[发明专利]一种液滴微操作机械手结构的姿态控制方法

摘要

本发明提供一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，本发明还提供了种液滴微操作机械手结构的姿态控制方法。本发明通过控制各钨丝棒的上下移动量，移动顺序，约束点的位置，改变基于表面张力吸附在液滴上的微小部件的姿态，实现对于微小部件姿态的精确控制，与现有的技术相比，姿态控制更稳定，更精确。该方法简单易行，适用于任意形状微小物体的无损操作。

主权项

一种液滴微操作机械手结构的姿态控制方法，所述的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(2)、驱动所述注射器(2)的推进器(1)以及连接注射器(2)出液口的软管(3)；所述固定支架组件包括具有支撑腿(16)的下固定板(13)、由支柱(12)支撑设置于所述下固定板(13)上方的电机定位板(8)、通过螺栓(5)和螺母连接在所述电机定位板(8)上方的止推板(7)；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(8)的阶梯通孔内的微型电机(9)，所述六个微型电机(9)顶部由止推板(7)所压制，每个所述微型电机(9)输出轴的正下方均设置有传动连接板(10)，各个传动连接板(10)之间相隔一定间隙，所述传动连接板(10)内均嵌有与所述微型电机(9)输出轴上的外螺纹相配合的传动螺母(19)；所述执行组件包括上端连接于所述下固定板(13)中心通孔的导行管(14)、套设置于所述导行管(14)下端的收束套筒(15)、毛细微管(6)、六根钨丝棒，所述毛细微管(6)一端连接软管(3)，另一端穿过止推板(7)、电机定位板(8)、下固定板(13)中心通孔、导行管(14)直达收束套筒(15)出口，所述六根钨丝棒(11)上端分别连接传动连接板(10)，尖状下端穿过导行管(14)与毛细微管(6)之间的空隙后从收束套筒(15)的出口伸出一定长度，所述钨丝棒(11)与毛细微管(6)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；六根钨丝棒(11)直径一致，长度较长约为140～160mm，直径为100μm～300μm，钨丝棒(11)下端面呈尖状，钨丝棒(11)的尖状高度为0.5mm～1mm；所述钨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；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(1)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(9)；所述下固定板(13)的上端面中心通孔位置还设置有与导行管(14)相通的润滑槽(22)，润滑槽(22)内填充有可渗透至导行管(14)内的润滑油；润滑槽(22)呈圆柱形，内径为0.8～1.5cm,深度为0.3～0.6cm；所述的控制组件还包括显微放大镜，用于在往毛细微管(6)注入液体之前观察和测量确保六个钨丝棒(11)下端面尖状顶尖处平齐状态；其特征在于，包括步骤：1)液滴吸附微小部件(18)，通过注射器向毛细微管(6)中注入液体在钨丝棒尖端面形成液滴(17)，钨丝棒(11)缓慢靠近微小部件，当液体接触到微小部件(18)时，微小部件(18)被吸附在钨丝棒(11)下端呈水平状态；2)按预设目标姿态调整微小部件(18)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(11)的上下移动量来控制钨丝棒(11)尖端作为约束点的位置，微小部件(18)的姿态将紧跟钨丝棒(11)姿态变化并且在钨丝棒姿态的约束下实现微小部件(18)的自平衡从而实现对于微小部件(18)姿态的控制，所述目标姿态为倾斜β度或旋转θ角；当所述目标姿态为倾斜β度时，所述步骤2)具体包括：21)在微小部件(18)处于被水平吸附初始状态时，定义微小部件(18)所在平面为XOY平面，所述XOY平面以毛细微管(6)在XOY平面中的投影点为原点，此时，微小部件(18)法向量初始状态为P0＝[0 0 1]，将微小部件绕Y轴倾斜角度β得到表征姿态的法向量P1＝R1·P0，其中R1为变换矩阵，R1＝[cosβ 0 sinβ；0 1 0；‑sinβ 0 cosβ],求得倾斜后的微小部件(18)的法向量P1＝[x1 y1 z1]；22)求取各钨丝棒(11)尖端在XOY平面上投影点的坐标值，选取离微小部件(18)最边缘的一根钨丝棒(11)尖端保持不动，根据保持不动的钨丝棒(11)尖端的坐标值和倾斜β度后通过该点的微小部件(18)的法向量P1求得倾斜β度后的平面方程；23)将步骤22)求得的其余钨丝棒(11)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(11)尖端在倾斜β度后XOY平面上的目标高度值，所述微型电机(9)控制各钨丝棒(11)以一定的速度运动至目标高度，使微小部件(18)倾斜β度；当所述目标姿态为旋转θ角时，所述步骤2)具体包括：201)在微小部件(18)处于被水平吸附初始状态时，建立以微小部件(18)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微管(6)在XOY平面中的投影点为原点，此时，微小部件(18)法向量初始状态为P0＝[0 0 1]，将微小部件绕Y轴倾斜角度10°得到法向量P1＝R1·P0，其中R1为变换矩阵，R1＝[cos10° 0 sin10°；0 1 0；‑sin10° 0 cos10°],求得倾斜后的微小部件(18)的法向量P1＝[x1 y1 z1]；202)求取各钨丝棒(11)尖端在XOY平面上的投影点的坐标值，选取离微小部件(18)最边缘的一根钨丝棒(11)尖端保持不动，根据保持不动的钨丝棒(11)尖端的坐标值和通过该点的微小部件(18)的法向量P1求得平面方程；203)将步骤202)求得的其余钨丝棒(11)尖端在XOY平面投影的坐标值代入平面方程中，得出其余各钨丝棒(11)尖端在倾斜10°后平面上的目标高度值，所述微型电机(9)控制各钨丝棒(11)以一定的速度运动至目标高度，使微小部件(18)绕Y轴倾斜10°；204)在姿态由法向量P1表征的情况下，若目标状态为绕Z轴旋转θ角，则在法向量P1的基础上得到法向量P2＝R2·P1，其中R2＝[cosθ ‑sinθ 0；sinθ cosθ 0；0 0 1],根据步骤202)所述保持不动的钨丝棒(11)尖端的坐标值和通过该点的微小部件(18)的法向量P2求得微小部件(18)绕Z轴旋转θ角后的平面方程；205)将步骤202)求得的其余钨丝棒(11)尖端在XOY平面投影的坐标值代入平面方程中，得出其余各钨丝棒(11)尖端在绕Z轴旋转θ角后平面上的目标高度值，所述微型电机(9)控制各钨丝棒(11)以一定的速度运动至目标高度，使微小部件(18)位于法向量为P2时的空间位置；206)最后，位置最低的钨丝棒(11)保持不动，其余钨丝棒(11)以一定的速度比同时运动至与位置最低的钨丝棒(11)平齐，其中该速度比为各钨丝棒(11)到位置最低的钨丝棒(11)的高度值之间的比值，此时，微小部件(18)的姿态为相对与原初始水平状态绕Z轴旋转了θ角。