基于传热学分析的导管导向机器人驱动控制技术研究

为了保证手术安全性,防止导管导向机器人形状记忆合金(SMA)驱动器产生过热现象,本研究设计了一种导向机器人电阻反馈驱动控制系统。在对SMA驱动器进行了详细的传热学分析的基础上,确定使用脉宽调制(PWM)电源驱动SMA驱动器时的电流计算方法,开发适用于导管导向机器人的电阻反馈驱动控制系统。在血管模型中模拟了介入手术的插管过程,按照预定的模拟手术路线,在电阻反馈控制系统的控制下,成功地完成了导向机器人进入目标血管分支的实验。实验结果表明,整个模拟介入手术准确迅速,导向机器人的应用大大降低了手术的难度。

数控非接触式超光滑光学元件加工机床的设计

基于数控技术,提出了一种非接触式光学元件表面超光滑液体抛光方法。通过磨头中心孔为抛光表面提供抛光液,抛光液在磨头自转的带动下与光学元件表面相互作用,实现光学元件表面材料的微量去除,利用计算机控制抛光磨头的运动轨迹完成对光学元件表面的抛光。根据上述原理,设计和研制了数控非接触表面超光滑光学元件加工机床样机,样机直线运动轴最低进给速度为0.000 1m/s,定位精度为0.008mm;摆动轴最低转速为0.002 8r/min,定位精度为15″。抛光实验结果表明,经过20min的超光滑加工,熔石英材质光学元件上两点的表面粗糙度Ra值分别由加工前的1.03nm和0.92nm提高到加工后的0.48nm和0.44nm,显著提高了加工精度。

多节柔性主动导管的弯曲控制及位置跟踪测量

为了改进目前血管微创介入手术采用手动操作存在效率低下的问题,研制了手术过程中可自动控制末端位置和方向的多节柔性主动导管。为了确定主动导管的控制策略,将单节柔性主动导管作为一种连续体型机器人进行处理,并将柔性主动导管的弯曲运动分解简化为具有关节运动副的刚性机械臂的空间运动,应用D-H法完成了单节柔性主动导管的空间运动学建模。根据多节柔性主动导管的结构特点,在单节柔性主动导管空间运动学建模的基础上,进行了多节柔性主动导管的正运动学建模,确定了控制策略。使用自主研制的多节柔性主动导管样机及5自由度电磁跟踪系统进行了验证实验。

基于改进MC算法的CT/MR图像三维重建

针对MC(Marching Cubes)算法重建后模型表面的不光滑性和模型表面三角面片数量大的缺点,提出了在保证一定精度的前提下减少小面片的处理方式。通过对等值面进行三维空间上的方向平滑来代替等值面上的三维坐标平滑,达到了提高模型表面平滑性的目的。以边删除算法为基础,设计了网格简化算法,实现了模型表面的网格简化。以喉管和心血管两组磁共振(Magnetic Resonance,MR)体数据为例进行三维表面重建的结果表明,平滑后的三维显示效果有了显著改善,显示的结构细节清晰度与真实感明显提高。模型的网格简化90%后,依然能保持原模型的特征和较好的视觉效果,并大大提高了实时交互绘制的能力,明显缩短了交互操作时间。

数控非球面超光滑加工机床空间误差建模

为了快速有效地提高超光滑加工机床的加工精度,为实施误差补偿做好基础和准备工作,进行了超光滑加工机床误差建模技术的研究。根据数控超光滑加工机床的具体结构,运用多体系统运动学理论的基本原理,建立了机床成形系统的拓扑结构和低序体阵列,并推导出机床相邻体的特征矩阵,它是进行机床精度分析与建模的核心。基于多体系统运动学精度分析理论,详细研究了数控超光滑加工机床的理想成形运动函数、理想成形运动约束、实际成形运动函数以及实际成形运动约束,进而得到了刀具成形点的综合空间位置误差,最终完成了超光滑加工机床的综合空间误差建模过程,给出了具体模型表达式。

数控非球面超光滑抛光机床的解析式设计

针对各领域对光学元件表面粗糙度要求越来越高的现状,在现有微射流抛光技术的基础上,进行了数控光学非球面超光滑加工机床的研制工作。为了设计出最合理的机床结构,首先根据非球面光学元件表面形状特点,在建立了工件与刀具关系数学模型的基础上,分别进行了加工母线和加工导线形状的运动解析,进而进行了运动单元综合,然后完成了运动功能方案设计。随后结合原有浮法抛光机床的结构特点,确定了数控超光滑加工机床总体布局方案。最后进行了超光滑加工机床的详细结构设计,并成功研制了数控超光滑加工机床样机。该样机直线运动轴定位精度为0.008 mm,摆动轴定位精度为0.015 mm,直线运动轴最低速度可达0.01m/s,电主轴最低转速可达30rpm,行程、速度和精度均能够满足直径<200mm球面/非球面光学元件表面超光滑加工的要求。

高精度位移传感器线性度标定方法研究

针对光学系统中光学元件的高精度位移调节和检测问题,提出一种非接触电容位移传感器的线性度标定方法,搭建了一个运动轴、测量轴和传感轴三轴共线的标定平台,从测量原理上消除阿贝误差。介绍了标定平台的组成和标定方法的原理,采用对称平行四边形机构实现微位移调节,基于柔度矩阵法分析了调节机构的输出柔度和行程。试验结果表明,机构的柔度为13.585μm/N,运动行程为543.4μm,分辨率约为10 nm。经过标定补偿计算,传感器的线性度由0.047 14%提高至0.004 84%。该线性度标定方法精度高,标定后的传感器满足精密位移调节机构使用要求。

基于形状记忆合金的自主导管导向机器人设计

为提高血管介入手术的成功率和安全性,研制一种用于控制自主导管的由多个形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)驱动器驱动的多节蛇形结构导向机器人。针对SMA驱动的导向机器人结构和原理,提出偏置弹簧尺寸参数的估算方法,使用大挠度理论对导向机器人进行运动学分析,通过积分变换推导出SMA驱动器在已知导向机器人弯曲角度和方向下的输出力和位移,给出精确的导向机器人前端中心位置坐标。在此基础上,进一步推导SMA驱动器的尺寸参数设计计算公式,提出一套系统的导向机器人设计理论方法。利用提出设计方法研制导管导向机器人样机,并在血管模型中成功地进行模拟介入手术试验。研究成果为导向机器人的设计和分析提供了数学模型,完善了导管导向机器人的设计方法和理论。

碳纳米管改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究

评价了用不同含量碳纳米管(CNTs)改性聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的力学性能,利用MM-200型摩擦磨损试验机研究了CNTs含量对PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响,借助于扫描电子显微镜观察分析了试样磨损表面及磨屑形貌,并探讨其磨损机理.结果表明:CNTs能够提高PTFE复合材料的硬度和冲击强度,在本文研究范围内,当CNTs的质量分数为7%时,PTFE复合材料的力学性能最佳;CNTs能够增加PTFE复合材料的摩擦系数、降低其磨损量,当其质量分数为10%时,PTFE复合材料的耐磨损性能最佳.纤维状碳纳米管可以阻止PTFE带状结构的大面积破坏,以及在摩擦过程中于偶件表面能够形成转移膜并隔离复合材料与偶件的直接接触是其减摩耐磨作用的主要原因.

电容传感器线性度标定平台

设计了一种电容位移传感器在线标定平台,用于位移的高精度调节和检测。该平台的运动对称中心轴、测量光路的对称中心轴和传感器的传感轴共轴,故从测量原理上减小了阿贝误差。标定平台具有z/tip/tilt调节功能,保证了传感器的传感面和被测面板的被测面之间的装调对准。介绍了标定平台的组成和标定方法的原理,采用对称平行四边形机构实现了微位移调节,基于柔度矩阵法(CMM)分析了导向机构的输出柔度和行程。试验测得动平台行程为735.162μm,和有限元法(FEM)、CMM计算结果的误差分别为7.410%和4.633%,满足行程误差要求。经过标定补偿后,传感器的线性度由0.014 21%提高至0.006 231%。实验结果显示,该线性度标定方法精度高,标定后的传感器满足位移精密调节机构使用要求。

光学元件双转子抛光技术中类高斯型去除函数建模与逼近

在Preston假设基础上,研究并推导了光学元件抛光过程中"花瓣"型截面磨头在双转子运动形式下的去除函数.提出了"花瓣"型截面磨头的离散点弧长表达方法,并讨论了该方法的适用范围;基于离散点弧长法,推导了"花瓣"型截面磨头在双转子运动形式下的去除函数表达式;根据可调步长式曲线逼近原理研究了类高斯型目标去除函数的逼近算法;并得到了类余弦型去除函数的双转子抛光模参量.从而证明了双转子抛光技术可以得到类高斯型去除函数.

面向电容式传感器线性度标定的柔性微动机构设计

针对光学精密工程中位移检测问题,研制了一种电容式位移传感器线性度标定装置。阐明了标定装置的组成和标定方法的原理,该装置采用运动轴、测量轴和传感轴三轴共线的设计方案,从测量原理上降低了阿贝误差。基于伪刚体模型和拉格朗日方程建立了机构位移、刚度、强度和固有频率的理论模型,为机构优化设计提供理论依据。计算和仿真结果表明理论模型和有限元分析误差分别为3.764%、3.908%、14.842%和2.666%。试验结果表明行程测试值与理论值、有限元计算值的误差分别为9.254%和13.524%,刚度测试值与理论值、有限元计算值的误差分别为8.472%和11.914%。标定后传感器测试线性度由0.057 48%提高至0.004 39%,测试精度改善明显,能够满足光学精密位移测试需求。表明所搭建的标定装置有效,且建立的机构理论模型和分析方法可信。

光刻物镜偏心调节机构抑制耦合误差设计

为了找出耦合误差产生的根源,探讨了柔性偏心机构设计方法.首先,给出了机构组成和工作原理;然后,基于柔度矩阵法对机构建模,分别推导了桥式位移放大机构、导向机构、连接机构的柔度;最后,综合得到机构的整体柔度.分析结果表明柔度矩阵法得到的输出柔度理论值和有限元法得到的结果误差为8.126%,机构的一阶固有频率为73.78Hz.在40N的驱动力范围内,机构可以实现66.466μm的行程,透镜和机构上的最大应力分别为0.0711 MPa和235.22 MPa,Y/Z/RX/RY/RZ耦合误差和X向行程的比分别为0.0543%、0.0082%、1.218×10-8rad/μm、1.870×10-7rad/μm、6.073×10-7rad/μm.调节后镜片面形PV值优于24nm,RMS值优于5nm,并且主要为像散.通过合理的柔度设计,机构接近完全解耦,揭示了不合理的机构刚度是产生调节耦合误差的根源.

基于大挠度理论的微创介入手术主动导管研究

提出了一种形状记忆合金驱动的用于微创介入手术的主动导管,外径为1.25 mm。为了获得预期的弯曲角度而不过多的增加外径,主动导管采用多个弯曲单元串联的结构。考虑到形状记忆合金驱动器的输出力决定了导管轴线的挠度曲线的具体形式,在大挠度理论的基础上,利用曲率的精确表达形式建立了挠度曲线的微分方程,通过积分变换推导得出导管前端在预期姿态下各个形状记忆合金驱动器的输出力和长度,给出了精确的关节中心位置坐标,并将导管轴线的挠度曲线方程表达成便于计算的形式。本文为主动导管在人体血管中的准确定位提供了有利参考,并在一定程度上完善了该类问题的设计理论。

胶粘剂对光机结构动力学特性的影响

胶粘剂广泛应用于光机结构中,其对光机结构的动力学特性有不可忽视的影响。本文采用有限元建模的方法对含胶粘剂的透镜镜组进行动力学特性分析。建立忽略胶层、节点耦合以及"粘合单元"连接胶合面三种有限元模型,并分别对两种胶粘剂粘接的透镜镜组进行模态分析。为了验证三种建模方法的有效性,对不同透镜镜组进行模态测试,获取一阶模态频率与振型。仿真计算与测试结果对比表明:忽略胶层影响的模型计算结果存在较大误差,节点耦合以及"粘合单元"连接胶合面所建立的模型的一阶模态频率与实验测试误差小于5%,振型也与测试结果一致。这表明节点耦合以及"粘合单元"连接胶合面两种有限元模型是有效的。进一步分析胶粘剂材料属性对透镜模态频率的影响,胶粘剂的杨氏模量对模态频率影响明显,泊松比与密度影响较小,对光机结构中胶粘剂的选用具有参考意义。

光学加工中真空夹具设计及分析

为了在光学加工中快速、可靠地装夹光学元件,设计了真空夹具,对该真空夹具引起光学元件变形量进行了分析。首先,根据光学加工对夹具的要求,应用手动静压快速夹头以及传统真空吸盘结构,设计了真空夹具;接着,对真空夹具引起光学元件变形量进行了仿真分析,并根据分析结果改进了真空夹具结构;最后,针对改进后的真空夹具进行了仿真验证。仿真结果表明:有防护层的真空夹具引起光学元件表面最大变形量在0.1μm～0.32μm之间,是没有防护层的真空夹具引起光学元件表面最大变形量的1/14。该种真空夹具可以应用于高精度光学加工中。

微创介入手术主动导管的矩阵式驱动系统的设计

根据徽创介入手术主动导管尺寸微小、空间有限不能容纳过多导线的结构特点,提出了一种矩阵式驱动控制系统,使用最少的导线完成对多个SMA驱动器的控制。利用单片机输出的脉宽调制(PWM)信号对脉冲电流进行调节和多个驱动器之间的相互配合作用,实现主动导管的导向动作。

光学元件狭缝柔性调节机构的设计与分析

设计了一种狭缝柔性结构的光学元件调节机构,使光学元件在具备较高调节精度的同时,保持较高的导向精度。采用弹性力学应力函数法分析了狭缝柔性结构的刚度,以径向刚度与轴向刚度的比值为目标函数,对狭缝柔性结构尺寸参数进行了优化,在不超过柔性结构材料屈服应力等约束条件下,刚度比最优值达到1 573.6,较大的刚度比值可以减小调节机构的耦合位移,从而提高机构的导向精度。该结构加工装配方便,可实现三自由度(θx-θy-Z)调节。对优化后的柔性结构进行仿真分析,结果表明:径向刚度与轴向刚度比值的仿真值为1 660.4,解析值与仿真值误差为5.23%,证明了刚度分析方法的有效性。优化后的结构,轴向调节行程为2.09 mm,绕x轴偏转角度调节行程为±16.6 mrad,绕y轴偏转角度调节行程可达到±14.4 mrad,满足光学元件调节的大行程要求。

光学元件表面疵病检测仪的精度建模及预测

为了对疵病检测仪的精度进行预测并对设计方案的合理性进行验证,基于多体系统理论对疵病检测仪机械运动机构进行了精度建模。用低序体阵列和拓扑结构描述了疵病检测仪的结构特点,提出了疵病检测仪的精度模型,针对光学系统的要求进行了误差分离。基于该精度模型,以典型光学元件为例提出了误差补偿的计算流程,对疵病检测仪的精度进行预测。预测结果表明,光学探头的成像点与待测点沿光学探头光轴方向误差最大值为3.0μm,满足光学探头景深20μm的检测要求,同时光学探头成像点与光学元件待测点垂直于光轴方向误差及光学探头光轴与光学元件待测点处表面法向的夹角均在设计指标内。

193nm投影光刻物镜光机系统关键技术研究进展

结合双/多曝光的193nm投影光刻是未来5~10年大规模集成电路工业化生产的主要方法.投影物镜作为光刻机的核心分系统,其光机系统关键技术的研究进展直接影响物镜整体性能的提升.本文分析了当前集成电路装备制造业对193nm投影物镜的需求,阐述了曝光系统设计、光学元件被动支撑、位姿调节、主动变形、元件更换和系统数值孔径调节等物镜光机系统关键技术研究现状,提炼了阻碍物镜未来发展的关键科学技术问题.目前,193nm光刻物镜尚需进一步阐明高阶热像差的产生机理和校正策略,解决多自由度位姿标定问题,形成完备的物镜研制方法,指导高成像质量物镜的制造.