【摘要】：精密定位技術(shù)在一定程度上體現(xiàn)了一個(gè)國家的制造水平和科技實(shí)力。隨著生物醫(yī)學(xué)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(xì)胞操作領(lǐng)域也得到了大力發(fā)展。由于細(xì)胞操作的特殊性,要求面向生物工程的精密定位系統(tǒng)應(yīng)具有毫米級(jí)的工作行程和亞微米級(jí)的定位精度。本文結(jié)合教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目“生物細(xì)胞顯微操作機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究”(No.20090095110012)和江蘇省高等學(xué)校研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程“微動(dòng)工作臺(tái)微位移檢測(cè)及誤差補(bǔ)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(chǔ)上,采取理論研究、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,對(duì)壓電式微操作平臺(tái)系統(tǒng)的解耦型大行程微操作平臺(tái)的構(gòu)型設(shè)計(jì)、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模技術(shù)、微操作平臺(tái)的控制技術(shù)等方面進(jìn)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(shè)計(jì)了一種新型基于直角柔性鉸鏈的集柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和橋式微位移放大機(jī)構(gòu)于一體的全對(duì)稱解耦型大行程二維微操作平臺(tái)�？紤]到柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和橋式微位移放大機(jī)構(gòu)對(duì)二維微操作平臺(tái)的性能影響,根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,利用半結(jié)構(gòu)模型建立了柔性導(dǎo)向機(jī)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(jī)構(gòu)的位移放大比模型,在此基礎(chǔ)上,采用矩陣法建立了二維微操作平臺(tái)的靜力學(xué)模型,并推導(dǎo)了其位移放大比、靜剛度等計(jì)算公式。 考慮到柔性鉸鏈尺寸參數(shù)對(duì)其性能的影響,將柔性機(jī)構(gòu)分為以柔順桿為主要特征的柔性機(jī)構(gòu)和以柔性鉸鏈為主要特征的柔性機(jī)構(gòu),并分別采用有限元方法和集中質(zhì)量法來建立其動(dòng)力學(xué)模型。針對(duì)以柔順桿為主要特征的柔性機(jī)構(gòu),選擇矩形截面的2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧鳛榛灸Ｐ蛦卧?在建立基本梁?jiǎn)卧倪\(yùn)動(dòng)微分方程的基礎(chǔ)上,通過裝配的方式獲得了整體機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型;針對(duì)以柔性鉸鏈為主要特征的柔性機(jī)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(diǎn),結(jié)合Lagrange方程,建立了其動(dòng)力學(xué)解析模型。 為了驗(yàn)證所建立的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的有效性,采用基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的有限元仿真軟件對(duì)微操作平臺(tái)的工作行程、位移放大比、固有頻率等特性進(jìn)行了仿真分析,并分析了主要尺寸參數(shù)對(duì)微操作平臺(tái)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(yàn)證了理論模型的合理性,也為二維微操作平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(tái)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(tái)的遲滯非線性因素。一種是將壓電式微操作平臺(tái)系統(tǒng)中的遲滯非線性、未建模動(dòng)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(cè)器來觀測(cè)和抑制系統(tǒng)中的擾動(dòng),并設(shè)計(jì)了基于干擾觀測(cè)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(tái)遲滯模型的基礎(chǔ)上,通過逆模型補(bǔ)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(duì)微操作平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行遲滯補(bǔ)償,并設(shè)計(jì)了基于PID滑模面的帶擾動(dòng)估計(jì)的滑模控制器(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(dòng)等因素,因而引入了自適應(yīng)規(guī)則,設(shè)計(jì)了自適應(yīng)SMCPE-PID控制器。 最后,采用線切割的方式加工了實(shí)驗(yàn)樣機(jī),搭建了壓電式微操作平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并對(duì)柔性導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、橋式微位移放大機(jī)構(gòu)以及二維微操作平臺(tái)進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的面向生物工程的精密定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)的工作行程,并具有亞微米級(jí)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(gè),參考文獻(xiàn)166篇。
【圖文】：

圖 1 -1 微 操作 系統(tǒng) 的 應(yīng) 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(diǎn) ，越 來 越 受到 外 科 醫(yī)生 的 青 睞， 而 結(jié) 合 了計(jì) 算 機(jī) 輔助 醫(yī) 療 技 術(shù)的 顯 微 外科 機(jī) 器 人已 成 為 目 前 前 沿 研 究 課 題 之 一[ 25 ]。 對(duì) 于 血 管 縫 合 等 需 要 精 細(xì) 操 作 的 外 科 手 術(shù) ， 采 用顯微 外 科 機(jī)器 人 可 以大 大 地 減 輕醫(yī) 生 的 負(fù)擔(dān) 、 病 人 的痛 苦 ， 同時(shí) 提 高 了手 術(shù) 成 功 率[ 26 ]。 20 0 4 年 ， 天 津 大 學(xué) 成 功 研 制 了 用 于 顯 微 外 科 手 術(shù) 的 微 操 作 機(jī) 器 人

博 士學(xué) 位論 文困難 。 因 而， 從 事 細(xì)胞 操 作 的 實(shí)驗(yàn) 人 員 及科 研 工 作 者迫 切 需 要能 夠 實(shí) 現(xiàn)自 動(dòng) 化 或半 自 動(dòng) 化操 作 的 顯微 操 作 系 統(tǒng)，， 從 而 減輕 實(shí) 驗(yàn) 人 員的 工 作 強(qiáng)度 、 提 高實(shí) 驗(yàn) 的 成功 率 。 葉果：面向生物工程的精密定位機(jī)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)特性研究
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TH113

【引證文獻(xiàn)】

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1 李楊民;湯暉;徐青松;

本文編號(hào)：2627552