面向微操作的宏/微精密定位技术研究

    0　引言

    微纳米技术的迅猛发展使得研究对象不断微细化,对微小零件进行加工、调整,微机电系统(MEMS)的装配作业等工作都需要微操作机器人的参与。在自适应光学、光纤对接、医学、生物学,特别是动植物基因工程、农产品改良育种等领域,需要完成细胞融合、微细手术等精细操作,都离不开高精度的微操作机器人系统。总之,微操作机器人已经成为人们探索微观世界不可缺少的重要工具[1]。

    精密定位是微操作机器人系统及装备研究的关键技术之一,该技术涉及精密机械、机器人、计算机、自动控制、精密测量等多学科领域。精密定位技术研究成为微操作领域的研究热点之一。

    1　微操作系统中的宏/微精密定位技术

    微操作机器人的一个重要任务就是要解决宏观与微观的矛盾问题。对于微操作任务来说,在关注高精度、纳米级定位检测的同时,还要兼顾微米级的大范围宏动定位。例如,在生物细胞操作过程中,要完成细胞的转移与搬运等,同时还要实现细胞注射、切割、融合等。生物细胞的尺寸一般在10~40μm之间,实现细胞的搬运需要微米级的定位作业,而要实现细胞注射、切割等则需要纳米级的定位技术。因此,宏微结合的方式是微操作机器人中经常采用的结构形式。

    韩国汉城国立大学研制的宏/微操作机器人,采用滚轴丝杠为主体的伺服系统构成宏动部分,微动部分由压电陶瓷驱动,分辨率可达10nm[2]。美国加利福尼亚州研制的宏/微结合的机器人,宏动部分由超声波马达构成直线伺服电机,微动部分由压电陶瓷驱动,确保分辨率小于5nm。哈尔滨工业大学研制的面向光纤耦合作业的微操作机器人采用精密并联机器人实现宏动调整,分辨率可达0.5um,微动部分采用压电陶瓷驱动,分辨率达50nm,该系统完成了单模光纤的耦合作业。MEMS微装配机器人采用压电马达实现宏动调整,采用压电陶瓷驱动的两自由度工作台实现微动调整,该系统完成了高温压力传感器的封装。

    微操作机器人的研究表明,宏微操作方式是结决大行程、高精度操作难点问题的途径。针对操作对象的精度要求不同,在宏微驱动原理和结构形式上也略有不同。因此,按照定位精度,可以将精密定位技术分为微米级宏动定位技术和纳米级精密定位技术。

    1.1　微米级宏动定位技术

    微米定位技术是指定位精度大于1μm,而运动范围为十到几十毫米的定位技术。其主要作用是要实现微操作机器人中的宏定位。从现有资料看,实现微米定位技术的方法有很多,包括高精度的电机、压电马达、以及高精度精密并联机构等。