專利名稱：基于顯微視覺的微裝配機器人系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，它涉及一種基于顯微視覺的微裝配機器人系統(tǒng)，是一種能對亞毫米級物體進行操作和裝配作業(yè)的微裝配機器人系統(tǒng)裝置，該系統(tǒng)裝置由微操作機械手、真空微夾、顯微視覺和控制器四部分組成，該系統(tǒng)可用于亞毫米級微靶、鉆石和各種微零件的選揀、加工和裝配。
國內(nèi)開展微操作機器人研究的有，南開大學(xué)、北京航空航天大學(xué)研究的用于生物醫(yī)學(xué)工程的細胞注射和轉(zhuǎn)基因操作的微操作機器人，廣東工業(yè)大學(xué)研究的微動機器人可用于微機械加工，它們的共同特點是精度高、運動范圍小和少自由度，尚不能滿足微裝配的要求。同時，國內(nèi)目前對微裝配還缺乏有效的工具(微夾)，大多采用手工操作和利用極簡易的工具(如用動物毛發(fā)對微靶的靜電吸附)并借助顯微鏡進行微裝配，操作難度大，可靠性和效率低。
總之，目前國內(nèi)外雖然對微操作機器人的研究工作取得了一些進展，但還存在如下問題1)僅著重其中某個部分的研究而不是系統(tǒng)的整體，如微型末端執(zhí)行器、主動視覺、微裝配過程的動力學(xué)分析、操作原理與試驗方法等；2)對于系統(tǒng)研究有二種情況，一是借助現(xiàn)有的機器人加上自己研究的某個裝置構(gòu)成系統(tǒng)，二是針對某種特定的對象構(gòu)建的系統(tǒng)，如用于生物醫(yī)學(xué)工程的細胞注射和轉(zhuǎn)基因操作的微操作機器人，用于微機械加工的微動機器人等；3)運動范圍小，通常只有微米級，不能滿足微裝配所需的三維空間的運動范圍。
澳大利亞的R.A.Russell研究的“用于完成亞毫米級抓取及操作任務(wù)的機器人系統(tǒng)”(見R.Andrew Russell.A robotic system forperforming sub-millimeter grasping and manipulation tasks.Robotics and Automation Systems，1994-13209-218)，它由系統(tǒng)控制主機、機械手和作為末端執(zhí)行器的微夾組成。其機械手采用并聯(lián)式機械結(jié)構(gòu)，其手爪(微夾)位于并聯(lián)結(jié)構(gòu)框架內(nèi)部，不能伸出，因此只能對置于其框架內(nèi)部臺面上的微粒物體進行操作，運動空間受到限制，且無法與顯微視覺配合。其機械手采用彈簧拉伸式結(jié)構(gòu)，用步進電機驅(qū)動，其脈沖當量為0.037mm，系統(tǒng)的定位精度只能達到0.05mm；其微夾是采用二指夾鑷方式，無法克服指尖與微粒物體之間的粘著力(包括靜電力，范德華力和表面張力)，因此在釋放微粒物體時會很困難。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的基于顯微視覺的微裝配機器人系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制主機、微操作機械手、真空微夾、帶有攝像頭的顯微鏡，所述微操作機械手、真空微夾、顯微鏡分別通過機械手控制器、真空微夾控制器和圖像采集卡與系統(tǒng)控制主機連接；所述微操作機械手由微動平臺組合而成，所述微動平臺上設(shè)有由帶有光電編碼器的伺服電機驅(qū)動的限位開關(guān)和零位開關(guān)；所述機械手控制器由依次相連的多軸運動控制卡、轉(zhuǎn)接板及驅(qū)動器組成，多軸運動控制卡與系統(tǒng)控制主機連接，驅(qū)動器與光電編碼器和伺服電機相互連接；所述真空微夾由壓力調(diào)節(jié)閥、第一開關(guān)、第二開關(guān)、真空發(fā)生器構(gòu)成，真空發(fā)生器位于二個開關(guān)之間，吸管通過真空軟管與真空發(fā)生器相連，第一開關(guān)通過壓力調(diào)節(jié)閥與系統(tǒng)外的壓力源相連；所述真空微夾控制器為單片機，它分別與系統(tǒng)控制主機、壓力調(diào)節(jié)閥及第一、二開關(guān)相連。
上述微動平臺可由三個高精度滾柱絲桿微動平臺構(gòu)成，第一開關(guān)和第二開關(guān)可選用二通閥。
本發(fā)明是一個將機器人技術(shù)、微操作技術(shù)、微操作工具(即真空微夾)和顯微視覺有機地結(jié)合起來的完整的、具有實用性的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的機械手采用開鏈式結(jié)構(gòu)，其手爪(即真空微夾)安裝在機械手的末端，其運動空間是開放的，可方便地與顯微視覺配合，滿足微裝配的工藝要求。本發(fā)明所設(shè)計的機械手可采用高精度滾柱絲桿微動平臺組合而成，用帶有位置反饋(由光電編碼器檢測)的交流伺服系統(tǒng)控制，其定位精度可達到0.002mm。而本發(fā)明所采用的末端執(zhí)行器，即真空微夾是根據(jù)真空吸附原理設(shè)計的，通過控制吸管內(nèi)正負壓力的大小，可有效地克服吸管尖端與微粒物體之間的粘著力，從而可靠地吸取和釋放微粒物體，操作更加方便。
總之，本發(fā)明系統(tǒng)可方便、高效地對亞毫米級微粒物體進行自動和半自動操作與裝配作業(yè)，如微靶的制備，鉆石和微型零件的測量、分揀、加工和裝配等，其定位精度可達到1～5μm，三維空間的運動范圍可達到50～150mm。隨著高技術(shù)產(chǎn)品向微型化發(fā)展的趨勢日益加快，本發(fā)明的應(yīng)用前景和社會經(jīng)濟效益是可觀的。


圖1為本發(fā)明基于顯微視覺的微裝配機器人的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中真空微夾及其控制器的連接結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖1中機械手控制器及其連接結(jié)構(gòu)示意圖。
在本實施例中，操作機械手3由多個微動平臺組合而成，采用三個定位精度為2μm，運動范圍為50～150mm的高精度滾柱絲桿微動平臺構(gòu)成三維微動平臺，以滿足機械手X-Y-Z三維空間的定位與運動范圍的要求。微動平臺上安裝限位開關(guān)和零位開關(guān)，并由帶有光電編碼器的交流伺服電機直接驅(qū)動，光電編碼器為控制器提供位置與速度反饋信息，從而保證機械手具有精確的位置與速度控制。機械手姿態(tài)控制可根據(jù)實際應(yīng)用的需要而定，通常微裝配對姿態(tài)的要求不高，本發(fā)明可設(shè)計一種角度可調(diào)的夾具，將其安裝在三維動平臺上或?qū)⒄婵瘴A的吸管彎曲成一定的角度來滿足姿態(tài)的要求。
真空微夾5是微操作機械手3的末端執(zhí)行器，是微裝配操作中吸取和釋放亞毫米級微粒物體或微工件的工具。根據(jù)發(fā)明人的研究，當對象為亞毫米級微粒物體時，物體的重力不再起主導(dǎo)作用，靜電力、范德華力(即分子間的作用力)和表面張力的影響遠大于重力的影響。此時，采用常規(guī)的夾鑷方式難以滿足要求。本發(fā)明采用真空吸附原理設(shè)計，在單片機22的控制下，可在吸管尖端產(chǎn)生大小適中的正負氣壓，從而自動完成對微工件的可靠吸取和準確放置。如圖2所示，真空微夾由壓力調(diào)節(jié)閥20、第一開關(guān)15、第二開關(guān)16和真空發(fā)生器17和吸管19構(gòu)成。吸管19通過真空軟管18與真空發(fā)生器17相連，第一開關(guān)15通過壓力調(diào)節(jié)閥20與系統(tǒng)外的壓力源21相接，第一、二開關(guān)15、16可選用二通閥。真空微夾控制器4由單片機22及其相應(yīng)的控制軟件構(gòu)成。單片機22分別與二個開關(guān)15、16和壓力調(diào)節(jié)閥20相連。系統(tǒng)控制主機根據(jù)裝配工藝的要求向單片機發(fā)出指令，單片機輸出的控制信號分別控制壓力調(diào)節(jié)閥和第一開關(guān)與第二開關(guān)，使真空發(fā)生器產(chǎn)生負壓或正壓氣流，產(chǎn)生負壓時吸取微粒物體，產(chǎn)生正壓時釋放微粒物體。正負壓力的大小由壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，使吸管的末端產(chǎn)生大小適中的正負氣壓，從而可靠地吸取或放置微粒物體。
微裝配機器人的控制器由二級計算機系統(tǒng)構(gòu)成，上位機即系統(tǒng)控制主機1可選用PC機或工控機，它主要完成微操作機械手3與真空微夾5的協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)的安全與管理，顯微圖像的采集、顯示與標定。下位機包括機械手控制器2和真空微夾控制器4。
機械手控制器由多軸運動控制卡9、轉(zhuǎn)接板10、驅(qū)動器11、伺服電機13和光電編碼器12組成，它們的連接方式如圖3所示。多軸運動控制卡9通過ISA/PCI總線與系統(tǒng)控制主機1連接，接受系統(tǒng)控制主機的指令，通過轉(zhuǎn)接板10將各軸的控制參數(shù)和數(shù)據(jù)送入對應(yīng)的驅(qū)動器11，同時接收光電編碼器12(通過驅(qū)動器和轉(zhuǎn)接板)的位置反饋信息，使系統(tǒng)形成閉環(huán)控制方式，從而提高控制精度。驅(qū)動器11通過轉(zhuǎn)接板10接收多軸運動控制卡9的控制參數(shù)和數(shù)據(jù)，為各軸伺服電機13提供動力源。各軸伺服電機直接驅(qū)動機械手三維微動平臺14，從而實現(xiàn)三維空間的位置、速度與加速度的協(xié)調(diào)控制。
真空微夾控制器由單片機22完成與主機的通信、并輸出對壓力調(diào)節(jié)閥21、第一開關(guān)15和第二開關(guān)16的控制信號。
顯微視覺由帶攝像頭的顯微鏡8、圖像采集卡7和系統(tǒng)控制主機1構(gòu)成。安裝在顯微鏡上的攝像頭攝取工作平臺上的微粒物體、真空微夾及其裝配操作過程的動態(tài)圖像，圖像采集卡7將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信息送入系統(tǒng)控制主機1。系統(tǒng)標定、坐標變換、活動標尺以及工件的檢測與顯示等功能均由系統(tǒng)控制主機運行相關(guān)軟件完成。
權(quán)利要求
1.一種基于顯微視覺的微裝配機器人系統(tǒng)，包括系統(tǒng)控制主機、機械手、微夾，其特征在于該系統(tǒng)還包括帶有攝像頭的顯微鏡(8)，所述機械手為微操作機械手(3)，所述微夾為真空微夾(5)，微操作機械手(3)、真空微夾(5)和顯微鏡(8)分別通過機械手控制器(2)、真空微夾控制器(4)和圖像采集卡(7)與系統(tǒng)控制主機(1)連接，所述微操作機械手(3)由多個微動平臺(14)組合而成，所述微動平臺上設(shè)有由帶有光電編碼器(12)的伺服電機(13)、驅(qū)動器(11)、限位開關(guān)和零位開關(guān)，伺服電機(13)通過驅(qū)動器(11)驅(qū)動限位開關(guān)和零位開關(guān)；所述機械手控制器(2)由依次相連的多軸運動控制卡(9)、轉(zhuǎn)接板(10)及驅(qū)動器(11)組成，多軸運動控制卡(9)與系統(tǒng)控制主機(1)連接，驅(qū)動器(11)與光電編碼器(12)和伺服電機(13)相互連接；所述真空微夾(5)由壓力調(diào)節(jié)閥(20)、第一開關(guān)(15)、第二開關(guān)(16)、真空發(fā)生器(17)構(gòu)成，真空發(fā)生器(17)位于二個開關(guān)(15、16)之間，吸管(19)通過真空軟管(18)與真空發(fā)生器(17)相連，第一開關(guān)(15)通過壓力調(diào)節(jié)閥(20)與系統(tǒng)外的壓力源(21)相連；所述真空微夾控制器(4)為單片機(22)，所述單片機分別與系統(tǒng)控制主機(1)、壓力調(diào)節(jié)閥(20)及第一、二開關(guān)(15、16)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于顯微視覺的微裝配機器人系統(tǒng)，其特征在于所述微動平臺由三個高精度滾柱絲桿微動平臺構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于顯微視覺的微裝配機器人系統(tǒng)，其特征在于第一開關(guān)(15)和第二開關(guān)(16)為二通閥。
全文摘要
本發(fā)明公開的基于顯微視覺的微裝配機器人系統(tǒng),由系統(tǒng)控制主機、微操作機械手、真空微夾、帶有攝像頭的顯微鏡構(gòu)成。微操作機械手由微動平臺組合而成,微動平臺上設(shè)有限位開關(guān)和零位開關(guān),并與帶有光電編碼器的伺服電機連接;機械手控制器由依次相連的多軸運動控制卡、轉(zhuǎn)接板及驅(qū)動器組成,多軸運動控制卡與主機連接;真空微夾由壓力調(diào)節(jié)閥、第一開關(guān)、第二開關(guān)、真空發(fā)生器和吸管構(gòu)成;真空微夾控制器為單片機,它分別與系統(tǒng)控制主機、壓力調(diào)節(jié)閥及第一、二開關(guān)相連。本發(fā)明可方便、高效地對亞毫米級微粒物體進行自動和半自動操作與裝配作業(yè),其定位精度可達到1～5μm,三維空間的運動范圍可達到50～150mm。本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用前景和可觀的社會經(jīng)濟效益。
文檔編號B25J7/00GK1348848SQ0113368
公開日2002年5月15日 申請日期2001年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月18日
發(fā)明者黃心漢, 王敏, 陳國良, 劉敏, 呂遐東 申請人:華中科技大學(xué)