柔性导线微夹持系统结构设计

第44卷第6期2018年6月

北京工业大学学报

JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Vol.44 No.6

Jun. 2018柔性导线微夹持系统结构设计

王跃宗，隆超，王军帅，耿本良

(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京100124)

摘要：为了实现柔性导线理线焊接的自动化，以直径几十微米的柔性导线为研究对象，设计了一种具有自动引线 功能的柔性导线微夹持系统.把引线过程分解为定位、夹持、牵引和释放4个阶段，通过显微视觉系统计算显微对 象之间的相对距离，利用微夹钳操作柔性导线.设计了柔性导线自动微夹持系统的结构，包括视觉系统、微夹钳和 控制系统，对微夹钳的力学性能进行了仿真.实验结果表明:该系统能够准确计算微夹钳和导线之间的相对距离，并能成功实现夹持、牵引和释放导线的功能，能够用于任何柔性导线的微夹持环境中.

关键词：显微立体视觉；微夹持；微操作

中图分类号：TP 283; TP 391 文献标志码： A 文章编号：0254 -0037(2018 )06 -0831-06

doi：10.11936/bjutxb2017040046

Design for a Micro-gripping System Applied in Handling

the Flexible Wires

WANG Yuezong，LONG Chao，WANG Junshuai，GENG Benliang

(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Abstract：To realize automatic welding flexible wire，a micro-gripping system applied in handling the flexible wires with a diameter of tens of microns was designed in this paper.The process of handling the flexible wires was divided into four sub-procedures，i.e.，the position computing，the wire-gripping，the wire-dragging and the wire-releasing sub-procedures，which were realized through different structures and methods.The position computing sub-procedure output the relative distance between the micro-gripper and the flexible wire，which was constructed through a microscopic stereovision system.The other three sub-procedures mainly for handling the flexible wires were realized through designing a micro-gripper.

The structure of the micro-gripping system was designed and composed of microscopic the stereovision system，the micro-gripper and the control system.Moreover，the mechanical property of the micro-gripper was simulated precisely.Results show that our system can precisely compute the relative distance between the micro-gripper and the wire，and effectively grip，drag and release the flexible wires.The micro­gripping system can be widely used in the different areas of micromanipulation.

Key words:microscopic stereovision；micro-gripping;micromanipulation

微夹持系统或微操作系统在本质上属于微观机 器人的研究范畴，处理的对象多具有微小的尺度特 征，比如纳米级、亚微米级、微米级或毫米级尺度，它 们采用精密的系统级技术动态处理微小对象，实现 各种操作,如夹持、吸附、抓取等.因为微夹持或微 操作系统处理的是微观场景，通常利用显微视觉系统在计算机中展现放大后的各类对象，并进一步采 用图像处理技术提取兴趣信息，形成抽象的数学描 述.微夹持或微操作系统的另外一个重要因素是微 操作器，微操作器的结构因系统和需求的不同而有 所不同，需要根据实际要求进行设计.本文采用光 学体视显微镜构建显微立体视觉系统，以此视觉系

收稿日期：2017-04-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51675014);北京市自然科学基金资助项目（3172005)

作者简介：王跃宗（1975—)，男，副教授，主要从事微操作机器人和微视觉方面的研究，E-mail: yaozongw@ bjut. edu. cn

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统为基础设计了一种面向柔性导线的微夹持系统.

光学体视显微镜是一种精密的光学仪器，具有双 光路的成像结构，在其光路末端安装2个相机后，便 可形成结构紧凑的精密双目显微立体视觉系统.与 普通光学显微镜、共聚焦显微镜、扫描电镜等相比，光 学体视显微镜具有更大的工作空间，这是微操作必需 的条件.另外，与探针类检测技术相比，光学体视显 微镜构成的视觉系统属于非接触式的检测方式，不会 破坏被测物表面，这也是它的一大优势特征.光学体 视显微镜在构建显微立体视觉系统方面具有自身的 技术优势.Danuser[1]基于光学体视显微镜建立了一 套精密的微操作系统，用于刚性微小对象（如微小零 部件）的夹持，重点研究了视觉系统的建模和标定问 题.Sano等[2]和Seok等[3]研究了基于光学体视显微 镜的微注射问题，在视觉系统的引导下实现了微生物 对象的药物注射操作.Rogerio等研究了光学体视显微镜下的手术微操作问题，利用视觉系统计算手术 工具和视网膜之间的视差，以视差变化作为判断依据 监测两类对象之间的空间距离，当二者之间的距离减 小到一定量时，微操作系统进行报警，防止因为手术 人员的主观判断失误造成的视网膜损伤.徐征等[5]、Zhang等以光学体视显微镜为基础建立了微操作系统，并用于微装配领域.

本文基于光学体视显微镜研究了微观对象的微 夹持问题，与已有工作不同[7鄄8]，本文的研究内容是柔 性导线的微操作问题，其特征表现在:1)导线形状各 异，有很大的随机性，夹持位置的选择和定位有一定 困难;2)导线本身具有一定的弹性，在释放过程中容 易弹起，从而会偏离目标位置，对引线策略有较高要 求.微夹持的研究涉及到系统结构设计、视觉定位、夹持策略等多方面的内容，本文侧重系统结构的设 计，给出柔性导线微夹持系统的设计规则.

1柔性导线的微夹持过程

图1给出了被研究对象的结构、尺寸及引线过 程的划分规则.主体是一个线圈，其顶面有3根突 出的导线和覆盖在顶面上的3个焊盘，线圈内径约 2.5 mm，外径约3 mm，中心主轴直径约1mm.导线 的直径在0.05 ~0. 1mm，一端固定在线圈顶面的边 缘位置，空间分布相对均匀.引线的任务是把每根 导线牵引到指定焊盘的上方并在合理的位置进行释 放，并保证导线水平放置时位于焊盘范围内，如图1 (d)所示.引线过程具有一定的顺序，先对导线1进 行操作，把导线1按要求引到焊盘1范围内，然后通过旋转机构使线圈逆时针方向旋转，到达指定位置 后操作导线2,把导线2引到焊盘2范围后，继续实 施以上操作，直到完成导线3的引线.

使用一个微夹钳实施以上操作，把整个夹持过 程分解为4个阶段.图1(a)属于定位阶段，通过旋 转机构把导线1旋转到指定的便于夹钳操作的位 置，利用已建立的立体视觉模型计算微夹钳和引线 之间的相对距离，并完成夹持前的准备工作.在图 像中，微夹钳和导线均为包含一定面积的平面结构，实际上由多个像素点构成，必须事先约定描述微夹 钳和导线的特征点.使用“特征位置”和“夹持位 置”代替微夹钳和引线，特征位置是钳尖区域中的 某个点，夹持位置设置在距导线顶端一定距离的某 个点处，特征位置和夹持位置需要根据夹持的实际 要求（比如导线进入钳尖区域的深度和夹持距离的 大小）手工设定.通过视觉模型重构特征位置和夹 持位置对应的空间坐标，从而确定夹钳钳尖和导线 之间的相对距离，并配合距离校准，实现精确定位. 图1(b)属于夹持阶段，计算机把特征位置和夹持位 置在x、y、z三个方向上的相对距离传送给一个三自 由度的电控平移台，驱动夹钳在空间中移动，到达指 定位置后夹持住导线.图1(c)属于牵引阶段，以焊 盘中心为特征点，利用视觉模型计算该点的空间坐 标，依次作为引线的目标位置，同样计算其与微夹钳 特征位置之间的相对距离，在同一个世界坐标系中

(c)牵引阶段（d)释放阶段

图1引线微夹持阶段分解图

Fig. 1 Procedures for gripping the flexible

wires