一种自校准的液滴机械手结构及微操作方法
技术领域
本发明涉及液滴微操作领域，特别涉及一种自校准的液滴机械手结构及为微操作方法。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)的不断发展，组成元件的尺寸特征越来越小，内部结构日益复杂，在微型部件的装配中对装配精度要求越来越高，微型部件的拾取、姿态调整、释放则往往是微装配操作里面的重点和难点。目前国内外对于微型部件装配的操作方法,主要是微夹钳法，真空吸附法和基于表面张力方法。
微夹钳法指微操作工具被设计成与宏观夹钳类似的结构实现操作对象的抓取、搬运、调整等操作。日本电气通信大学的Fuchiwaki 开发了一款具有微型镊子的遥控微操作机器人，灵活地完成了对直径为20um的微球的拾取和释放操作。国内孙立宁团队设计了一种模块化多指微操作执行器。针对执行器建立了单指，双指及三指的拾取与释放模型，完成了直径为60-80um的微球自粘附组装。Tien-Hoang 设计了一种嵌入式顺应性双稳态机构的夹钳，用于抓取和自动释放微小物体。利用振动促使末端执行器主动释放了直径为6mm，厚度为 3mm的圆盘状物体。当微操作对象厚度较薄时，采用微夹钳微操作方法难度较大，且夹持力较难控制。目前微夹钳材料常由硅制作而成，在操作过程中容易造成磨损，同时也对微操作对象表面造成一定的损害。
真空吸附微操作方法是利用操作工具内外产生的压力差来实现对操作对象的吸附和释放操作。瑞士洛桑联邦理工学院Zesch提出一种基于玻璃吸管，电脑可控真空度的真空机械手，可实现对操作对象的拾取和防止。维也纳大学Petrovic将微夹钳、真空夹具和测力夹持系统相结合，基于视觉测量系统定位微构件进行微装配。华中科技大学的黄心汉教授研究出一种基于模糊控制的可控吸附力的真空微夹，可实现自动拾取、释放直径100-800um的小球。真空吸附结构简单，气压便于控制，但是对于表面非规则的操作对象难以实现稳定吸附，此外真空吸附微操作方法对设备及环境要求较高，投入成本较大。
基于表面张力方法指利用液滴的表面张力来实现对操作对象的吸附，姿态调整和释放操作。东京大学Takei开发了一种基于液滴驱动的毛细马达。他对基板进一步加入间隔均匀的环形电极。通过电润湿法改变液桥的接触角和液桥形态，从而对上方的固体平板产生扭矩。通过不断改变液桥的边界条件从而实现上方固体的持续旋转。日本埼玉大学Kato结合真空吸附和液滴粘附的方法，利用表面张力吸附其微小物体并且使微小物体中心与微管中心对中，之后利用真空实现微小物体的拾取与释放。国内哈尔滨工业大学团队对液滴微操作方法展开了许多相关研究，范增华设计了一种基于疏水表面冷凝的单针式微操作工具，提出一种疏水表面冷凝的可控毛细力操作方法，实现了微型硅片和微球的拾取；苏凤婷设计了一种基于微力传感器单探针的微操作工具，提出基于单探针和液滴辅助的微构件转移策略，利用液滴粘附力实现微操作对象的拾取，利用基板上的辅助液滴构造的双液桥模型实现微操作对象的释放；孙定提出了一种漏斗形毛细微管使用类似吞吐式方法实现大量微小物体的拾取与释放。
除了上述的方法之外，微小机器人在微装配中应用越来越多，但由于系统的复杂性和应用环境限制，目前还没有得到广泛的应用。本研究团队在前人研究的基础之上，提出了一种多棒型的液滴微操作机械手，该发明可以实现微小物体姿态的改变，但是由于机械手每根钨丝棒在空间上均匀圆周分布，无法对特定形状的微小物体实现自动校准。
发明内容
针对上述问题的不足，本发明提供了一种自校准的液滴机械手结构，该结构通过控制各玻璃微管的液滴量和上下高度，可以实现空间内任何形状微小物体的自动校准和姿态控制，采用的技术方案如下：
一种自校准的液滴机械手结构，包括末端执行组件、液滴注射组件、微管驱动组件、支架组件以及控制与反馈组件；
末端执行组件包括九根毛细玻璃微管；液滴注射组件包括注射器、注射器的推进器以及软管；所述微管驱动组件包括微型步进电机以及与微型步进电机的输出轴的传动螺母相嵌套的传动连接板；每根毛细玻璃微管均通过对应的软管与对应的注射器相连；每根毛细玻璃微管均通过微管驱动组件实现上下移动；
支架组件固定与支撑末端执行组件、液滴注射组件、微管驱动组件、以及控制与反馈组件；控制与反馈组件控制微管驱动组件和液滴注射组件，使得若干个毛细玻璃微管末端产生液滴，并完成微小物体的自校准过程。
进一步地，所述末端执行组件的九根毛细玻璃微管的长度根据操作空间而定，范围在100mm-200mm内，管内直径和外径根据要操作的微小物体的表面尺寸而定，内径范围在0.1mm-1mm内，外径范围在0.3mm-1.3mm内；九根毛细玻璃微管在初始状态下末端面保持平齐，在空间上呈3×3均匀阵列排布；
每根毛细玻璃微管注入的液滴量相互独立，互不干扰。
进一步地，所述微管驱动组件的微型步进电机通过螺旋机构实现毛细玻璃微管的上下运动，从而构成不同的端面形状，进而实现对微小物体姿态的调整；每根毛细玻璃微管的上下移动相互独立，互不干扰。
进一步地，所述控制与反馈组件包括计算机、液滴量控制装置、微型步进电机控制装置和显微镜；显微镜用于微小物体姿态变化过程观察和相关数据测量，将微小物体的图像信息发送至计算机，计算机分别连接并发送控制信号至微型步进电机控制装置和液滴量控制装置；微型步进电机控制装置与微管驱动组件中的微型步进电机相连；液滴量控制装置与液滴注射组件的推进器相连；
所述相关数据包括液桥的高度，液体与微小物体的接触角，微小物体的姿态；
微型步进电机控制装置包括数据采集转换卡和驱动电路，数据采集转换卡根据计算机发送的控制信号控制驱动电路，进而控制微管驱动组件，最终完成对微型步进电机的控制。
进一步地，所述支架组件包括二维光学手动滑台、四根支柱螺杆、用于约束毛细玻璃微管端面形状的下固定板、电机定位板、用于约束软管位置的上固定板、用于连接电机定位板和上固定板的螺钉以及螺母；
四根支柱螺杆分别通过螺母从上到下依次连接电机定位板、下固定板以及二维光学手动滑台，用于固定支架组件；
所述二维光学手动滑台为微动平台，用于实现机械手在水平面内的移动，也可以作被吸附后的微小物体在水平面内位置的移动。
一种用于自校准的液滴机械手的微操作方法，包括以下步骤：
S1、自动校准所吸附的微小物体；
S2、在自动校准的基础上实现微小物体的姿态调整：对于自动校准后的微小物体，保持未选定的毛细玻璃微管位置不变，通过计算机向选定的毛细玻璃微管对应的微型步进电机发出相互独立的控制信号，控制所选定的每根毛细玻璃微管的上下移动量，所选定的毛细玻璃微管的端面发生改变，导致被吸附的微小物体受到相应的非对称液桥力，发生姿态的改变，从而实现对微小物体位置和姿态的调整。
进一步地，步骤S1包括以下步骤：
S1.1、根据微小物体的表面形状，选定端面形状与之相匹配的一组毛细玻璃微管；微小物体的初始位置放置于一块洁净的载玻片上，载玻片放置于液滴机械手的毛细玻璃微管下方；
S1.2、对于选定的毛细玻璃微管，保持毛细玻璃微管位置不变；对于未选定的毛细玻璃微管，通过控制与反馈组件的计算机发送控制信号至微型步进电机控制装置进而控制微型步进电机，使得未选定的毛细玻璃微管同时向上移动相同的距离；
S1.3、通过控制与反馈组件的计算机发送控制信号至液滴量控制装置控制推进器的运动，进而控制注射器向每根选定的毛细玻璃微管注入等量的液体，在选定的毛细玻璃微管底端形成微小液滴；
S1.4、通过调节微动平台实现液滴机械手整体的上下运动，将液滴机械手整体运动靠近微小物体，使得形成的微小液滴与微小物体接触，进而使得选定的毛细玻璃微管底端、微小液滴和微小物体三者形成液桥，利用液桥力完成吸附，等待1s后，可以实现自动校准，使吸附的微小物体表面形状与机械手末端即选定的毛细玻璃微管底端的形状位置一致。
进一步地，步骤S1.2中，为避免液滴从选定的毛细玻璃微管漫延至未选定的毛细玻璃微管壁面，未选定的毛细玻璃微管该向上移动的距离需大于2mm。
进一步地，步骤S1.3中，稳定吸附的条件是注入的液体的量所产生的液桥力大于微小物体自身的重力，通过注射器注入的液体的量根据所吸附的微小物体的质量而改变，以改变液体的表面张力系数，实现稳定吸附。
进一步地，可通过改变毛细玻璃微管的管内直径大小来适应不同微小物体的尺寸变化，扩大其适用范围。
相比现在的技术，本发明具有以下优点：
1.自动校准功能，利用非对称液桥产生的毛细回复力，可实现在微小物体位置在理想位置附近仍能被被液滴所吸附，吸附稳定后自动调整至理想位置，无需任何人为干预；
2.适用对象范围广，空间上呈3×3阵列分布的毛细玻璃微管可组合成任意形状，适用于任意形状的微小物体；
3.无损操作，对微小物体控制的机理主要是基于液滴的表面张力作用实现的，属于柔性接触，不会对微小物体表面产生任何机械损伤；
4.精确控制，液滴的注射量和每根毛细玻璃微管的上下移动量独立控制，可实现对微小物体目标姿态的精确控制且控制方法简单；
5.整体结构简单，固定方式多为螺纹连接，大部分结构件形状规则，加工简便。
附图说明
图1为本实施例一种自校准的液滴机械手的结构原理图；
图2为本实施例毛细玻璃微管基于表面张力吸附微小物体示意图；
图3为本实施例一种自校准的液滴机械手的控制原理示意图；
图4为本实施例电机驱动与末端执行组件连接的示意图；
图5为本实施例液滴机械手吸附矩形物体并实现自动校准过程示意图；
图6为本实施例液滴机械手吸附三角形物体并实现自动校准过程示意图；
图7为本实施例液滴机械手调节微小物体姿态过程示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本下面结合附图和具体实施发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。
实施例1：
一种自校准的液滴机械手结构，如图1、图2、图3、图4所示，包括末端执行组件、液滴注射组件、微管驱动组件、支架组件以及控制与反馈组件；
末端执行组件包括九根毛细玻璃微管12；液滴注射组件包括注射器2、注射器2的推进器1以及软管3；所述微管驱动组件包括微型步进电机10以及与微型步进电机10的输出轴17的传动螺母16相嵌套的传动连接板11；每根毛细玻璃微管12均通过对应的软管3与对应的注射器2相连；每根毛细玻璃微管12均通过微管驱动组件实现上下移动；
支架组件固定与支撑末端执行组件、液滴注射组件、微管驱动组件、以及控制与反馈组件；控制与反馈组件控制微管驱动组件和液滴注射组件，使得若干个毛细玻璃微管12末端产生液滴，并完成微小物体15的自校准过程。
如图2所示，所述末端执行组件的九根毛细玻璃微管12的长度根据操作空间而定，范围在100mm-200mm内，管内直径和外径根据要操作的微小物体的表面尺寸而定，内径范围在0.1mm-1mm内，外径范围在0.3mm-1.3mm内；九根毛细玻璃微管12在初始状态下末端面保持平齐，在空间上呈3×3均匀阵列排布；
每根毛细玻璃微管12注入的液滴量相互独立，互不干扰。
如图4所示，所述微管驱动组件的微型步进电机10通过螺旋机构实现毛细玻璃微管12的上下运动，从而构成不同的端面形状，进而实现对微小物体姿态的调整；每根毛细玻璃微管12的上下移动相互独立，互不干扰。
本实施例中，实现毛细玻璃微管12上下运动的具体办法是微型步进电机10的输出轴17作旋转运动时，传动螺母16将作直线运动，与传动螺母16相嵌套的传动连接板11也会作直线运动，因此粘接于传动连接板11上的毛细玻璃微管12就会作上下直线运动。
如图3所示，所述控制与反馈组件包括计算机、液滴量控制装置、微型步进电机控制装置和显微镜；本实施例中，显微镜采用日本基恩士的VHX-950F的数码显微系统，用于微小物体15姿态变化过程观察和相关数据测量，将微小物体15的图像信息发送至计算机，计算机分别连接并发送控制信号至微型步进电机控制装置和液滴量控制装置；微型步进电机控制装置与微管驱动组件中的微型步进电机10 相连；液滴量控制装置与液滴注射组件的推进器1相连；
所述相关数据包括液桥的高度，液体与微小物体15的接触角，微小物体15的姿态；
微型步进电机控制装置包括数据采集转换卡和驱动电路，数据采集转换卡根据计算机发送的控制信号控制驱动电路，进而控制微管驱动组件，最终完成对微型步进电机10的控制。
如图1所示，所述支架组件包括二维光学手动滑台13、四根支柱螺杆4、用于约束毛细玻璃微管12端面形状的下固定板5、电机定位板7、用于约束软管3位置的上固定板9、用于连接电机定位板7 和上固定板9的螺钉8以及螺母6；
四根支柱螺杆4分别通过螺母6从上到下依次连接电机定位板7、下固定板5以及二维光学手动滑台13，用于固定支架组件；
所述二维光学手动滑台13为微动平台，用于实现机械手在水平面内的移动，也可以作被吸附后的微小物体在水平面内位置的移动。
本实施例中，微管驱动组件的微型步进电机10是通过螺钉固定在电机定位板7上的，但不是螺钉8，用更小一点的螺钉；
一种用于自校准的液滴机械手的微操作方法，包括以下步骤：
S1、自动校准所吸附的微小物体，包括以下步骤：
S1.1、根据微小物体的表面形状，选定端面形状与之相匹配的一组毛细玻璃微管；微小物体的初始位置放置于一块洁净的载玻片上，载玻片放置于液滴机械手的毛细玻璃微管下方；
本实施例中，毛细玻璃微管的选定是根据微小物体表面的几何形状，在从3×3阵列排布的毛细玻璃微管中选取若干根，使其总体轮廓形状与微小物体表面的几何形状最为相似的一组；
S1.2、对于选定的毛细玻璃微管，保持毛细玻璃微管位置不变；对于未选定的毛细玻璃微管，通过控制与反馈组件的计算机发送控制信号至微型步进电机控制装置进而控制微型步进电机，使得未选定的毛细玻璃微管同时向上移动相同的距离；
本实施例中，为避免液滴从选定的毛细玻璃微管漫延至未选定的毛细玻璃微管壁面，未选定的毛细玻璃微管该向上移动的距离需大于 2mm。
S1.3、通过控制与反馈组件的计算机发送控制信号至液滴量控制装置控制推进器的运动，进而控制注射器向每根选定的毛细玻璃微管注入等量的液体，在选定的毛细玻璃微管底端形成微小液滴；
稳定吸附的条件是注入的液体的量所产生的液桥力大于微小物体自身的重力，通过注射器注入的液体的量根据所吸附的微小物体的质量而改变，以改变液体的表面张力系数，实现稳定吸附；
本实施例中，微小物体的质量可以通过电子天平称量多个相同的微小物体再求平均值获得；
S1.4、如图2所示，通过调节微动平台实现液滴机械手整体的上下运动，将液滴机械手整体运动靠近微小物体，使得形成的微小液滴与微小物体接触，进而使得选定的毛细玻璃微管底端、微小液滴和微小物体三者形成液桥，利用液桥力完成吸附，等待1s后，可以实现自动校准，使吸附的微小物体表面形状与机械手末端即选定的毛细玻璃微管底端的形状位置一致。
S2、在自动校准的基础上实现微小物体的姿态调整：对于自动校准后的微小物体，保持未选定的毛细玻璃微管位置不变，通过计算机向选定的毛细玻璃微管对应的微型步进电机发出相互独立的控制信号，控制所选定的每根毛细玻璃微管的上下移动量，所选定的毛细玻璃微管的端面发生改变，导致被吸附的微小物体受到相应的非对称液桥力，发生姿态的改变，从而实现对微小物体位置和姿态的调整。
实施例2：
本实施例中，以吸附块状矩形物体为例，整个过程如图5所示。首先，控制微型步进电机10调节九根毛细玻璃微管12端面平齐。假定矩形物体的尺寸为2.4mm×1.6mm×0.5mm，初始状态矩形物体的表面中心与液滴机械手中心x方向上的距离为0.3mm，y方向上的距离为0.2mm，绕中心点顺时针旋转了10°，根据其矩形形状，通过控制微型步进电机10使编号为g、h、i的毛细玻璃微管12一起向上移动2mm，选定的编号为a、b、c、d、e、f毛细玻璃微管12保持不动。通过液滴量控制装置通过注射器2分别向编号为a、b、c、d、e、 f的毛细玻璃微管12注入等量液滴，在毛细玻璃微管12底端形成微小液滴14，如图5a所示。调节液滴14与矩形物体的距离，使两者接触，形成非对称液桥，矩形物体被吸附，如图5b所示。由于液桥总是会朝着最小能量的趋势进行变化，因此被吸附的矩形物体在非对称液桥力的作用下发生了姿态的改变，等待1s稳定后矩形形状与编号为a、b、c、d、e、f的毛细玻璃微管12构成的近似矩形形状对齐，实现自动校准，如图5c所示。
实施例3：
本实施例中，以吸附块状三角形物体为例，整个过程如图6所示。首先，控制微型步进电机10调节九根毛细玻璃微管12端面平齐。假定某一等腰直角三角形物体腰长为1.6mm，高度为0.3mm，初始状态三角形物体的斜边中点与液滴机械手中心x方向上的距离为0.3mm，y方向上的距离为0.2mm，绕斜边中点顺时针旋转了10°，根据其三角形形状，通过控制微型步进电机10使编号为f、h、i的毛细玻璃微管12一起向上移动2mm，选定的编号为a、b、c、d、e、g毛细玻璃微管12保持不动。通过液滴量控制装置通过注射器2分别向编号为 a、b、c、d、e、g的毛细玻璃微管12注入等量液滴，在毛细玻璃微管12底端形成微小液滴14，如图6a所示。调节液滴14与三角形物体的距离，使两者接触，形成非对称液桥，矩形物体被吸附，如图 6b所示。由于液桥总是会朝着最小能量的趋势进行变化，因此被吸附的三角形物体在非对称液桥力的作用下发生了姿态的改变，等待 1s稳定后三角形形状与编号为a、b、c、d、e、g的毛细玻璃微管12 构成的近似三角形形状对齐，实现自动校准，如图6c所示。
实施例4：
本实施例中，以吸附并倾斜块状规则物体姿态为例，整个过程如图7所示。首先，控制微型步进电机10调节九根毛细玻璃微管12端面平齐。假定块状物体尺寸为3mm×3mm×0.5mm，初始状态物体的中心与液滴机械手的中心重合。根据其正方形形状，通过液滴量控制装置通过注射器2分别向所有毛细玻璃微管12注入等量液滴，在毛细玻璃微管12底端形成微小液滴14，如图7a所示。调节液滴14 与块状物体的距离，使两者接触，形成液桥，块状物体被吸附，如图 7b所示。因为物体的中心与液滴机械手的中心重合，因此块状物体被吸附后已经自动对准。调整微小物体15的姿态，预设微小物体目标姿态绕空间y轴顺时针旋转20.55°，求解运算得出各毛细玻璃管 12的位移量和移动方向。计算机上的程序向数据采集卡发出控制信号，经驱动电路放大后驱动各微型步进电机10运动。通过各微型步进电机10运动实现各毛细玻璃微管12的上下移动。整个过程中，编号为a、d、g的毛细玻璃微管12位置保持不变，编号为b、e、h的毛细玻璃微管12共同向下移动0.3mm，编号为c、f、i的毛细玻璃微管12共同向下移动0.6mm，毛细玻璃微管12在XOZ平面内形成阶梯状。由于毛细玻璃微管12端面的改变，液桥液面变成非对称形状，根据能量最小原理，液桥总是朝着能量最小的趋势进行演变，因此微小物体15在非对称液桥力的作用下发生了倾斜，最终稳定后微小物体顺应着阶梯状的毛细玻璃微管12绕空间y轴顺时针旋转20.55°，实现了预设的目标姿态调整。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
