[发明专利]基于微视觉反馈的微构件声操纵二维平移方法

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统领域与计算机微视觉领域的有机结合，即利用计算机微视觉反馈系统控制超声操纵微构件，实现微构件的二维平移运动。

背景技术

随着微纳技术的迅速发展，微机电系统（MEMS）作为其中的一个高科技领域，一直以来都受到各国政府和广大学者的普遍重视。经过近三十年的发展历程，特别是随着微机电系统从原先注重单元零部件的生产向混合复杂系统的集成方向高速发展，微操纵和微装配技术作为微机电系统领域基础研究、技术实施、系统设计开发以及产品集成装配的一种关键和共性技术手段，已日益体现出其重要性和急迫性。

目前，针对人工或半自动的微操纵方式，国内外学者已经研究出许多基于不同机理的操纵方法，并朝着实时化方向发展。但是，面对操纵对象尺寸的微型化、操纵精度的超高精密要求、力学特性的远未明确表征以及仅凭肉眼难以对操纵过程有效监控等方面所带来的诸多挑战，人工或半自动的微操纵方法已经表现出明显的局限性，成为制约微机电系统进一步发展的瓶颈。因此，探索基于新理论、新机理的自动化微操纵技术，已成为目前微机电系统这个新兴技术领域内一个最基础的、关键的热点研究课题。

超声波能够以声辐射力（acoustic radiation force）的形式表现出较好的力学特性，在生物领域（生物细胞的俘获、分拣以及声悬浮）已经证实具有较好的非接触操纵潜力，并且超声波具有穿透能力强等优点，作为产生超声波的压电陶瓷还易于微型化。因此，发展一种基于超声辐射力的自动化声操纵技术，应用于微机电系统的自动化装配中，必将有其自身的技术优势以及发展前景。

发明内容  

本发明的目的在于克服人眼或接触式测量技术以及开环控制技术的局限，通过非接触式的测量反馈技术控制微构件的声操纵二维平移，实现自动化的声操纵技术并同时提高声操纵的稳定性以及平移精度。

为了实现这一目的，本发明提出一种基于微视觉反馈的微构件声操纵二维平移方法，它是在超声微操纵的基础上，结合计算机微视觉反馈系统的优势，以微视觉系统作为测量和监控的手段，实现微视觉伺服控制。具体方法如下：

步骤1，由于采用的是配有物方远心显微镜头的高速采集相机，需要对其进行标定，求取标定参数，从而根据标定参数获得微构件图像像素位移尺寸（以像素pixel为单位）与实际位移尺寸（以微米um为单位）之间的对应比例关系。

步骤2，利用微视觉图像采集子系统抓取微构件的运动图像。

步骤3，采用图像处理算法提取图像特征，获得微构件在图像中的像素位置信息。

步骤4，根据步骤1得到的标定参数，将微构件在图像中的像素位置信息转换为实际的位置信息。

步骤5，将当前的微构件坐标点与指定的目标坐标点进行比较，判断是否到达指定目标点位置，若到达指定目标点位置，则退出伺服控制。若未到达指定目标点位置，则进入步骤6。

步骤6，根据微构件当前坐标点相对于目标坐标点的位移偏差和方向角度通过离散PID算法及时调整声操纵参数，控制超声辐射力，使微构件向指定目标点的位置运动。

步骤7，重复步骤2,3,4,5,6，直到微构件到达指定目标点位置。

本发明具有的有益效果是：

现有技术都是开环控制声操纵参数，即通过人眼对操纵过程进行监控的半自动操纵方式。本发明提出的方法能够有效的克服这一技术局限，实现闭环伺服控制的自动化声操纵，并同时能够提高声操纵的稳定性以及平移精度。经过实验，在操纵范围大于2000um的情况下，操纵精度能够达到±2um，并且具有较好的稳定性。

附图说明

图1是整个基于微视觉反馈的微构件声操纵二维平移系统结构示意图。

图2是基于微视觉反馈的伺服控制流程图。

图3是基于微视觉反馈的伺服控制方块图。

图4是运用图像处理算法提取微构件在图像中二维位置信息的流程图。

图5是运用离散PID算法调整声操纵参数的流程图。

具体实施方式

如图1所示，整个基于微视觉反馈的微构件声操纵二维平移系统由微视觉图像采集子系统和超声微操纵子系统两大部分组成，并通过计算机系统将其整合在一起。