【摘要】：精密定位技術(shù)在一定程度上體現(xiàn)了一個國家的制造水平和科技實力。隨著生物醫(yī)學的快速發(fā)展,基于精密定位技術(shù)的顯微操作技術(shù)在細胞操作領(lǐng)域也得到了大力發(fā)展。由于細胞操作的特殊性,要求面向生物工程的精密定位系統(tǒng)應具有毫米級的工作行程和亞微米級的定位精度。本文結(jié)合教育部博士點基金項目“生物細胞顯微操作機器人關(guān)鍵技術(shù)研究”(No.20090095110012)和江蘇省高等學校研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程“微動工作臺微位移檢測及誤差補償方法研究”(No.CX09B_109Z),在吸收和借鑒相關(guān)領(lǐng)域的新思路、新技術(shù)的基礎上,采取理論研究、有限元仿真和實驗驗證相結(jié)合的方法,對壓電式微操作平臺系統(tǒng)的解耦型大行程微操作平臺的構(gòu)型設計、靜力學和動力學建模技術(shù)、微操作平臺的控制技術(shù)等方面進行了研究。 緊密聯(lián)系面向生物工程的精密定位系統(tǒng)的技術(shù)需求,設計了一種新型基于直角柔性鉸鏈的集柔性導向機構(gòu)和橋式微位移放大機構(gòu)于一體的全對稱解耦型大行程二維微操作平臺。考慮到柔性導向機構(gòu)和橋式微位移放大機構(gòu)對二維微操作平臺的性能影響,根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性,利用半結(jié)構(gòu)模型建立了柔性導向機構(gòu)的靜剛度模型,利用四分之一模型建立了橋式微位移放大機構(gòu)的位移放大比模型,在此基礎上,采用矩陣法建立了二維微操作平臺的靜力學模型,并推導了其位移放大比、靜剛度等計算公式。 考慮到柔性鉸鏈尺寸參數(shù)對其性能的影響,將柔性機構(gòu)分為以柔順桿為主要特征的柔性機構(gòu)和以柔性鉸鏈為主要特征的柔性機構(gòu),并分別采用有限元方法和集中質(zhì)量法來建立其動力學模型。針對以柔順桿為主要特征的柔性機構(gòu),選擇矩形截面的2節(jié)點梁單元作為基本模型單元,在建立基本梁單元的運動微分方程的基礎上,通過裝配的方式獲得了整體機構(gòu)的動力學模型;針對以柔性鉸鏈為主要特征的柔性機構(gòu),將柔性鉸鏈等效為拉伸彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧的組合體,并將均勻分布的質(zhì)量視為質(zhì)量集中的質(zhì)點,結(jié)合Lagrange方程,建立了其動力學解析模型。 為了驗證所建立的靜力學和動力學模型的有效性,采用基于虛擬樣機技術(shù)的有限元仿真軟件對微操作平臺的工作行程、位移放大比、固有頻率等特性進行了仿真分析,并分析了主要尺寸參數(shù)對微操作平臺的微位移放大比和固有頻率的影響。有限元仿真的結(jié)果驗證了理論模型的合理性,也為二維微操作平臺的優(yōu)化設計和尺寸參數(shù)的選擇提供了一定的理論依據(jù)。 在壓電式微操作平臺的控制技術(shù)方面,采取了兩種不同的方案來抑制壓電式微操作平臺的遲滯非線性因素。一種是將壓電式微操作平臺系統(tǒng)中的遲滯非線性、未建模動態(tài)等不確定因素統(tǒng)統(tǒng)視為外界的干擾,通過干擾觀測器來觀測和抑制系統(tǒng)中的擾動,并設計了基于干擾觀測器的PID雙回來控制器。另一種方式是在建立壓電式微操作平臺遲滯模型的基礎上,通過逆模型補償?shù)姆绞絹硪种葡到y(tǒng)中的遲滯非線性。首先采用Bouc-Wen遲滯模型來描述系統(tǒng)的遲滯特性,然后利用Bouc-Wen逆模型對微操作平臺系統(tǒng)進行遲滯補償,并設計了基于PID滑模面的帶擾動估計的滑�？刂破�(SMCPE-PID)。為了緩解滑模控制的抖振缺陷,且考慮到系統(tǒng)中還存在有模型參數(shù)不確定以及外界擾動等因素,因而引入了自適應規(guī)則,設計了自適應SMCPE-PID控制器。 最后,采用線切割的方式加工了實驗樣機,搭建了壓電式微操作平臺的實驗系統(tǒng),并對柔性導向機構(gòu)、橋式微位移放大機構(gòu)以及二維微操作平臺進行了一系列的實驗驗證。實驗結(jié)果表明,所設計的面向生物工程的精密定位系統(tǒng)實現(xiàn)了毫米級的工作行程,并具有亞微米級的位移分辨率和良好的抗干擾能力。 本論文有圖91幅,表19個,參考文獻166篇。
【圖文】：

圖 1 -1 微 操作 系統(tǒng) 的 應 用領(lǐng) 域Fi g . 1 -1 A p p li c a ti o n fi e ld s o f mi c ro o p e ra ti n g s ys t e m在醫(yī) 療 領(lǐng) 域， 顯 微 外科 手 術(shù) 由于 創(chuàng) 口 小、 失 血 少、 愈 合 快等 特 點 ，越 來 越 受到 外 科 醫(yī)生 的 青 睞， 而 結(jié) 合 了計 算 機 輔助 醫(yī) 療 技 術(shù)的 顯 微 外科 機 器 人已 成 為 目 前 前 沿 研 究 課 題 之 一[ 25 ]。 對 于 血 管 縫 合 等 需 要 精 細 操 作 的 外 科 手 術(shù) ， 采 用顯微 外 科 機器 人 可 以大 大 地 減 輕醫(yī) 生 的 負擔 、 病 人 的痛 苦 ， 同時 提 高 了手 術(shù) 成 功 率[ 26 ]。 20 0 4 年 ， 天 津 大 學 成 功 研 制 了 用 于 顯 微 外 科 手 術(shù) 的 微 操 作 機 器 人

博 士學 位論 文困難 。 因 而， 從 事 細胞 操 作 的 實驗 人 員 及科 研 工 作 者迫 切 需 要能 夠 實 現(xiàn)自 動 化 或半 自 動 化操 作 的 顯微 操 作 系 統(tǒng)，， 從 而 減輕 實 驗 人 員的 工 作 強度 、 提 高實 驗 的 成功 率 。 葉果：面向生物工程的精密定位機構(gòu)及其動力學特性研究
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TH113

【引證文獻】

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1 李楊民;湯暉;徐青松;

本文編號：2627552