【摘 要】
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碳纳米管由于其良好的导电性和力学性能,被认为是最有可能成功代替硅的半导体材料之一。碳纳米管的特征尺度在纳米级别,需要通过纳操作机器人来实现对其的搬运操作。在碳纳米管的搬运过程中由于受扫描电镜复杂电磁场环境影响,如果只用单纳操作机器人去固定碳纳米管的一端来搬运碳纳米管,碳纳米管可能因为充电而产生变形,因此需要通过双纳操作机器人固定碳纳米管的姿态来协同搬运碳纳米管。由于纳操作机器人本身运动状态不明确,
【基金项目】
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国家重点研发计划“智能机器人专项”“微纳操作机器人关键技术与系统”项目,课题“纳操作机器人跨尺度驱动机理与运动控制”,项目编号:2018YFB13049；
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碳纳米管由于其良好的导电性和力学性能,被认为是最有可能成功代替硅的半导体材料之一。碳纳米管的特征尺度在纳米级别,需要通过纳操作机器人来实现对其的搬运操作。在碳纳米管的搬运过程中由于受扫描电镜复杂电磁场环境影响,如果只用单纳操作机器人去固定碳纳米管的一端来搬运碳纳米管,碳纳米管可能因为充电而产生变形,因此需要通过双纳操作机器人固定碳纳米管的姿态来协同搬运碳纳米管。由于纳操作机器人本身运动状态不明确,末端执行器与碳纳米管之间的接触力无法被测量,目前该任务主要是人工操作来完成,这种方式对操作人员的技术和经验依赖性较高,而且重复性和稳定性较差。因此,双纳操作机器人自动协同搬运碳纳米管是自动化和复杂纳米操作的重要挑战之一。本文针对SEM内双纳操作机器人协同操作搬运碳纳米管的问题进行研究。对纳操作机器人进行运动学分析,基于拉格朗日法建立了结合Bouc-Wen模型的拉格朗日动力学模型。分析搬运过程中双纳操作机器人的运动约束条件,结合动力学模型建立模型预测控制器实现主从手的轨迹跟踪控制。采用三次样条函数规划主手轨迹,采用卡尔曼滤波器实时预测主手运动并规划从手轨迹。通过扫描电镜图像识别搬运过程中碳纳米管姿态变化情况,以姿态变化作为评价标准,基于以上方法实现自动化合作搬运碳纳米管任务。本文研究的内容可以具体分为几下四部分:（1）纳操作机器人动力学研究对纳操作机器人进行运动学分析,分析了双纳操作机器人封闭运动学约束条件。根据纳操作机器人宏观结构和微观移动特性建立了结合Bouc-Wen模型的拉格朗日动力学模型,根据动力学模型推导纳操作机器人在搬运过程中末端执行器的输出力。搭建了模型辨识平台,利用线性最小二乘法和粒子群算法等方法进行动力学参数辨识并进行了模型校核,确保模型误差在150nm范围内。通过动力学研究了解搬运过程中纳操作机器人的运动状态以及对碳纳米管的输出力。（2）主从手轨迹跟踪控制方法研究根据动力学模型和纳观下碳纳米管与探针接触模型分析搬运过程中碳纳米管的受力情况以及双纳操作机器人的运动约束条件。结合约束条件基于模型预测控制的方法分别设计了主从手控制器,以双手合作搬运内力最小为原则,实现主从手轨迹的跟踪控制。开展了模型预测控制仿真实验,通过对跟踪误差、误差变化分析确定控制器能够满足高准确度、高平稳性的控制要求。通过模型预测控制器,解决双机器人协同搬运在有约束条件下的主从手的跟踪控制问题。（3）双手合作轨迹规划方法研究针对主纳操作机器人运动规划问题,在关节空间内采用三次样条函数进行轨迹插值来规划主手轨迹。针对从纳操作机器人运动规划问题,通过卡尔曼滤波器对运动过程中主手运动进行预测,并根据预测轨迹实时规划从手轨迹。开展实验验证双手合作规划的效果,证明了主手规划器生成轨迹关节加速度满足最大加速度限制且不存在突变,副手轨迹规划器能够有效预测主手轨迹,主从手执行规划轨迹误差在400nm以内,能够满足双手协同搬运的要求。合作轨迹规划方法解决了因扫描电镜图像帧数限制放大的从手轨迹相对主手滞后的问题。（4）双手协同搬运碳纳米管实验研究开发了通过图像处理识别碳纳米管二维姿态的方法,将搬运过程中碳纳米管的姿态变化情况作为评价指标建立双手搬运实验的评价体系。开展了 SEM内双纳操作机器人协同操作搬运碳纳米管的实验,并分析了实验过程中的双纳操作机器人的位置误差。完成了自动化双手协同搬运任务,与手动操作比较花费时间更短且碳纳米管的姿态变化幅度更小,为后续实现多纳操作机器人自动化组装奠定了基础。
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