微操作机器人系统的研究开发

1、微操作机器人系统的研究开发微机械电气系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)这一前沿技术主要涵盖以下研究专题：集成化微型仪器与传感器；微加工与测试技术；微操作系统。 微操作系统作为MEMS研究领域的一个重要分支受到各发达国家的高度重视，纷纷投入大量资金进行微操作机器人系统的研究，现已研制出多种各具特色的微操作机器人实验样机系统1。 自1993年起，在国家自然科学基金资助下，北京航空航天大学开始从事微操作机器人的研究，研究内容主要集中于各单元技术。经过几年的技术储备，研究重点开始由各单元技术转向系统集成及应用，如微操作系统的数学模型、微动仿生机构综合理论

2、、基于图像的视觉伺服理论、精细微操作系统的光-机-电集成设计方法等，并把生物工程作为微操作机器人系统的主要应用领域。 把生物工程作为微操作机器人的应用领域，目的可以解释为2点：从应用层面说，目标相当明确地界定在“面向生物工程”上，如细胞操作、基因转移、染色体切割等，希望给下一世纪中国的“绿色革命”带来推动作用。从技术层面说，定位在基于显微视觉全局闭环的计算机伺服自动协调作业上。长远观之，其相关技术与微加工、微电子、显微医学等可触类旁通。 1微动并联机器人2 “微动并联机器人的研制”课题研制了1台六自由度微动机器人，以其为核心建立了一套包括三自由度粗动平台、显微视觉系统、控制系统及周边辅助设备的

3、实验平台，并重点围绕微操作机器人的机构选型、误差分析、显微视觉及系统标定等方面做了较深入的研究。具体阐述如下： (1) 通过对国内外微动机构的分析与综合，设计出了创意独特、两级解耦的串并联微动机器人，这在微动机器人领域尚属首例。 此串并联微动机器人有六个自由度,由上(3RPS机构)、下(3RRR机构)两机构并联串接而成2，它具有上下机构运动解耦，运动学、动力学及误差分析简便，控制成本低，加速度大，可完成粗调、细调2种功能等特点。其具体技术指标如下：外形尺寸为100 mm100 mm100 mm，工作空间为40 m40 m24 m，运动分辨率为0.2 m。 (2) 为了合理地分配精度，充分评估各

4、项误差对末端执行器位姿的影响，我们利用矢量分析的方法建立了串并联机构结构参数误差与位姿误差的数学模型，分析了各项结构误差对末端位姿的影响程度，并得出了若干对微操作机器人设计、加工及安装有普遍指导意义的结论。 (3) 对压电陶瓷驱动器的驱动特性、柔性铰链的机械性能、微动机器人末端位姿的选择、微动机器人的控制方式及图像处理等问题，做了较深入的研究，积累了许多有参考价值的经验。 (4) 提出了对实验环境的若干改进措施。 2面向生物工程的微操作机器人系统 大多数工业机器人是按照给定的程序做简单重复的动作(如焊接、装配、搬运等)，不需要太强的智能。而对于微操作机器人来说，情况就有很大不同。因为被操作对象

5、十分微小，操作人员不可能十分清楚它们的精确位置，况且外界环境的变化使得它们的相对位置不定，微观世界里的物理法则及力学特性与宏观世界也大相径庭，这就要求机器人有很强的自动识别能力和决策能力。同时，温度变化、机械振动、噪声波动、机械蠕变等不稳定因素扰动，以及非线性微动特性、传递累积误差的影响，也使得微操作机器人必须具有很强的自我调整能力(即自我实时标定及补偿能力)。因此微操作机器人必须与其它仪器设备组合成一套光机电高度集成的系统，方能进行显微操作。 北京航空航天大学机器人研究所正在研制的用于细胞操作的微操作机器人系统包括倒置生物显微镜、粗动平台、左操作手、右操作手、摄像头、图像处理单元、控制系统、

6、人机交互接口等。 本系统采用全局闭环控制方法，即将显微视觉作为反馈控制源参与伺服控制形成视觉伺服反馈控制系统。系统的具体运作方式解释如下：活体细胞或染色体悬浮在培养液内，左右微操作机器人对称地安装在显微镜机架上，毛细玻璃管与毛细玻璃针等操作工具作为机器人的末端执行器(毛细玻璃管用于捕捉与固定细胞，毛细玻璃针用于细胞的切割、注射等)。首先，在显微视觉伺服的控制下，玻璃管、玻璃针及被操作对象将自动地调整到显微镜的焦平面内。左机器人完成活体细胞的捕捉与固定，右机器人完成切割、注射等精细操作。整个操作过程都在显微视觉的监视下完成，即图像处理单元实时地处理分析采集的图像信息(如细胞、玻璃管、玻璃针之间的

7、相对位姿，细胞核在细胞内的位置等)，并变成控制信号输送给控制器，机器人在控制器的命令下实时地对细胞进行追踪、捕捉、注射、转移等，直至完成整个操作过程。在进行显微注射时，外源基因或染色体或蛋白质的注射量的多少也是在显微视觉及注射装置的共同监控下完成的。整个操作过程通过显微镜、摄像头、监视器实时再现出来，供科研人员进行分析研究。在出现意外的情况下，操作者可根据图像信息，通过人机交互接口对系统进行遥控操作。被操作对象的选取是由操作者通过人机交互接口完成的。摘要 本文采用不稳态传热数值求解法，分析了目前较为普遍的传统砖混住宅、钢筋混凝土住宅和外墙内保温住宅，采用分室调节最低值时典型房间室温和与邻室的温

8、差及围护结构温度分布的变化规律，为进行住宅按户计量供暖设计热负荷确定，提供了三类居住建筑户间传热计算的依据，也为按户计量收费和建筑保温及防结霜研究提供了参考依据。关键词 不同住宅户间传热不稳态传热 0 引言随着我国能源结构的调整和逐步实施按户计量供暖收费改革制度，采用燃气电能、太阳能、地热能、江河湖海等清洁能源的多种能源供暖方式代替传统燃煤锅炉房供暖已成为必然趋势，这也是我国节约能源保护环境，实施可持续发展战略重要措施之一。无论采用哪种热源集中供暖，用户分室调节导致的户间传热计算，成为工程设计与研究部门关注的热点问题，其中，分室调节时室温和户间传热温差及围护结构温度分布的变化规律，是户间传热计

9、算的关键依据。目前，我国户间传热计算的关键性参数的确定处于探讨之中，迫于工程设计急需，采取先行界定、在过程中逐步完善的策略，因而，在一些地方的设计规程中对这些关键参数采取暂定的方法1。用户分室调节导致的户间传热，是通过围护结构的不稳态传热问题，目前我国户间传热的研究主要基于稳态传热分析，本文分别以目前较为普遍的传统砖混住宅、钢筋混凝土住宅和外墙内保温结构的三种居住建筑为对象，采用不稳态传热分析方法，数值求解，分别得出了三种住宅标准层和顶层的典型房间（有一面外墙和有两面外墙），采用分室调节最低值时（即停止采暖时），典型房间室温和与邻室的户间传热温差及围护结构温度分布的变化规律，并进行了分析比较，

10、为住宅按户计量度供暖设计热负荷的确定，提供了户间传热计算的依据，同时也为按户计量供暖收费和建筑保温及防结霜研究提供了参考依据。房间不稳态传热的数学模型描述典型房间室温及围护结构温度变化规律的不稳态传热的数学模型，由围护结构的不稳态导热微分方程式及其定解条件和房间热平衡方程组成。1.1 不稳态导热微分方程式：围护结构的不稳态导热，可视为平壁一维不稳态导热问题。其导热微分方程式为2： (1)式中，t为平壁任意厚度x处，在任意时刻 的温度，即t=f(x, ),；为的密度，kg/m3；c为物体的比热，J/kg.；为物体的导热系数，w/m?；对于工程均质材料，可近视认为=常数，则有： (2)式中： 为热

11、扩散系，m2/s。1.2 定解条件假定在北京地区供暖室外计算温度tw=-9w下；各房间控制室温为tn=20,其中典型房间突然停止采暖，分析求解该房间室温tn=f()和围护结构温度t=f(x, )变化规律。典型房间分别是：标准层只有一面外墙及外窗的北向房间；标准层有两面外墙及外窗的北向房间；顶层只有一面外墙及外窗的北向房间；顶层有两面外墙及外窗的北向房间。设典型房间突然停止采暖时刻为=0，则定解条件为： =0 tn=t0=20(所有房间)；0 tn=f()(典型房间) tn=t0=20(其它房间)外围护结构边界条件： ; tw=-9内围护结构边界条件： 式中：n为室内换热系数，w/m2.；w为室

12、外换热系数，w/m2.；为围护结构的厚度，m。1.3 房间热平衡方程当典型房间突然停止采暖后，典型房间失热量之和等于房间内能的变化，即 (3)式中：Fi为第i个围护结构内表面的面积，m2；N为围护结构内表面的总数；Fc为外窗面积，m2；kc为外窗传热系数，w/m2.； Qc为外窗的冷风渗透耗热量3，w；a为室内空气的密度，kg/m3；ca为室内空气的比热，J/kg.；V为室内空气的体积，m3。房间不稳态传热问题的数值求解本文采用有限差分法将上述数学模型转化为线性代数方程组24，其中，对时间变量采用向后差分的隐式格式，时间步长?=1小时；对于几何变量，根据内外围护结构的特点，分别采用长度不等的均

13、匀网格，二阶导数采用中心差分。将结构材料的物性参数及几何参数代入，利用计算机进行求解，便可得到任意时刻室内温度和任意时刻围护结构内温度分布。围护结构材料及几何参数：对于砖混住宅，外墙为370砖墙，内抹20mm厚；内墙为120砖墙，内外分别抹灰20mm；楼板厚110mm。对于钢筋混凝土住宅，外墙厚250mm，内抹灰20mm厚；内墙厚120mm，内外分别抹灰20mm；楼板厚110mm。对于内保温住宅，外墙为250mm厚陶粒混凝土，内加含面层共60mm厚增强水泥聚苯复合保温板5；内墙为160mm厚陶粒混凝土，双面抹灰10mm；楼板为110mm厚钢筋混凝土，上下各抹面10mm；屋面做法见文献6。求解结果及分析对三种住宅的典型房间求解结果见图14。曲线1代表内保温住宅标准层有一面外墙及外窗的北向房间，曲线2代表内保温住宅标准层有两面外墙及外窗的北向房间，曲线3代表砖混住宅标准层有一面外墙及外窗的北向房间，曲线4代表砖混住宅标准层有两面外墙及外窗的北向房间，曲线5代表钢筋混凝土住宅标准层有一面外墙及外窗的北向房间，曲线6代表钢筋混凝土住宅标准层有两面外墙及外窗的北向房间，曲线7代