专利名称：基于显微视觉伺服的柔性超声辐射力夹的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一套基于显微视觉伺服柔性超声辐射力夹，具体的说，它涉及一种基于显微视觉伺服，利用超声声场合成声势阱的方法，实现以定量精确的强度对微米级物体进行非接触式固定和夹持的微型夹具系统。
背景技术：
随着科学技术的快速发展，人类对微观世界进行探索的需求日益强烈。近些年，微观领域已经逐渐地成为了研究的热点。微机电系统和生命科学技术是其中较为典型的研究方向。但无论是微机电系统的装配还是细胞的融合，都需要对微小的对象进行固定和夹持。 因此，微夹具系统的研究和开发是必不可少的。纵观目前微型夹具系统的研究现状，现有微型夹具系统的末端执行机构均采用传统意义上的夹钳或吸管。如《一种压电式柔性驱动放大量程微夹持手》(专利申请号为 01140450. 7)、《一种柔性电热驱动微夹钳》(专利申请号为2004100502M. 0)、《一种电热驱动柔性微夹钳》(专利申请号为200410020675. 9)等都采用夹钳作为末端执行机构；《基于显微视觉的微装配机器人系统》(专利申请号为01133684. 6)采用吸管作为末端执行机构。 这类传统的末端执行机构存在两个明显的缺陷。第一，它的夹持方式属于接触式夹持，依靠接触式作用力夹持微小对象。但由于夹持对象十分微小，物理特性会发生变化。当微小对象的尺寸小于1毫米时，对微小物体操纵时受重力的影响减小，范德华力、表面张力将起决定作用。表面张力包括静电力和粘滞力等，这些力的力学特性至今尚未研究透彻，控制较为困难。因此，接触式夹具与微小对象之间静电力和粘滞力使得微小对象的定位释放变得十分困难。第二，它的夹持力的定量控制较为困难。微机电系统装配和细胞融合中涉及的微构件及细胞因尺寸微小都存在易破坏的特性，故夹具施加的夹持力大小存在限制。传统的末端执行机构不易定量调节夹持力的大小，容易造成微构件和细胞的破坏。由于现有微型夹具系统存在以上的缺陷，在微操纵中实际应用依然较为困难。因此能够解决上述缺陷的新型夹具系统的研发具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于显微视觉伺服的，刚度柔性定量可调的非接触式超声辐射力夹。本发明采用多通道声波合成的原理，利用相位调整策略实现微小对象的俘获和固定，采用在显微视觉测量和监视的基础上调整相关声参数的方法，实现对超声辐射力夹刚度的反馈闭环调节。由理论知识可知，在一定范围内，微小对象在稳定声场声势阱中所受辐射力大小与其偏离声势阱中心点的位移成正比，方向相反。在理想声势阱范围内，依据胡克定律，由显微视觉系统测得的微小对象偏离中心点位移和采用流体粘滞力间接测得的当前夹持力大小可推测得出当前声势阱的刚度。结合声势阱刚度与声场声压强度有关的理论，本发明可以实现精确的控制声势阱刚度。具体方法为第一步，启动系统，建立稳定声场，俘获待操纵微小对象。高速摄像机记录待操纵微小对象当前位置作为声势阱中心点。第二步， 开启微流泵，使待操纵微小对象处于稳定的低流速流场中，依据流体力学理论计算待操纵微小对象所受流体粘滞力大小。对当前待操纵对象作受力分析，由力平衡原理可知当前声势阱提供的回复力等于流体粘滞力。第三步，高速摄像机记录当前待操纵微小对象位置，与声势阱中心点比较获得偏离位移。第四步，上位机由上述回复力和偏离位移计算当前声势阱刚度，并与用户输入的目标刚度比较。如果存在偏差，则根据偏差调整各通道声波参数。 第五步，声势阱刚度改变使得待操纵对象发生运动，待其重新稳定后，用高速摄像机获得最新偏离位移。第六步，根据回复力和最新偏离位移计算当前声势阱刚度，再次与用户输入的目标刚度比较。如果依然存在偏差，则继续调整各通道声波参数。第七步，重复上述五、六步，直至计算得出的声势阱刚度与用户输入的目标刚度之间的偏差小于容许误差为止。通过上述七个步骤，用户即可获得所需的精确刚度超声辐射力夹。本发明包括PXI机箱、超声发射卡、高频功率放大模块组、超声换能器组、图像采集卡、高速摄像机、微流泵等。上述的超声发射卡和图像采集卡插入PXI机箱，超声发射卡输出小幅值波形电压信号接入高频功率放大模块，高频功率放大模块输出大幅值波形电压信号驱动超声换能器组发射超声波，多路超声波合成稳定声势阱用于俘获微小操纵对象； 图像采集卡连接高速摄像机，控制摄像机采集图像并对图像做一定预处理后上传给上位机，上位机提取图像特征，计算位移、速度等目标参数。PXI机箱通过串口线连接微流泵，微流泵通过微流管接入目标声场附近，在标定时产生低流速稳定流场。PXI机箱PXI机箱作为系统的工控机，它提供1个系统插槽和7个用户PXI插槽。 工控机的PXI总线结构为系统的数据传输提供了保障。同时，上位机软件也将在工控机上运行，负责图像的处理以及对超声发射卡和微流泵的控制。图像采集卡图像采集卡由基于DSP的中心控制单元、基于FPGA的图像预处理单元、DDR2存储空间以及CameraLink转换接口组成。基于DSP的中心控制单元以图像处理专用芯片DM6467作为中心元件，负责图像采集的控制以及图像数据的传输。基于FPGA的图像预处理单元负责图像的去噪、平滑等预处理过程。图像采集卡触发摄像机拍摄一幅图像并经CameraLink接口进入基于FPGA的图像预处理单元，当基于FPGA的图像处理单元完成图像预处理时通知基于DSP的中心控制单元，基于DSP的中心控制单元利用其自带的VPIF 接口将图像数据搬运至DDR2存储空间中，当搬运完成后再将DDR2中存储的图像数据通过 DMA的方式保存到上位机的内存中并通知上位机接收，上位机接收并处理完毕后命令基于 DSP的中心控制单元进行下一图像采集传输循环。高速摄像机高速摄像机选用MICRO公司的CXD作为感光元件，CameraLink接口作为输出接口。因观测对象为微小物体，镜头选用具放大能力的远心镜头。为获得良好的实时性反馈控制，高速摄像机的帧率需要达到500帧每秒。超声发射卡超声发射卡由参数交互单元、信号发生与同步控制单元组成。参数交互单元以PCI接口转接芯片为中心元件，负责上位机软件与信号发生模块之间的数据交互，PXI总线具有强大的数据传输能力，能够保证参数的实时传递。信号发生及同步控制单元由DSP中心测控单元、基于FPGA的接口模块、D/A幅值转换器、12位高速D/A转换器、板内集成运算放大及补偿电路、地址总线、数据总线、控制总线等构成。信号发生模块以直接数
4字频率合成器基本原理为中心技术，能够产生频率、相位、幅值均稳定可控的各种波形。预先将目标理想波形数据存入波形数据表中，上位机通过参数交互单元将各通道参数信息发送给DSP中心测控单元，DSP中心测控单元解析参数信息后转发给基于FPGA的接口模块并给出一个同步触发信号，在同步触发信号作用下，接口模块一方面根据幅值信息输出幅值数字量至D/A幅值转换器，D/A幅值转换器将数字量转化为模拟量输入到12位高速D/A转换器的幅值比较输入端，另一方面根据频率和相位信息查询波形数据表输出波形数据至12 位高速D/A转换器，由12位高速D/A转换器转换成模拟波形后经板内集成运算放大及补偿电路作幅值放大为小幅值波形信号，输出至高频功率放大模块。高频功率放大模块高频功率放大模块主要由高压运算放大器PA19及其外围电路构成，输出的最大电压可达士35V。超声换能器组超声换能器组由4个1. 75MHz的平面活塞换能器组成，呈正四面体的空间分布。4个超声换能器分别与4路功率放大及补偿电路对应相连，在大幅值波形电压驱动下，产生稳定的三维超声驻波场。在操纵过程中，调整各个超声换能器发射信号间的相位关系能实现对微操纵对象在空间范围内的俘获、移动和释放，调整各个换能器发射信号的强度能改变俘获力的大小。微流泵微流泵优先选择恒流能力强的微流泵，流量输出能力在0-20ml/min， 即能够保证微流管直径为3mm左右时流速在0-0. 15m/s。这个流速远远小于水中的声速 (1500m/s)，因此对声场的影响可以忽略不计。微流泵通过串口与上位机通讯，以便实现整个流程的界面化操作。本发明具有以下优点
本发明基于多通道声波合成技术，利用微小物体处于声势阱中受指向势阱中心的辐射力作用的原理，实现对微小物体的俘获、固定，避免了传统夹具因接触式夹持带来的粘附力、静电力等影响。本发明介绍的超声辐射力夹的刚度是定量可调的，避免过大夹持力对微小对象造成伤害。声势阱对处于势阱中的微小对象存在指向势阱中心的线性回复力，结合显微视觉，能够评估操纵过程中超声辐射力夹对微小对象的夹持力大小。本发明采用插卡式结构，方便升级和扩展。本发明交互能力强，操作者只需通过上位机界面即可实现对超声辐射力夹刚度的调节，获得理想刚度。
图1为一种基于显微视觉伺服的柔性超声辐射力夹的示意图。图2为一种基于显微视觉伺服的柔性超声辐射力夹的总体结构图。其中，1为PXI总线结构的工控机，2为图像采集卡，3为高速摄像机，4为超声发射卡，5为高频功率放大模块，6为超声换能器组，18为微流泵。图3为图像采集子系统的具体结构图。其中，1为PXI总线结构的工控机，7为基于DSP的中心控制单元，8为基于FPGA的图像预处理单元，10为DDR2存储芯片，9为CameraLink转换接口，3为高速摄像机。
图4超声发射子系统的具体结构图。其中，1为PXI总线结构的工控机，11为PCI桥接电路，12为基于DSP的中心控制单元，13为基于FPGA的接口电路模块，14为D/A幅值转换器，15为12位高速D/A转换模块，16为高频功率放大模块，17为超声换能器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作详细描述
本发明的基于显微视觉伺服的柔性超声辐射力夹工作前需进行自我标定。如图1所示，工控机启动后对超声发射卡配置一套初始参数，超声发射卡产生小幅值波形信号，小幅值波形信号经高频功率放大模块后驱动超声换能器产生超声波，4路超声信号合成稳定的声势阱，声势阱俘获待操纵微小对象。启动微流泵并等待其形成稳定的低速流场。整个过程中，用两台高速摄像机记录待操纵微小对象的位置。根据流体粘滞力理论、声场理论以及胡克定律，声势阱刚度可通过待操纵微小对象所受的粘滞力除以它偏离势阱中心点位移计算得出。根据图2可知，该装置由PXI总线结构的工控机、图像采集卡、高速摄像机、超声发射卡、高频功率放大模块、超声换能器组和微流泵组成。本系统采用基于PXI总线的插卡式结构，工控机1通过PXI总线与图像采集卡和超声发射卡相连，其主要功能是分析图像，提取微小颗粒的运动位移参数，根据运动位移参数控制超声发射卡。图像采集卡2分别与PXI总线结构的工控机1和高速摄像机3相连，其作用是控制高速摄像机采集图像，对图像作简单预处理后通过PXI总线传输给上位机软件。高速摄像机3与图像采集卡2相连，其作用是在图像采集卡的作用下拍摄图像并通过CameraLink接口输入到图像采集卡中。超声发射卡4分别与PXI总线结构的工控机1和高频功率放大模块组5相连，其作用是在上位机系统的控制下产生四路同步不同模式的超声信号。高频功率放大模块组5分别与超声发射卡4和超声换能器组6相连，其作用是对超声发射卡产生的超声信号进行放大以驱动超声换能器组。超声换能器组6与高频功率放大模块组5相连，其作用是将高频功率放大模块输出的大幅值信号转换成用于合成声场的超声波。工控机通过串口线连接微流泵18，微流泵通过微流管接入目标声场附近，在标定时产生低流速稳定流场。根据图3可知，图像采集卡2由基于DSP的中心控制单元7、基于FPGA的图像预处理单元8、CameraLink转换接口 9和DDR2存储单元10组成。基于DSP的中心控制单元7分别与PXI总线结构的工控机1和基于FPGA的图像预处理单元8相连，起作用是控制图像的采集以及图像数据的搬运。基于FPGA的图像预处理单元8分别与基于DSP的中心控制单元7和CameraLink 转换接口 9相连，其作用是对采集到的图像进行初步的预处理，以便于后续的特征提取和特征值计算。CameraLink转换接口 9分别与基于FPGA的图像预处理单元8和高速摄像机3相连，其作用是将图像采集卡的采集命令通知高速相机以及将高速摄像机拍摄的图像数据传输至图像采集卡。 高速摄像机3与CameraLink转换接口 9相连，其作用是在图像采集卡的触发下采集图像并传输回图像采集卡。根据图4可知，超声发射卡4由PCI桥接电路11、基于DSP的中心测控单元12、基于FPGA的接口电路模块13、4个D/A幅值转换器14、4个12位数模高速转换模块15、4个高频功率放大模块16组成。PCI桥接电路11分别与PXI总线结构的工控机1和基于DSP的中心测控单元12 相连，其作用是实现上位机和基于DSP的中心测控单元12之间的数据通讯，将上位机配置的参数传输到基于DSP的中心测控单元12。基于DSP的中心测控单元12分别与PCI桥接电路11和基于FPGA的接口电路模块相连，其作用是接收上位机配置的参数并解析，得到基本控制命令发送给基于FPGA的接口电路模块13。基于FPGA的接口电路模块13分别与基于DSP的中心测控单元12、D/A幅值转换器14和12位高速D/A转换模块15相连，其作用是根据基于DSP的中心测控单元12发送的命令计算得出数字量的幅值参考电压和波形电压分别输出给D/A幅值转换器14和12位高速D/A转换模块15。D/A幅值转换器14分别与基于FPGA的接口电路模块13和12位高速D/A转换模块15相连，其作用是将基于FPGA的接口电路模块13输出的数字量幅值参考电压转换为模拟幅值参考电压输入到12位高速D/A转换模块15的参考电压输入端。12位高速D/A转换模块15分别与基于FPGA的接口电路模块13、D/A幅值转换模块14和高频功率放大模块16相连，其作用是在D/A幅值转换模块14输入的参考电压作用下，将基于FPGA的接口电路模块13输入的数字量波形电压转换成模拟波形电压并输出至高频功率放大模块16。高频功率放大模块16分别与12位高速D/A转换模块15和超声换能器17相连， 其作用是将12位高速D/A转换模块15输出的小幅值波形电压信号放大成大幅值超声波形电压信号并驱动超声换能器17工作。超声换能器17与高频功率放大模块16相连，其作用是在大幅值波形电压信号驱动下作正弦振动，产生稳定的超声波场，合成稳定的声势阱以实现对微小物体的操纵。
权利要求
1.基于显微视觉伺服的柔性超声辐射力夹，它由PXI总线结构的工控机(1)、图像采集卡(2)、高速摄像机(3)、超声发射卡(4)、高频功率放大模块组(5)、超声换能器组(6)和微流泵(18)组成，其特征在于工控机(1)通过PXI总线插槽分别与图像采集卡(2)、超声发射卡(4)相连，工控机(1)通过串口线与微流泵(18)相连，图像采集卡(2)与高速摄像机(3) 相连，超声发射卡(4)与高频功率放大模块组(5)相连，高频功率放大模块组(5)与超声换能器组(6)相连；微流泵(18)通过微流管使目标声场区域产生稳定流速的流场。
2.根据权利要求1所述的基于显微视觉伺服的柔性超声辐射力夹，其特征在于图像采集卡(2)由基于DSP的中心控制单元(7)、基于FPGA的图像预处理单元(8)、DDR2存储空间(10)以及CameraLink转换接口(9)构成；基于DSP的中心控制单元(7)分别与基于 FPGA的图像预处理单元(8)和DDR2存储空间(10)相连，基于FPGA的图像预处理单元(8) 与CameraLink转换接口(9)相连。
3.根据权利要求1所述的基于显微视觉伺服的柔性超声辐射力夹，其特征在于超声发射卡(4)由PCI桥接电路(11)、基于DSP的中心测控单元(12)、基于FPGA的接口电路模块(13)、四个D/A幅值转换器(14)和四个12位数模高速转换模块(15)构成；PCI桥接电路 (11)与基于DSP的中心测控单元(12 )相连，基于DSP的中心测控单元(12 )与基于FPGA的接口电路模块(13)相连，基于FPGA的接口电路模块(13)分别与四路D/A幅值转换器(14)、 四路12位高速D/A转换模块(15)相连，一路D/A幅值转换器(14)和一路对应的12位高速 D/A转换模块(15)相连，每路12位高速D/A转换模块(15)输出路波形电压至对应的高频功率放大模块(16)。
全文摘要
本发明涉及一种基于显微视觉伺服的柔性超声辐射力夹。本发明由PXI总线结构的工控机、图像采集卡、高速摄像机、超声发射卡、高频功率放大模块组、超声换能器组和微流泵组成。工控机通过PXI总线插槽分别与图像采集卡、超声发射卡相连，工控机通过串口线与微流泵相连，图像采集卡与高速摄像机相连，超声发射卡与高频功率放大模块组相连，高频功率放大模块组与超声换能器组相连；微流泵通过微流管使目标声场区域产生稳定流速的流场。本发明采用基于PXI总线的插卡式结构，易于扩展，数据通讯能力强，有利于对超声辐射力夹刚度的反馈式调节。
文档编号B25J7/00GK102350694SQ20111027954
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年9月20日
发明者孟坚鑫, 杨克己 申请人:浙江大学