机器人系统设计

机器人系统设计

1微动并联机器人［2］“微动并联机器人的研制”课题研制了1台六自由度微动机器人，以其为核心建立了一套包括三自由度粗动平台、

显微视觉系统、控制系统及周边辅助设备的实验平台，并重点围绕微

操作机器人的机构选型、误差、显微视觉及系统标定等方面做了较深

入的研究。具体阐述如下：(1)通过对国内外微动机构的分析与综合，

设计出了创意独特、两级解耦的串并联微动机器人，这在微动机器人

领域尚属首例。此串并联微动机器人有六个自由度,由上(3RPS机构)、下(3RRR机构)两机构并联串接而成［2］，它具有上下机构运动解耦，运动学、动力学及误差分析简便，控制成本低，加速度大，可完成粗调、细调2种功能等特点。其具体技术指标如下：外形尺寸为

100mm×100mm×100mm，工作空间为40μm×40μm×24μm，运动分辨

率为0.2μm。(2)为了合理地分配精度，充分评估各项误差对末端执行器位姿的，我们利用矢量分析的方法建立了串并联机构结构参数误差

与位姿误差的数学模型，分析了各项结构误差对末端位姿的影响水准，并得出了若干对微操作机器人设计、加工及安装有普遍指导意义的结论。(3)对压电陶瓷驱动器的驱动特性、柔性铰链的机械性能、微动机

器人末端位姿的选择、微动机器人的控制方式及图像处理等，做了较

深入的研究，积累了很多有价值的经验。(4)提出了对实验环境的若干

改进措施。

2面向生物工程的微操作机器人系统大多数机器人是按照给定的程序

做简单重复的动作(如焊接、装配、搬运等)，不需要太强的智能。而

对于微操作机器人来说，情况就有很大不同。因为被操作对象十分微小，操作人员不可能十分清楚它们的精确位置，况且外界环境的变化

使得它们的相对位置不定，微观世界里的物理法则及力学特性与宏观

世界也大相径庭，这就要求机器人有很强的自动识别能力和决策能力。同时，温度变化、机械振动、噪声波动、机械蠕变等不稳定因素扰动，以及非线性微动特性、传递累积误差的影响，也使得微操作机器人必

须具有很强的自我调整能力(即自我实时标定及补偿能力)。因此微操

作机器人必须与其它仪器设备组合成一套光机电高度集成的系统，方

能进行显微操作。北京航空航天大学机器人研究所正在研制的用于细

胞操作的微操作机器人系统包括倒置生物显微镜、粗动平台、左操作手、右操作手、摄像头、图像处理单元、控制系统、人机交互接口等。本系统采用全局闭环控制方法，即将显微视觉作为反馈控制源参与伺

服控制形成视觉伺服反馈控制系统。系统的具体运作方式解释如下：

活体细胞或染色体悬浮在培养液内，左右微操作机器人对称地安装在

显微镜机架上，毛细玻璃管与毛细玻璃针等操作工具作为机器人的末

端执行器(毛细玻璃管用于捕捉与固定细胞，毛细玻璃针用于细胞的切割、注射等)。首先，在显微视觉伺服的控制下，玻璃管、玻璃针及被

操作对象将自动地调整到显微镜的焦平面内。左机器人完成活体细胞

的捕捉与固定，右机器人完成切割、注射等精细操作。整个操作过程

都在显微视觉的监视下完成，即图像处理单元实时地处理分析采集的

图像信息(如细胞、玻璃管、玻璃针之间的相对位姿，细胞核在细胞内

的位置等)，并变成控制信号输送给控制器，机器人在控制器的命令下

实时地对细胞进行追踪、捕捉、注射、转移等，直至完成整个操作过程。在进行显微注射时，外源基因或染色体或蛋白质的注射量的多少

也是在显微视觉及注射装置的共同监控下完成的。整个操作过程通过

显微镜、摄像头、监视器实时再现出来，供科研人员进行分析研究。

在出现意外的情况下，操作者可根据图像信息，通过人机交互接口对

系统进行遥控操作。被操作对象的选取是由操作者通过人机交互接口

完成的。

在研制本系统过程中，已取得以下阶段性成果：(1)利用螺旋，对微

动并联机构的型综合进行了较深入的，并给出了几种并联机构型综合

的新。(2)选用Delta三自由度并联机构作为微操作机器人机构，并结

合微操作的特点，对其进行了运动学、工作空间优化、误差分析及动

态特性分析。作为微操作系统的核心部分，微操作机器人机构应具有

外形小、工作可达域相对较大、驱动精细、有很高的定位精度与精度

稳定性、良好的动态特性等特点。Delta微动并联机构基本迎合了这些要求。它的外形尺寸为100mm×100mm×100m，工作空间约为

500μm×500μm×400μm，运动分辨率约为80nm。(3)在多年探索研究及广泛调研的基础上，出了一些对构筑微操作机器人系统有指导意义的设计原则。它不单适用于面向生物工程的微操作机器人系统，对构筑其它领域的微操作机器人系统也有一定的价值。(4)将显微视觉作为反馈控制源参与伺服控制形成视觉伺服反馈控制系统，使显微操作自动化水准及操作精度大大提升。操作者只需用鼠标轻轻一点被操作对象(细胞、染色体等)，系统将自动完成显微操作,如基因注射、细胞切割等。(5)机械加工、装配精度低于系统综合精度的特点导致了系统标定的困难性，而各子系统向参考坐标系转换的误差，以及由温度、振动、蠕变等因素造成的误差的随机性更加剧了离线标定的复杂性。本课题针对视觉伺服控制的微操作机器人系统的特性，提出新颖的欠参数标定法。(6)本项目拟采用多套智能控制算法，如基于视觉校正的模糊自适应控制方法、基于视觉的模糊预测控制方法，实现基于显微视觉全局闭环的机伺服自动协调作业。这些方法在初始模型不精确的情况下，也能保证快速、准确地定位。

3值得注意的若干问题微操作机器人系统的构筑比机器人的设计更为复杂，涉及的研究领域也更为广泛。在构筑“面向生物工程的微操作机器人系统”过程中，以下问题应引起特别注意。这些问题可以作为构筑微操作机器人系统的设计准则。(1)莫奢望能构筑一套“万能机器”。因为细胞或染色体是活性的，它的形状颜色各有不同，研制出的微操作机器人系统不可能完成所有的显微操作。部分操作可能更适合于采用电学、化学、甚至手工方法完成。(2)微操作机器人系统的各单元应刚性连接。为了减少积累误差、增强系统抗振能力、减少标定测量次数，系统各单元应以显微镜视野为分布中心刚性地连接一起。

(3)左右微操作手的工作空间应比显微镜的视野大，并且包围它。显微镜的视野是一定的，为了充分利用有限的空间，避免机器人在工作空间边界附近可操作性及灵活性差的情况出现，左右微操作手的工作空间应该比显微镜的视野范围大。系统安装调试时，机器人及相关周边设备应以视野中心分布，保证操作工具的端部与视野中心重合，并在视野内运动操作。这种安装组合方式我们称之为“运动集中型”微操