微操作機(jī)器人系統(tǒng)的研究開發(fā)

1、微操作機(jī)器人系統(tǒng)的研究開發(fā)微機(jī)械電氣系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)這一前沿技術(shù)主要涵蓋以下研究專題：集成化微型儀器與傳感器；微加工與測(cè)試技術(shù)；微操作系統(tǒng)。 微操作系統(tǒng)作為MEMS研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支受到各發(fā)達(dá)國家的高度重視，紛紛投入大量資金進(jìn)行微操作機(jī)器人系統(tǒng)的研究，現(xiàn)已研制出多種各具特色的微操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)1。 自1993年起，在國家自然科學(xué)基金資助下，北京航空航天大學(xué)開始從事微操作機(jī)器人的研究，研究內(nèi)容主要集中于各單元技術(shù)。經(jīng)過幾年的技術(shù)儲(chǔ)備，研究重點(diǎn)開始由各單元技術(shù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成及應(yīng)用，如微操作系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、微動(dòng)仿生機(jī)構(gòu)綜合理論

2、、基于圖像的視覺伺服理論、精細(xì)微操作系統(tǒng)的光-機(jī)-電集成設(shè)計(jì)方法等，并把生物工程作為微操作機(jī)器人系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。 把生物工程作為微操作機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，目的可以解釋為2點(diǎn)：從應(yīng)用層面說，目標(biāo)相當(dāng)明確地界定在“面向生物工程”上，如細(xì)胞操作、基因轉(zhuǎn)移、染色體切割等，希望給下一世紀(jì)中國的“綠色革命”帶來推動(dòng)作用。從技術(shù)層面說，定位在基于顯微視覺全局閉環(huán)的計(jì)算機(jī)伺服自動(dòng)協(xié)調(diào)作業(yè)上。長遠(yuǎn)觀之，其相關(guān)技術(shù)與微加工、微電子、顯微醫(yī)學(xué)等可觸類旁通。 1微動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人2 “微動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人的研制”課題研制了1臺(tái)六自由度微動(dòng)機(jī)器人，以其為核心建立了一套包括三自由度粗動(dòng)平臺(tái)、顯微視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及周邊輔助設(shè)備的

3、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并重點(diǎn)圍繞微操作機(jī)器人的機(jī)構(gòu)選型、誤差分析、顯微視覺及系統(tǒng)標(biāo)定等方面做了較深入的研究。具體闡述如下： (1) 通過對(duì)國內(nèi)外微動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析與綜合，設(shè)計(jì)出了創(chuàng)意獨(dú)特、兩級(jí)解耦的串并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人，這在微動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域尚屬首例。 此串并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人有六個(gè)自由度,由上(3RPS機(jī)構(gòu))、下(3RRR機(jī)構(gòu))兩機(jī)構(gòu)并聯(lián)串接而成2，它具有上下機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)解耦，運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及誤差分析簡便，控制成本低，加速度大，可完成粗調(diào)、細(xì)調(diào)2種功能等特點(diǎn)。其具體技術(shù)指標(biāo)如下：外形尺寸為100 mm100 mm100 mm，工作空間為40 m40 m24 m，運(yùn)動(dòng)分辨率為0.2 m。 (2) 為了合理地分配精度，充分評(píng)估各

4、項(xiàng)誤差對(duì)末端執(zhí)行器位姿的影響，我們利用矢量分析的方法建立了串并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差與位姿誤差的數(shù)學(xué)模型，分析了各項(xiàng)結(jié)構(gòu)誤差對(duì)末端位姿的影響程度，并得出了若干對(duì)微操作機(jī)器人設(shè)計(jì)、加工及安裝有普遍指導(dǎo)意義的結(jié)論。 (3) 對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)特性、柔性鉸鏈的機(jī)械性能、微動(dòng)機(jī)器人末端位姿的選擇、微動(dòng)機(jī)器人的控制方式及圖像處理等問題，做了較深入的研究，積累了許多有參考價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。 (4) 提出了對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的若干改進(jìn)措施。 2面向生物工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng) 大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人是按照給定的程序做簡單重復(fù)的動(dòng)作(如焊接、裝配、搬運(yùn)等)，不需要太強(qiáng)的智能。而對(duì)于微操作機(jī)器人來說，情況就有很大不同。因?yàn)楸徊僮鲗?duì)象

5、十分微小，操作人員不可能十分清楚它們的精確位置，況且外界環(huán)境的變化使得它們的相對(duì)位置不定，微觀世界里的物理法則及力學(xué)特性與宏觀世界也大相徑庭，這就要求機(jī)器人有很強(qiáng)的自動(dòng)識(shí)別能力和決策能力。同時(shí)，溫度變化、機(jī)械振動(dòng)、噪聲波動(dòng)、機(jī)械蠕變等不穩(wěn)定因素?cái)_動(dòng)，以及非線性微動(dòng)特性、傳遞累積誤差的影響，也使得微操作機(jī)器人必須具有很強(qiáng)的自我調(diào)整能力(即自我實(shí)時(shí)標(biāo)定及補(bǔ)償能力)。因此微操作機(jī)器人必須與其它儀器設(shè)備組合成一套光機(jī)電高度集成的系統(tǒng)，方能進(jìn)行顯微操作。 北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所正在研制的用于細(xì)胞操作的微操作機(jī)器人系統(tǒng)包括倒置生物顯微鏡、粗動(dòng)平臺(tái)、左操作手、右操作手、攝像頭、圖像處理單元、控制系統(tǒng)、

6、人機(jī)交互接口等。 本系統(tǒng)采用全局閉環(huán)控制方法，即將顯微視覺作為反饋控制源參與伺服控制形成視覺伺服反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的具體運(yùn)作方式解釋如下：活體細(xì)胞或染色體懸浮在培養(yǎng)液內(nèi)，左右微操作機(jī)器人對(duì)稱地安裝在顯微鏡機(jī)架上，毛細(xì)玻璃管與毛細(xì)玻璃針等操作工具作為機(jī)器人的末端執(zhí)行器(毛細(xì)玻璃管用于捕捉與固定細(xì)胞，毛細(xì)玻璃針用于細(xì)胞的切割、注射等)。首先，在顯微視覺伺服的控制下，玻璃管、玻璃針及被操作對(duì)象將自動(dòng)地調(diào)整到顯微鏡的焦平面內(nèi)。左機(jī)器人完成活體細(xì)胞的捕捉與固定，右機(jī)器人完成切割、注射等精細(xì)操作。整個(gè)操作過程都在顯微視覺的監(jiān)視下完成，即圖像處理單元實(shí)時(shí)地處理分析采集的圖像信息(如細(xì)胞、玻璃管、玻璃針之間的

7、相對(duì)位姿，細(xì)胞核在細(xì)胞內(nèi)的位置等)，并變成控制信號(hào)輸送給控制器，機(jī)器人在控制器的命令下實(shí)時(shí)地對(duì)細(xì)胞進(jìn)行追蹤、捕捉、注射、轉(zhuǎn)移等，直至完成整個(gè)操作過程。在進(jìn)行顯微注射時(shí)，外源基因或染色體或蛋白質(zhì)的注射量的多少也是在顯微視覺及注射裝置的共同監(jiān)控下完成的。整個(gè)操作過程通過顯微鏡、攝像頭、監(jiān)視器實(shí)時(shí)再現(xiàn)出來，供科研人員進(jìn)行分析研究。在出現(xiàn)意外的情況下，操作者可根據(jù)圖像信息，通過人機(jī)交互接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遙控操作。被操作對(duì)象的選取是由操作者通過人機(jī)交互接口完成的。摘要 本文采用不穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值求解法，分析了目前較為普遍的傳統(tǒng)磚混住宅、鋼筋混凝土住宅和外墻內(nèi)保溫住宅，采用分室調(diào)節(jié)最低值時(shí)典型房間室溫和與鄰室的溫

8、差及圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度分布的變化規(guī)律，為進(jìn)行住宅按戶計(jì)量供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷確定，提供了三類居住建筑戶間傳熱計(jì)算的依據(jù)，也為按戶計(jì)量收費(fèi)和建筑保溫及防結(jié)霜研究提供了參考依據(jù)。關(guān)鍵詞 不同住宅戶間傳熱不穩(wěn)態(tài)傳熱 0 引言隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和逐步實(shí)施按戶計(jì)量供暖收費(fèi)改革制度，采用燃?xì)怆娔?、太陽能、地?zé)崮?、江河湖海等清潔能源的多種能源供暖方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃煤鍋爐房供暖已成為必然趨勢(shì)，這也是我國節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略重要措施之一。無論采用哪種熱源集中供暖，用戶分室調(diào)節(jié)導(dǎo)致的戶間傳熱計(jì)算，成為工程設(shè)計(jì)與研究部門關(guān)注的熱點(diǎn)問題，其中，分室調(diào)節(jié)時(shí)室溫和戶間傳熱溫差及圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度分布的變化規(guī)律，是戶間傳熱計(jì)

9、算的關(guān)鍵依據(jù)。目前，我國戶間傳熱計(jì)算的關(guān)鍵性參數(shù)的確定處于探討之中，迫于工程設(shè)計(jì)急需，采取先行界定、在過程中逐步完善的策略，因而，在一些地方的設(shè)計(jì)規(guī)程中對(duì)這些關(guān)鍵參數(shù)采取暫定的方法1。用戶分室調(diào)節(jié)導(dǎo)致的戶間傳熱，是通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)態(tài)傳熱問題，目前我國戶間傳熱的研究主要基于穩(wěn)態(tài)傳熱分析，本文分別以目前較為普遍的傳統(tǒng)磚混住宅、鋼筋混凝土住宅和外墻內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)的三種居住建筑為對(duì)象，采用不穩(wěn)態(tài)傳熱分析方法，數(shù)值求解，分別得出了三種住宅標(biāo)準(zhǔn)層和頂層的典型房間（有一面外墻和有兩面外墻），采用分室調(diào)節(jié)最低值時(shí)（即停止采暖時(shí)），典型房間室溫和與鄰室的戶間傳熱溫差及圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度分布的變化規(guī)律，并進(jìn)行了分析比較，

10、為住宅按戶計(jì)量度供暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的確定，提供了戶間傳熱計(jì)算的依據(jù)，同時(shí)也為按戶計(jì)量供暖收費(fèi)和建筑保溫及防結(jié)霜研究提供了參考依據(jù)。房間不穩(wěn)態(tài)傳熱的數(shù)學(xué)模型描述典型房間室溫及圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度變化規(guī)律的不穩(wěn)態(tài)傳熱的數(shù)學(xué)模型，由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程式及其定解條件和房間熱平衡方程組成。1.1 不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程式：圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，可視為平壁一維不穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。其導(dǎo)熱微分方程式為2： (1)式中，t為平壁任意厚度x處，在任意時(shí)刻 的溫度，即t=f(x, ),；為的密度，kg/m3；c為物體的比熱，J/kg.；為物體的導(dǎo)熱系數(shù)，w/m?；對(duì)于工程均質(zhì)材料，可近視認(rèn)為=常數(shù)，則有： (2)式中： 為熱

11、擴(kuò)散系，m2/s。1.2 定解條件假定在北京地區(qū)供暖室外計(jì)算溫度tw=-9w下；各房間控制室溫為tn=20,其中典型房間突然停止采暖，分析求解該房間室溫tn=f()和圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度t=f(x, )變化規(guī)律。典型房間分別是：標(biāo)準(zhǔn)層只有一面外墻及外窗的北向房間；標(biāo)準(zhǔn)層有兩面外墻及外窗的北向房間；頂層只有一面外墻及外窗的北向房間；頂層有兩面外墻及外窗的北向房間。設(shè)典型房間突然停止采暖時(shí)刻為=0，則定解條件為： =0 tn=t0=20(所有房間)；0 tn=f()(典型房間) tn=t0=20(其它房間)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊界條件： ; tw=-9內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊界條件： 式中：n為室內(nèi)換熱系數(shù)，w/m2.；w為室

12、外換熱系數(shù)，w/m2.；為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度，m。1.3 房間熱平衡方程當(dāng)?shù)湫头块g突然停止采暖后，典型房間失熱量之和等于房間內(nèi)能的變化，即 (3)式中：Fi為第i個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的面積，m2；N為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的總數(shù)；Fc為外窗面積，m2；kc為外窗傳熱系數(shù)，w/m2.； Qc為外窗的冷風(fēng)滲透耗熱量3，w；a為室內(nèi)空氣的密度，kg/m3；ca為室內(nèi)空氣的比熱，J/kg.；V為室內(nèi)空氣的體積，m3。房間不穩(wěn)態(tài)傳熱問題的數(shù)值求解本文采用有限差分法將上述數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程組24，其中，對(duì)時(shí)間變量采用向后差分的隱式格式，時(shí)間步長?=1小時(shí)；對(duì)于幾何變量，根據(jù)內(nèi)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分別采用長度不等的均

13、勻網(wǎng)格，二階導(dǎo)數(shù)采用中心差分。將結(jié)構(gòu)材料的物性參數(shù)及幾何參數(shù)代入，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解，便可得到任意時(shí)刻室內(nèi)溫度和任意時(shí)刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度分布。圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及幾何參數(shù)：對(duì)于磚混住宅，外墻為370磚墻，內(nèi)抹20mm厚；內(nèi)墻為120磚墻，內(nèi)外分別抹灰20mm；樓板厚110mm。對(duì)于鋼筋混凝土住宅，外墻厚250mm，內(nèi)抹灰20mm厚；內(nèi)墻厚120mm，內(nèi)外分別抹灰20mm；樓板厚110mm。對(duì)于內(nèi)保溫住宅，外墻為250mm厚陶?；炷?，內(nèi)加含面層共60mm厚增強(qiáng)水泥聚苯復(fù)合保溫板5；內(nèi)墻為160mm厚陶?；炷?，雙面抹灰10mm；樓板為110mm厚鋼筋混凝土，上下各抹面10mm；屋面做法見文獻(xiàn)6。求解結(jié)果及分析對(duì)三種住宅的典型房間求解結(jié)果見圖14。曲線1代表內(nèi)保溫住宅標(biāo)準(zhǔn)層有一面外墻及外窗的北向房間，曲線2代表內(nèi)保溫住宅標(biāo)準(zhǔn)層有兩面外墻及外窗的北向房間，曲線3代表磚混住宅標(biāo)準(zhǔn)層有一面外墻及外窗的北向房間，曲線4代表磚混住宅標(biāo)準(zhǔn)層有兩面外墻及外窗的北向房間，曲線5代表鋼筋混凝土住宅標(biāo)準(zhǔn)層有一面外墻及外窗的北向房間，曲線6代表鋼筋混凝土住宅標(biāo)準(zhǔn)層有兩面外墻及外窗的北向房間，曲線7代