一种液滴微操作机械手结构及其姿态控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是液滴微操作技术领域，尤其涉及一种液滴微操作机械手结构及其姿态控制方法。
【背景技术】
[0002]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对装配精度要求越来越高，往往涉及到微型部件位置和姿态的调整和无损操作，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操作与装配，主要有基于微夹持器工具的方法，真空吸附法，基于表面张力法等。在微夹持器方面如日本名古屋大学的TAM1模仿筷子夹持物体的机理开发出一种双指微操作手，实现了对物体的拾取，移动，旋转和释放操作。虽然微夹持器工具夹持方法比较稳定，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应力集中产生变形，对部件造成一些不良的影响，同时难于夹持一些超薄的零部件。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，但这种方法主要应用于只需提取与释放的简单动作场合，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。真空吸附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。Imperial College London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Kaiji Sato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，哈尔滨工业大学荣伟彬团队也利用了液滴的表面张力特性设计了一种运用于微操作的机械手，通过往微管内注入液体，在微管底端吸附微小物体实现了对微小物体的拾取与释放的操作。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。本研究团队在前人研究的基础之上，在一种液滴微操作机械手及控制方法专利中提出了一种多棒型的液滴微操作机械手，该专利可以实现微小物体的姿态改变，但是存在一些问题，在机构方面，三角形链接板之间间隙过小，电机存在微小振动造成各棒之间的运动相互扰动，对钨丝棒的直线度要求高，加工难度大；在控制方法方面，提出的方法局限于仅能实现姿态控制不能实现对微小部件的目标姿态的精确控制。
【发明内容】
[0003]针对上述技术问题，本发明一方面提供了一种带液滴微操作机械手结构，该结构通过控制钨丝棒的姿态，改变吸附的微小物体的姿态，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，其采用的技术方案如下:
[0004]—种液滴微操作机械手结构，包括注射组件、控制组件、固定支架组件、设置在所述固定支架组件上的驱动组件、与所述驱动组件及注射组件相连接的执行组件，所述注射组件包括注射器、驱动所述注射器的推进器以及连接注射器出液口的软管；所述固定支架组件包括具有支撑腿的下固定板、由支柱支撑设置于所述下固定板上方的电机定位板、通过螺栓和螺母连接在所述电机定位板上方的止推板；所述驱动组件包括六个沿圆形轨迹均匀地竖直分布在所述电机定位板的阶梯通孔内的微型电机，所述六个微型电机顶部由止推板所压制，每个所述微型电机输出轴的正下方均设置有传动连接板，各个传动连接板之间相隔一定间隙，所述传动连接板内均嵌有与所述微型电机输出轴上的外螺纹相配合的传动螺母；所述执行组件包括上端连接于所述下固定板中心通孔的导行管、套设置于所述导行管下端的收束套筒、毛细微管、六根钨丝棒，所述毛细微管一端连接软管，另一端穿过止推板、电机定位板、下固定板中心通孔、导行管直达收束套筒出口，所述六根钨丝棒上端分别连接传动连接板，尖状下端穿过导行管与毛细微管之间的空隙后从收束套筒的出口伸出一定长度，所述钨丝棒与毛细微管相切；所述控制组件分别与所述注射组件和驱动组件电路连接；六根妈丝棒直径一致，长度较长约为140?160mm，直径为100 μ m?300 μ m，妈丝棒下端面呈尖状，妈丝棒11的尖状高度为0.5mm?Imm ;所述妈丝棒发生柔顺变形时的径向偏移量与轴向长度之比小于2/80。
[0005]进一步地，所述控制组件包括计算机、微量滴液控制装置、数据采集转换卡、驱动电路，所述微量滴液控制装置用于根据计算机的发出的控制信号控制推进器I动作，所述数据采集转换卡及驱动电路根据计算机提供的姿态参数发出控制脉冲驱动微型电机。
[0006]进一步地，所述下固定板的上端面中心通孔位置还设置有与导行管相通的润滑槽，润滑槽内填充有可渗透至导行管内的润滑油，所带的润滑槽储存润滑油对钨丝棒之间的运动具有润滑作用，减小了六根钨丝棒之间的相互摩擦影响，提高控制精度。
[0007]进一步地，润滑槽呈圆柱形，内径为0.8?1.5cm,深度为0.3?0.6cm。
[0008]进一步地，所述的控制组件还包括显微放大镜，用于在往毛细微管注入液体之前观察和测量确保六个钨丝棒下端面尖状顶尖处平齐状态。
[0009]本发明还提供了一种液滴微操作机械手结构的姿态控制方法，其技术方案如下:
[0010]一种液滴微操作机械手结构的姿态控制方法，包括步骤:
[0011]I)液滴吸附微小部件，通过注射器向毛细微管中注入液体在钨丝棒尖端面形成液滴，钨丝棒缓慢靠近微小部件，当液体接触到微小部件时，微小部件被吸附在钨丝棒下端呈水平状态，该步骤通过注射装置往毛细微管注入一定量的液体，在钨丝棒底端形成微小液滴，控制钨丝棒运动靠近微小部件以吸附起微小部件；
[0012]2)按预设目标姿态调整微小部件的姿态，计算机根据设定的目标姿态参数向各微型电机发出控制信号，控制各钨丝棒的上下移动量来控制钨丝棒尖端作为约束点的位置，微小部件的姿态将紧跟钨丝棒姿态变化并且在钨丝棒姿态的约束下实现微小部件的自平衡从而实现对于微小部件姿态的控制，所述目标姿态为倾斜β度或旋转Θ角，该步骤通过控制各钨丝棒的上下移动量来控制钨丝棒尖端作为约束点的位置，基于液滴表面张力吸附在液滴上的微小部件由于所受到的表面力远大于体积力，微小部件的姿态将紧跟钨丝棒姿态变化并且在钨丝棒姿态的约束下实现微小部件的自平衡从而可以实现对于微小部件姿态的控制。
[0013]进一步地，当所述目标姿态为倾斜β度时，所述步骤2)具体包括:
[0014]21)在微小部件处于被水平吸附初始状态时，定义微小部件所在平面为XOY平面，所述XOY平面以毛细微管(中心)在XOY平面中的投影点为原点，此时，微小部件法向量初始状态为P。= [O O I]，将微小部件绕Y轴倾斜角度β得到表征姿态的法向量？:= R1.Ρ。，其中Rl为变换矩阵，Rl = [cos β O sin β ；0 I O ；-sin β 0 cos β ],求得倾斜后的微小部件18的法向量P1= [xl yl zl]；
[0015]22)求取各钨丝棒尖端在XOY平面上投影点的坐标值，选取离微小部件最边缘的一根钨丝棒尖端保持不动，根据保持不动的钨丝棒尖端的坐标值和倾斜β度后通过该点的微小部件的法向量？:求得倾斜β度后的平面方程；
[0016]23)将步骤22)求得的其余钨丝棒尖端在XOY平面上投影点的坐标值代入倾斜β度后的平面方程中，得出其余各钨丝棒尖端在倾斜β度后XOY平面上的目标高度值，所述微型电机控制各钨丝棒以一定的速度运动至目标高度，使微小部件倾斜β度。
[0017]进一步地，当所述目标姿态为旋转Θ角时，所述步骤2)具体包括:
[0018]201)在微小部件处于被水平吸附初始状态时，建立以微小部件所在平面为XOY平面、垂直所述XOY平面的方向为Z向的空间直角坐标系，所述空间直角坐标系以毛细