基于电热效应的新型五自由度微操作器的研究

论文摘要

操作微小物体已经成为诸多领域富有挑战性的课题。而作为操作、制造、装配和检测微小物体和生物标本的最基本操作手段——微操作器受到了很多关注,关于这方面的研究已经成为一个世界性的热点。本文研究了一种五自由度微操作器,该操作器主要包括两个部分:基于电热效应的冰冻镊子(冰镊)和一个高精度的五自由度微操作臂。其中,冰镊作为微操作器可以实现对微小物体的操作;五自由度微操作臂可以实现冰镊与微小物体的位姿调整。该微操作器具有以下优点:结构简单、易于制造、低成本、操作简单、响应速度快、操作微小物体时可忽略物体的形状,质量等。论文的主要研究内容包括以下几个方面:首先,从电热学角度研究了一种基于电热效应的冰冻镊子,该镊子主要由半导体制冷器、末端执行器、散热装置组成。论文对其进行了结构设计,对电热效应和半导体制冷器制冷原理进行了介绍。其次,设计了五自由度(包括三个平移自由度和两个相互垂直的转动自由度)高精度微操作臂,重点介绍了两转动自由度的机械结构设计及驱动控制系统。对五自由度微操作器运动学的正解、逆解进行了理论推导,对运动空间以及姿态调整误差对位置调整的影响等进行了分析和仿真。最后,介绍了基于五自由度微操作器的工作原理和工作策略,通过试验分析了微操作系统的工作过程与影响冰球形成的因素;给出了微操作器适合的操作对象尺寸与影响该微操作器操作微小物体的因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 微操作器的国内外研究现状
• 1.3 微操作器的研究现状分析
• 1.4 论文主要内容和结构安排
• 第2章 冰镊的结构设计及其制冷原理
• 2.1 冰镊的机械结构设计
• 2.2 电热效应与半导体制冷器
• 2.3 本章小结
• 第3章 五自由度微操作臂结构及控制方案
• 3.1 五自由度微操作臂的设计
• 3.1.1 五自由度微操作臂的总体结构设计
• 3.1.2 关键部件设计和电机及其参数选择
• 3.1.3 关键部件的强度校核
• 3.2 五自由度微操作臂的控制
• 3.3 本章小结
• 第4章 五自由度微操作器的运动分析
• 4.1 五自由度微操作器坐标系的建立
• 4.2 五自由度微操作器运动学正解
• 4.3 五自由度微操作器运动学的逆解
• 4.3.1 运动学逆解的一般性问题
• 4.3.2 逆运动学方程的推导和求解
• 4.4 五自由度微操作器末端执行器尖端运动空间
• 4.5 姿态调整和位置调整误差的相互影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 冰镊微操作系统试验与分析
• 5.1 微操作的特点和试验设备
• 5.2 冰镊微操作系统工作原理和工作策略
• 5.2.1 冰冻镊子工作的基本原理
• 5.2.2 冰冻镊子工作策略
• 5.3 试验与分析
• 5.3.1 微操作系统操作过程分析
• 5.3.2 液态水转变为固态冰的试验与分析
• 5.3.3 操作微小物体的试验与分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢