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4、微操作機器人系統(tǒng)的研究熱點與難點
在微操作系統(tǒng)研究領域,由于其本身精度的要求及微空間內(nèi)獨有的物理法則,微操作機器人系統(tǒng)的研究至今仍存在許多理論和技術(shù)難題,主要表現(xiàn)如下:
(1) 系統(tǒng)標定事實上單獨靜態(tài)地對微操作系統(tǒng)進行精確標定是行不通的,只有將幾何標定與具有自學習功能的智能控制結(jié)合起來才能解決標定問題。
(2) 顯微視覺伺服系統(tǒng)亟待完善就目前來說,多數(shù)微操作機器人只有一套顯微監(jiān)視系統(tǒng),其操作控制方式是由操作者根據(jù)顯微監(jiān)視系統(tǒng)輸出的圖像,通過操縱手柄、指套、鍵盤等來遙控微操作機器人的運動。這套監(jiān)視系統(tǒng)通過操作者的眼睛、大腦和手形成一個大的控制閉環(huán),操作者的精神狀態(tài)、熟練程度影響著整個系統(tǒng)的控制精度和效率,不利于提高整個系統(tǒng)的自動化程度。將顯微視覺作為反饋控制源參與微操作機器人的伺服控制,是最佳解決途徑之一。
圖像數(shù)據(jù)的采集和處理延時一直是實現(xiàn)視覺伺服控制的主要障礙。對于微操作機器人來說,這種現(xiàn)象更為突出。微執(zhí)行器的細小尺寸及材質(zhì)、微操作對象的形狀逼近性、載體的透光品質(zhì)、顯微鏡的光學性能、微操作的高精度要求、外界振動及灰塵的介入等因素,使得圖像數(shù)據(jù)處理的延時更長。因此,為實現(xiàn)視覺實時閉環(huán),提高控制品質(zhì)與速度,研究視覺控制方案,開發(fā)具有系統(tǒng)自標定功能的顯微視覺伺服系統(tǒng)是努力的目標。
(3) 微操作控制理論需做進一步的探討微操作機器人系統(tǒng)是一個高度復雜的非線性系統(tǒng),傳遞累積誤差和超高精度微位姿實時檢測的困難,造成建立精確模型設計控制方案和獲得準確的手端誤差信號進行反饋控制比較困難,所以系統(tǒng)的微運動控制精度也難以保持穩(wěn)定(魯棒性差)。嘗試新的控制算法是一條可行之路。
(4) 微操作機器人可達域與運動分辨率之間的矛盾有待解決受高精度壓電驅(qū)動單元的短行程和系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)限制,微操作機器人的可達工作空間太小。雖然有些大行程的微動機器人已經(jīng)出現(xiàn)(如液壓式、蠕動式、變異式、模塊式、串并聯(lián)式等典型機器人),但積累誤差、結(jié)構(gòu)復雜、運動分辨率低、控制不便等問題也隨之出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)緊湊、大可達域、高運動分辨率、整體化結(jié)構(gòu)(Totally monolithic structure)式的微操作機器人是設計者們追求的最高“境界”。
(5) 微觀世界的物理法則十分復雜在被操作對象的微觀世界里,其運動學及力學特性不大服從于現(xiàn)有的一些物理法則,因此有些控制策略也不能機械地挪用到微操作機器人系統(tǒng)中。操作培養(yǎng)液中的細胞,不但要考慮重力作用,還要考慮浮力、流動力、布朗運動、范德華力、靜電力等。如果不仔細地研究這些微觀世界里的物理現(xiàn)象,很難構(gòu)造出完美的微操作機器人系統(tǒng)。
(6) 迫切需要研究開發(fā)新型的微位移及微力傳感器為了使微操作機器人系統(tǒng)具有較強的智能,微位移傳感器及微力傳感器是必不可少的。由于微觀世界里的種種條件約束,現(xiàn)有系統(tǒng)中各種微力、微位移、速度、加速度傳感器均未能成功地得到應用。
5、結(jié)語
目前,微操作機器人系統(tǒng)尚屬初露端倪的階段,很難一下子弄清它所具有的全部特有性質(zhì),有許多問題有待探索。因此在微操作機器人的發(fā)展初期,包含著很多機遇,也蘊藏著嚴峻的挑戰(zhàn)。微操作機器人系統(tǒng)應用領域很廣,本文論述的一些問題是針對面向生物工程的微操作機器人系統(tǒng)的,有些問題也具有普遍性。