹的吸管弯曲成一定的角度来满足姿态的要求。
真空微夹5是微操作机械手3的末端执行器，是微装配操作中吸取和释放亚毫米级微粒物体或微工件的工具。根据发明人的研究，当对象为亚毫米级微粒物体时，物体的重力不再起主导作用，静电力、范德华力(即分子间的作用力)和表面张力的影响远大于重力的影响。此时，采用常规的夹镊方式难以满足要求。本发明采用真空吸附原理设计，在单片机22的控制下，可在吸管尖端产生大小适中的正负气压，从而自动完成对微工件的可靠吸取和准确放置。如图2所示，真空微夹由压力调节阀20、第一开关15、第二开关16和真空发生器17和吸管19构成。吸管19通过真空软管18与真空发生器17相连，第一开关15通过压力调节阀20与系统外的压力源21相接，第一、二开关15、16可选用二通阀。真空微夹控制器4由单片机22及其相应的控制软件构成。单片机22分别与二个开关15、16和压力调节阀20相连。系统控制主机根据装配工艺的要求向单片机发出指令，单片机输出的控制信号分别控制压力调节阀和第一开关与第二开关，使真空发生器产生负压或正压气流，产生负压时吸取微粒物体，产生正压时释放微粒物体。正负压力的大小由压力调节阀调节，使吸管的末端产生大小适中的正负气压，从而可靠地吸取或放置微粒物体。
微装配机器人的控制器由二级计算机系统构成，上位机即系统控制主机1可选用PC机或工控机，它主要完成微操作机械手3与真空微夹5的协调控制，系统的安全与管理，显微图像的采集、显示与标定。下位机包括机械手控制器2和真空微夹控制器4。
机械手控制器由多轴运动控制卡9、转接板10、驱动器11、伺服电机13和光电编码器12组成，它们的连接方式如图3所示。多轴运动控制卡9通过ISA/PCI总线与系统控制主机1连接，接受系统控制主机的指令，通过转接板10将各轴的控制参数和数据送入对应的驱动器11，同时接收光电编码器12(通过驱动器和转接板)的位置反馈信息，使系统形成闭环控制方式，从而提高控制精度。驱动器11通过转接板10接收多轴运动控制卡9的控制参数和数据，为各轴伺服电机13提供动力源。各轴伺服电机直接驱动机械手三维微动平台14，从而实现三维空间的位置、速度与加速度的协调控制。
真空微夹控制器由单片机22完成与主机的通信、并输出对压力调节阀21、第一开关15和第二开关16的控制信号。
显微视觉由带摄像头的显微镜8、图像采集卡7和系统控制主机1构成。安装在显微镜上的摄像头摄取工作平台上的微粒物体、真空微夹及其装配操作过程的动态图像，图像采集卡7将图像转换成数字图像信息送入系统控制主机1。系统标定、坐标变换、活动标尺以及工件的检测与显示等功能均由系统控制主机运行相关软件完成。
Claims (3)
1.一种基于显微视觉的微装配机器人系统，包括系统控制主机、机械手、微夹，其特征在于：该系统还包括带有摄像头的显微镜(8)，所述机械手为微操作机械手(3)，所述微夹为真空微夹(5)，微操作机械手(3)、真空微夹(5)和显微镜(8)分别通过机械手控制器(2)、真空微夹控制器(4)和图像采集卡(7)与系统控制主机(1)连接，
所述微操作机械手(3)由多个微动平台(14)组合而成，所述微动平台上设有由带有光电编码器(12)的伺服电机(13)、驱动器(11)、限位开关和零位开关，伺服电机(13)通过驱动器(11)驱动限位开关和零位开关；
所述机械手控制器(2)由依次相连的多轴运动控制卡(9)、转接板(10)及驱动器(11)组成，多轴运动控制卡(9)与系统控制主机(1)连接，驱动器(11)与光电编码器(12)和伺服电机(13)相互连接；
所述真空微夹(5)由压力调节阀(20)、第一开关(15)、第二开关(16)、真空发生器(17)构成，真空发生器(17)位于二个开关(15、16)之间，吸管(19)通过真空软管(18)与真空发生器(17)相连，第一开关(15)通过压力调节阀(20)与系统外的压力源(21)相连；
所述真空微夹控制器(4)为单片机(22)，所述单片机分别与系统控制主机(1)、压力调节阀(20)及第一、二开关(15、16)相连。
2.根据权利要求1所述的基于显微视觉的微装配机器人系统，其特征在于：所述微动平台由三个高精度滚柱丝杆微动平台构成。
3.根据权利要求1或2所述的基于显微视觉的微装配机器人系统，其特征在于：第一开关(15)和第二开关(16)为二通阀。
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