2. 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室, 辽宁 沈阳 110016
2. State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China
1 引言
近些年来，随着工业水平的提高和高新技术的飞速发展，设备的精密程度越来越受到重视.精密设备朝着智能微小化方向发展成为了一种趋势，这些微小的设备在民用、 军用及各种研究领域都产生了很大的影响.微小夹持器作为实现这些微小设备装配的关键工具，直接影响到装配的精度和效率，进而影响到产品的质量和生产效率.因此，面向微小尺度零件操作的微小夹持器具有重要的研究意义.从1989年Kim等研制出以静电驱动的微小夹持器以来，对以微小夹持器为代表微操作工具方面的研究就受到国内外的广泛关注[1-6].驱动部分是微小夹持器的重要组成部分，用以控制夹持器的开闭动作[7].各种基于不同驱动模式的微小夹持器被研制出来，例如，静电驱动微夹持器[8-10]、 压电驱动微夹持器[11-18]、 电磁驱动微夹持器[19-20]等.传统的主流微小夹持器主要是以电或磁作为驱动能量源，其驱动部分与夹持器执行末端运动往往由于不能够很好地匹配，一般都需要较复杂的传动机构将运动传递到执行器末端，从而增加了夹持器设计与制造的复杂性.
基于镧改性锆钛酸铅(PLZT)的陶瓷类光致变形材料[21]及基于偶氮苯基团的新型柔性变形材料[22]的发明，为解决这一问题提供了新的契机，利用PLZT材料，黄等研制出了柔性铰链放大结构辅助下的光驱动微夹钳[23]； 另外，利用基于偶氮苯基团的新型柔性变形材料，无需放大机构的辅助，可直接进行微小夹持器的制作[24]且其设计结构及制作工艺均简单易行.但是，即使设备获得了微小夹持器，对于整个夹持器系统而言，如何实现夹持器的驱动与控制是另一个关键的技术，微小光致夹持器必须依靠光源系统来对其进行驱动与控制.为此，本文构建了一套基于PC机的光源驱动与监控系统，来实现对微小光致夹持器的灵活驱动与控制，从而可以有效地对微小物体进行夹持操作.该套光源驱动与监控系统借助PC机，在光学显微镜的辅助下，通过VC++平台控制STM32微控芯片下位机，输出可控的PWM信号来控制光路驱动电路，从而改变光源光照时间及光照强度，最终实现微小光致夹持器的驱动与控制.
2 系统分析 2.1 微小光致夹持器的夹持原理微小光致夹持器的夹持原理是基于光致变形材料中偶氮苯基团的双向可控性： 在一定频段的紫外光照射下，其分子发生异构，从而使得材料整体发生弯曲形变； 在可见光的照射下，其分子异构恢复，从而使材料整体恢复到原来状态，从而实现闭合与打开的夹持动作，如图 1所示.
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| 图 1 反式/顺式异构偶氮苯的相互转变 Figure 1 Transformation of trans/cis isomeric azobenzene |
针对利用光致变形材料制作的微小光致夹持器在紫外光照条件下夹持器可动端会发生弯曲变形，而在可见光照射下形变恢复原理，而实际应用中缺少可以驱动此微小夹持器的智能光源驱动系统，为此，本文设计了用于光控微小夹持器驱动与控制的智能光路控制系统，为微小光致夹持器提供了智能驱动光源，以便驱动微小光致夹持器动作.控制光路系统结构如图 2所示.系统主要由人机交互界面、 PWM控制信号输入的LED驱动模块、 光源模块组成.本系统以VC++平台开发人机交互界面，在界面中输入时间及光强参数，并由PC机发送到以STM32为控制芯片的下位机进行处理，将控制信号输入到LED驱动中，以数字信号的变化控制LED两端的模拟电压变化，使PC机直接控制光照强度及光照时间，从而达到可由PC机操作光致夹持器实现夹持动作的目的.
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| 图 2 PC控制光路系统结构图 Figure 2 The structure of PC controlled light source system |
上位机通讯采用VC++2010平台开发用于光路控制的人机交互界面，应用MSComm通信控件建立串口连接.可在界面中对串口参数进行设置，并在发送窗口内输入光照时间及光照强度数据，按下对应光路按钮发送数据.用于光路控制的人机交互界面如图 3所示.
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| 图 3 用于光路控制的人机交互界面 Figure 3 Human-computer interaction interface for light source control |
针对光致微小夹持器的开合原理，本系统选用STM32通用定时器TIM3输出PWM控制信号，来控制微小夹持器的驱动光源.由PC机通过人机交互界面设定光强及时间参数，通过串口发送数据控制TIM3各通道的PWM占空比，来线性地改变各光源两端的输入电压电流值，从而改变光照强度及照射时间.设定PC发送光强的参数范围为0~100，其对应光照强度变化为0~100%.
下位机控制流程如图 4所示： 上位机发出数据后，下位机进入串口中断程序开始接收数据，并判断串口数据是否接收完毕； 当串口完成接收数据时先判断数据第一位，确定PWM输出的通道号，再判断数据的第二位，确定信号的输出形式.
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| 图 4 下位机控制流程 Figure 4 Flowchart of the lower computer control program |
针对微小光致夹持器的材料特性，本文使用光源为可见LED及波长为365 nm的紫外LED光源.针对两种不同光源的LED，可选用同一种驱动芯片，来设计DC-DC恒压驱动电路，如图 5所示.该驱动电路的特点为： 其不仅具有过压保护功能，而且其输入电压均为24 V，输出电压可由反馈端滑动电阻R6改变，即VOUT=0.8×(1+R6/R5)，
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| 图 5 紫外光LED与可见光LED的驱动电路 Figure 5 Drive circuit of UV-LED and visible light LED |
可根据紫外灯及可见光灯两端的额定电压调整滑动电阻R6，来满足紫外光源及可见光源的驱动需求.
4 系统与实验为了验证控制光路系统的有效性，在显微视觉信息的辅助下，进行了夹持器开合驱动实验.
4.1 系统构成实验系统主要由人机交互界面、 STM32控制器、 LED驱动模块、 光源模块、 显微镜及CCD相机等组成，如图 6所示.
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| 图 6 实验系统(1.人机交互操作界面； 2.PC机； 3.USB转换接口；4.STM32控制器； 5.LED驱动； 6.直流电源； 7.紫外灯和白光灯； 8.光致微小夹持器； 9.光学显微镜； 10.CCD相机) Figure 6 Experimental system (1.Human-machine interaction interface； 2.PC； 3.USB interface converter； 4.STM32 controller； 5.LED driver； 6.DC power； 7.UV-LED and visible light-LED； 8.Light induced micro-gripper； 9.light microscope； 10.CCD camera) |
微小光致夹持器由可动端及固定端构成，可动端由光致变形材料组成，根据光致变形材料的原理，微小光致夹持器在紫外光的照射下可动端发生弯曲，使夹持器打开，在可见光的照射下，可动端由弯曲恢复到原来的形状，使夹持器闭合.为了给微小光致夹持器提供驱动光源，整个实验系统中，在人机交互界面上输入光强及时间数据，由PC机通过串行接口将数据发送到STM32控制器进行处理，并将控制信号输入到LED驱动中，控制紫外光和可见光的强度，在显微镜视觉信息的辅助下，实现夹持器的开合驱动与控制.光学显微镜和CCD相机主要用于辅助操作者对微小光致夹持器进行成像观测与监控.
4.2 紫外光功率测试针对上述光源控制系统，采用Thorlabs光束质量分析仪BP100对其产生的紫外光功率进行了测量(此处，在采集光功率数据时，紫外光照射头与光束质量分析仪之间间隔设定为18 mm).实验时，光功率百分比输入值从0开始，依次增加10%，直到100%，在每个测试点采集15个值做平均以减少测试误差.共测得11组数据，再进行曲线拟合，得到拟合后的曲线，即光强输入百分比与光功率曲线图，如图 7所示.
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| 图 7 光功率与光强输入百分比的拟合曲线 Figure 7 Fitting line of light power vs.light intensity percentage |
从图 7中可以看出，拟合后的曲线基本为线性，这样控制系统可以很好地实现对光的强度控制.
4.3 夹持实验借助上述光路控制系统，控制光源对微小光致夹持器的照射光强和照射时间，则可实现由PC机对光致微小夹持器夹持动作的驱动与控制，图 8为夹持器打开与闭合夹持动作的实验过程图.
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| 图 8 夹持器的张开与闭合过程(其中A、 B、 C为可见光照射时夹持器逐步闭合，D、 E、 F为紫外光照射时夹持器逐步打开) Figure 8 The gripper open and close process (A，B，C shows the gripper gradually closing under white light； D，E，F shows the gripper gradually opening under UV light) |
从图 8中可以看出，控制紫外光照射时，夹持器逐步打开，实现夹持器的打开功能； 当控制白光照射时，夹持器逐步闭合，实现夹持器的闭合夹持功能，从而很好地实现了微小夹持器的打开与闭合这一最关键的夹持功能，验证了本系统进行微小光致夹持器驱动与控制的有效性.
为了更进一步验证系统对微小光致夹持器操作的有效性，本文应用夹持器在水中对鱼卵进行了夹持实验.
图 9中A、 B、 C是当夹持器受到可见光照射时对鱼卵进行夹持的过程，其中A、 B是微小夹持器逐渐闭合的过程，C是夹持器夹取鱼卵向上运动离开容器底部后所采集的图像； D、 E、 F是夹持器受到紫外光照射时逐渐释放鱼卵的过程.从图中可以明显看到，当紫外光对夹持器作用时，夹持器逐渐松开，脱离鱼卵.本实验更进一步证明，本文的光源驱动与监控系统可以很好地监测与控制夹持器的张开与闭合，并且能够有效地进行微小物体的夹持.
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| 图 9 夹持器夹持与释放鱼卵过程(其中A、 B、 C为可见光照射时夹持器逐渐夹紧鱼卵，D、 E、 F为紫外光照射时夹持器释放鱼卵) Figure 9 The process of the gripper clamping and releasing the fish egg (A，B，C shows the gripper gradually clamping the eggs under white light； D，E，F shows the gripper gradually releasing the eggs under UV light) |
为了解决微小光致夹持器缺乏可控光源驱动与监控系统的问题，本文研制了基于PC机控制的光源驱动与监控系统.在显微镜的辅助下，采用VC++开发了应用程序，通过串口实现上位机与STM32控制器的通信，使得实验人员可以通过上位机灵活地调整控制参数来控制PWM的输出信号，从而控制各路光源的照射时间及光照强度，实现对微小光致夹持器的驱动与控制.在系统构建之后，进行了光功率测试实验、 夹持器开合实验及夹持器夹持鱼卵实验，证明了本文所研制的光源驱动与监控系统可以很好地实现微小光致夹持器的开合及夹持功能.另外，本文作者正持续对整个微小夹持器操作系统进行深入研究，将以本文研制的光源驱动与监控系统为核心，配置精密的三维运动平台，来最终实现对微小零件的装配、 微小粒子的三维夹持操作及转移等功能.
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