發(fā)布時(shí)間：2020-04-02 10:21

【摘要】：微操作技術(shù)是指對(duì)于微觀尺度下的對(duì)象進(jìn)行操作的相關(guān)技術(shù),是支撐微機(jī)電、半導(dǎo)體、生物研究、醫(yī)藥開發(fā)等領(lǐng)域快速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。微操作的操作效果由操作工具的性能直接決定。操作工具通常由驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器構(gòu)成。其中,驅(qū)動(dòng)器作為操作工具的核心驅(qū)動(dòng)元件,決定了操作工具的響應(yīng)能力和操作水平。但是,大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度和動(dòng)力學(xué)特性等指標(biāo)不能滿足復(fù)雜操作的要求,需要通過設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)來改善其響應(yīng)能力,最終提高微操作的效率和適應(yīng)性。而目前大多數(shù)關(guān)于驅(qū)動(dòng)器的控制研究還只停留在位置控制層面,沒有考慮驅(qū)動(dòng)器與環(huán)境間的交互問題,這限制了微操作操作水平的提高和應(yīng)用范圍的拓展。本文以常用的電熱驅(qū)動(dòng)器為主要研究對(duì)象,將主要用于宏觀領(lǐng)域的阻抗控制技術(shù)引入微操作領(lǐng)域,從控制角度改善驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)交互能力,從而提高操作工具性能,促進(jìn)微操作技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。具體研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:(1)建立了電熱驅(qū)動(dòng)器的控制模型,并根據(jù)模型進(jìn)行了控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性、穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)定性和頻率響應(yīng)等分析,揭示了電熱驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)特性。以分析結(jié)果作為理論依據(jù),分別設(shè)計(jì)了比例控制器、比例微分控制器和前饋控制器,改善了電熱驅(qū)動(dòng)器的位置響應(yīng)特性,為后續(xù)實(shí)現(xiàn)阻抗控制奠定了基礎(chǔ)。(2)針對(duì)電熱驅(qū)動(dòng)器的特性,制定了有效的阻抗控制實(shí)現(xiàn)方案,分析并提出了阻抗控制器的設(shè)計(jì)方法。通過仿真和實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)了阻抗控制在改善電熱驅(qū)動(dòng)器交互能力方面的效果,并具體研究了各個(gè)阻抗參數(shù)對(duì)于控制系統(tǒng)響應(yīng)的影響,為阻抗參數(shù)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。(3)為細(xì)胞操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)了配套的操作軟件,能夠?qū)︼@微相機(jī)、動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械手、驅(qū)動(dòng)電源等硬件進(jìn)行程序控制,實(shí)現(xiàn)了圖像實(shí)時(shí)顯示、宏觀運(yùn)動(dòng)控制、離散采樣、數(shù)字控制器、數(shù)據(jù)輸出與保存等功能,用于開展阻抗控制研究和細(xì)胞操作實(shí)驗(yàn)。(4)建立了電熱驅(qū)動(dòng)夾持器的控制模型,并通過參數(shù)辨識(shí)確定了模型參數(shù)。分析并研究了夾持器在細(xì)胞操作過程中的響應(yīng)特性和阻抗參數(shù)對(duì)于夾持器交互能力的影響。針對(duì)電熱驅(qū)動(dòng)夾持器設(shè)計(jì)阻抗控制器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞的柔順夾持操作。
【圖文】：

a) 微吸管 b) 夾持器[12]a) Micropipette b) Microgripper[12]圖 1-5 用于細(xì)胞操作的兩種典型工具Fig.1-5 Two typical tools for cell manipulation如何合理地進(jìn)行細(xì)胞夾持，實(shí)際上是個(gè)控制問題。目前，大多數(shù)有關(guān)細(xì)胞夾持器的研究并沒有考慮細(xì)胞夾持的控制問題，少數(shù)文獻(xiàn)也只研究了夾持器的位置控制[13]和單純的接觸力控制[12, 14]，尚沒有文獻(xiàn)從阻抗的角度，綜合考慮夾持器與細(xì)胞間的動(dòng)態(tài)交互特性，從而實(shí)現(xiàn)柔順的細(xì)胞夾持過程。因此，針對(duì)細(xì)胞夾持操作進(jìn)行阻抗控制研究，有助于提高細(xì)胞操作的研究水平和實(shí)際效果。1.2.2 微驅(qū)動(dòng)器微操作器通常由執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。執(zhí)行器決定了微操作的具體形式，而驅(qū)動(dòng)器則決定了操作器的響應(yīng)性能，進(jìn)而決定了微操作的實(shí)際效果。因此，研究驅(qū)動(dòng)器的阻抗控制對(duì)于提升微操作的操作水平具有決定意義。

圖 2-4 變化時(shí)的控制系統(tǒng)根軌跡圖2-4 Root locus of the control system with the variation of 了當(dāng) 變化時(shí)，，控制系統(tǒng)極點(diǎn)在 s 平面上的位置變閉環(huán)控制系統(tǒng)有唯一極點(diǎn)，且該極點(diǎn)始終位于實(shí)軸系統(tǒng)始終是穩(wěn)定的。隨著 增大，系統(tǒng)極點(diǎn)沿實(shí)軸響應(yīng)特性越發(fā)接近純剛體。由于該控制系統(tǒng)為一階會(huì)存在超調(diào)、振蕩問題，故只需要通過選取適當(dāng)?shù)膽B(tài)誤差即可。 有助于加快響應(yīng)速度，下面進(jìn)一步分析穩(wěn)態(tài)誤差 )的作用時(shí)，根據(jù)式(2-10)可得系統(tǒng)的響應(yīng)誤差為：1( ) ( )1 ( ) ( )rcE s X sG s G s
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH702

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本文編號(hào)：2611821