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基于视觉反馈的自动化多探针微装配
摘要：本文描述了基于视觉引导的多探针微装配系统的的算法发展和实验结果。问题的关键是用平面微制造零件来构建3-D结构。通过视觉反馈，协调多个探针来操作零件，从而代替使用夹具。这种新颖的基于探针的方法提供了稳定的抓握和灵巧的操作。零件重量较轻、运动较慢，这意味着仅需要运动学控制。然而，需要协调探针的运动来确保可靠的和可重复的抓取和操作。使用具有多个摄像头的机器视觉来引导运动。利用视觉感知探针的弯曲程度来控制抓取力的大小，而不使用接触力传感器。通过将预操作序列和视觉操作相组合，用实验台验证了在可重复的空间进行操作和插入亚毫米零件的可行性。该实验台包括两个驱动探针，无源探针，驱动模具台和两个用于视觉反馈的相机。
关键词：计算机视觉；灵巧操作；力和触觉传感；抓取；微/纳米机器人；
Ⅰ 介绍
微装配的研究起源于通信行业中光电子的封装需求（放置，对准和异质部件的接合）。该领域已经从各种基本操作扩大到构造复杂的微型结构。微装配有潜力去克服单片体微机电系统（MEMS）器件的一些固有限制。标准的微机械加工工艺在平面器件上工作良好，但是难以装配复杂的空间机械结构。将机械零件分层的能力受到光刻方法的限制，也受使用不同类型材料制造的困难的限制。晶片材料在MEMS制造过程开始时是均匀的，并且不同的材料只能在同一晶片衬底上的层中沉积。微装配可以通过装配不同的微加工工艺制造的零件，来克服这些限制，否则这些零件是不兼容的。
微装配技术可分为两大类：在较大的晶片上装配分立元件，例如将光电子元件装到到微芯片上；或者微型结构的组装，例如由分立部件的组成的微型机器人或多部件光学器件。它们设计的要求是完全不同的，离散的安装任务，往往更注重速度，而不是精度，也不要求三维方向上的灵敏度；而多部件机器人或结构则需要非常严格的公差和非常高的空间灵敏度，速度则是次要要求。
以前微装配的工作主要集中在微型夹具的使用。夹具可以基于双晶金属，压电陶瓷，或者是硅器件本身。微夹持器的使用之所以有吸引力，是因为可以应用传统的宏观尺度的机器人的任务和路径规划技术。然而，在微观中占主导地位的是静电力，范德华力和表面张力。结果就是，即使在松开之后，零件也可能粘附到夹具上，然后需要额外的机构或操作来解决这个问题（例如三爪微型夹具）。这些夹具也可能很脆而且容易损坏。为了避免这些问题，零件可以具有专用的抓握点，或者具有内置的“按扣”连接器。通常需要使用多自由度宏观机器人机构，进行微夹具的灵巧控制。但是这增加了复杂性、尺寸，并且是微装配系统的潜在干扰源。
我们的研究来源于以下的疑问：双探针可以比传统的双尖牙微夹具更高效率吗？本文提供了部分答案-多探针显微操作方法至少是一个可行的替代方案，特别是对于尺寸和形状多变的零件。本文解决的问题是简单地重新定向一个亚毫米平面零件，并将其垂直插入插槽。零件需要抓取，旋转出平面，对准和插入几个步骤。图1展示了抓取之前和插入之后的照片。这个简单的任务成为了装配多个零件的复杂空间结构的一部分。实验结果表明，借助于使用多个摄像机的视觉反馈，可以实现复杂装配任务所需的稳定的运动。
一些不使用微型夹持器的微装配技术，例如声音悬浮，超声波振动与静电致动结合，筷子状微夹持器，镊子，基于推动的平面机械手以及探针/指状机械手。我们的方法与基于探针/手指的方法相同，但是使用多摄像机视觉反馈的自主空间操作能力，代表了复杂微机械自动装配的重要进展。
Ⅱ 总体方法
本文着重于空间微装配的一个关键任务：对长度小于1mm的零件进行操作。操作指的是更通用的单件装配过程的一部分。我们将任务分解为六个部分：1）系统校准，2）零件定心，3）零件抓取，4）零件旋转，5）零件插入，以及6）零件释放。当前系统将预操作序列和闭环操作相结合来完成这些操作。这些计划是通过远程操作完成的实验手动创建的，并且由直线或简单的几何运动组成。视觉反馈和零件操作用于纠正这一规模固有的不确定性。
系统校准：
由于多个摄像机和探针用于反馈，因此系统中的参数需要进行几个校准过程。它们包括每个摄像机的固有参数（例如，焦距），相机的外在参数（相对于某个参考系的位置和取向），模具台的运动以及探针台的运动。直线的参考网格图案沉积在模具上。这些线的斜率和交点用作相机和模具校准的特征。探针为完美的锥体模型。使用直线边缘和锥体的尖端作为特征，来估计探针相对于照相机的姿态。所有校准在几个固定的摄像机变焦级别进行，视觉操作在这些特定的变焦级别进行。
零件定心：
本研究使用的零件是晶圆上25mu;m硅绝缘体层的一部分。它们使用深反应离子蚀刻工艺制造。然后，氢氟酸（HF）湿蚀刻工艺使氧化层下垂并释放零件。 每个零件通过小支撑系绳连接到晶片。操作员打破系绳释放零件，将其放置在模具上的开放区域。首先使用顶部摄像机在较低的变焦范围（较大的视野）来定位零件。然后移动模具台将零件放置在摄像机视图的中央并与摄像机坐标对齐。对准过程在更高的变焦范围下进行，以确保所需的更高精度（0.1◦和10mu;m之内）。
零件抓取：
这项研究的关键步骤是双探针协调来抓取零件。顶部相机提供xy位置反馈，前置相机提供探头相对于零件的z位置反馈。通过按压平行边缘上的相对侧，来抓取零件。接触力根据探针的弯曲度来测量，用于引导探针运动。目标是牢牢地抓取和提升零件，同时允许零件（围绕探针触点之间的线）与垂直方向进行旋转。
零件旋转：
通过将零件压靠在固定探针上形成围绕探针触点之间的线，零件围绕此线旋转到垂直方向。通过与固定探针的接触，零件方向被完全限定（三点把握）。固定探针安装在线性平台上，以便根据需要将其移入和移出工作空间。需要选择一个力控制的设定点，以便在操作期间牢牢抓住，但允许沿着接触件之间的线的相对旋转。由于探测位置是已知的，所以使用计划的轨迹序列执行旋转，而不需要视觉反馈。零件被旋转稍微超过垂直线，以便更容易用顶部摄像机检测。在最终插入期间，方向校正为垂直。
零件插入：
在零件件旋转之后，使用高变焦级别的顶部摄像机向探针提供视觉反馈，以将零件放置在插槽上方，使零件的底部边缘与插槽对齐。然后使用预先计划的运动序列将零件插入到槽中。
零件释放：
通过将探针从相反的方向快速拉出零件来释放零件。由于零件受到狭槽的限制，探针运动会破坏接触处的粘附力。因此，在其他方法中不需要用于零件释放的卡扣。
Ⅲ 双探针协调抓取
使用两个探针抓取，操作和旋转零件是装配过程中最具挑战性的部分。它类似于使用两个手指操作轻且脆弱的零件。手指需要协调以使挤压力足够大来避免零件掉落，但是不能太大以致零件弯曲，从而造成其破裂、掉落或从工作空间中弹出。挤压力的大小需要仔细调节，以保持零件移动时的牢固抓取力，但仍然需要足够温和，以便当零件按压固定探作时能够旋转。与宏观机器人相比，由于零件的重量轻、运动慢，所以只需要考虑运动学。在本节中，我们将介绍使用双探针协调抓取的微型零件的运动和力的控制，以及存在未对准情况的方案的鲁棒性。通过使用基于视觉的测量探头的弯曲度来估计挤压力控制中所需的力。
- 基于运动学的运动和力控制
考虑到接触零件的两个探针，如图2所示。让C是相对于零件固定的欧几里德框架。在本文中，我们只使用探针的笛卡尔运动，并且触点被建模为具有摩擦力的点接触。按照[38]中的惯例，差分运动学由此给出：
（，）是C的空间速度，（，）是探针的指令笛卡尔速度，（，）是探针和零件之间的相对旋转，
注意A是满秩的矩阵; 因此，它的左逆矩阵和增广矩阵可被写为：
为了获得封闭运动链的约束方程，我们将应用在（1）式的两边：
（5）式的方向不涉及mu;并且表明：
（5）式的平移部分是：
将(和)参数化：
其中是从点R指向点L的单位矢量，是垂直于（选择在零件平面上）的任何单位向量，。代入（7），得到：
其中是是从L到R的线段的长度，现在可以求解和：
变量是任意的，对应于的零空间运动（关于接触点间连线的旋转）。 该DOF允许通过用固定探针按压零件来旋转零件。
对于零件运动，将（1）的两边同时乘以得到：
旋转部分仅取决于，使用约束方程的解，我们有：
表示为：
我们有：
其中对应于接触点间连线的旋转。翻译部分由下式给出：
如果我们选择C作为接触点间连线的中点，则是沿着 ，并且如预期的那样，将对没有影响。将角速度和线性速度放在一起（除了不直接由探头运动控制的），我们有（沿选择C）：
雅可比矩阵是5times;6列满秩矩阵。比例反馈可以用来控制相应的方向和位置：
其中 是C的测量和期望的位置，分别是对应于的测量和期望的角度。
对于挤压力，首先认识到空间接触力（扭矩和力），即与接触运动互补，即：
或者空间接触力仅由力组成：
其中是的消除器：
和是接触力。力传播到C以引起零件运动：
不引起运动的接触力的分量（即在的零空间中）对零件施加挤压力：
一个共同有效的力控制策略是积分力反馈（见[40]），其中施加的挤压力控制（不引起运动的控制）是所测量的挤压力误差的负反馈。 假设零件的线性一致性，积分力控制（注意输入是指令速度）变为：
其中是挤压力eta;的标量分量，是所需的挤压力水平。
将运动和力控制器[见（17）和（23）]组合在一起，我们获得了用于抓取，操作和旋转零件的探作速度的控制器：
测量零件位置的分量从顶部相机图像获得。的z分量从侧边摄像头获得。从探针尖端位置获得接触点之间的单位向量，即。所需的零件方向和位置由计划器为每个任务单元指定。挤压力是根据视觉获得的探针变形量来估计的，如III-C节所示。
B．双探针抓取和用于平面外旋转的第三探针
用于双探针抓取的雅可比矩阵是非满秩的，因为它只是一个5times;6矩阵。该结果意味着，当存在六个驱动输入时，只有五个空间速度可以直接被双探针抓取影响。这个问题的解决方案是使用第三个探针，第三个探针在距离矢量的某个距离处被压在零件的表面上。该探针被假定为固定在空间中。将矢量定义为从点C到第三个探针的接触点的向量。从前面提到的表达式中，我们可以将第三个探针与零件接触点的速度写为：
将（10）替换到（25）中，重写（25）和（15）分离出和：
通过（26）和（27）彼此相减或相加来获得和的两个独立表达式。这些方程定义了两个受控抓取探针和第三个探针夹具的输入之间的关系：
这可以被写出矩阵形式，以便为此条件开发一个雅可比矩阵。该构造中的零件的速度可以从（25）获得：
第三探针接触的雅可比棱镜速度部分取决于。当仅与第三探针接触时，可以控制取向。
C. 基于视觉的接触力估计
钨探针用于抓取和操作正在组装的微型零件。钨探针坚韧，便宜，杨氏模量高。探针的几何形状如图3所示。探针的横截面为圆形。探针与其截面尺寸相比较长; 因此，我们可以将其建模为欧拉-伯努利波束。在静态平衡中，探针偏转由下式给出：
其中是探针在位置x处的弯曲挠度位移，E是钨的杨氏模量，I（x）是面积惯性矩，是探针的长度。边界条件，即固定在，施加到探针尖端的横向力F，探针尖端x = 0的初始时刻，可由下式给出：
其中F是施加到探针尖端的横向力。
我们通过使用视觉测量其尖端偏转来确定施加在探针上的力。通过求解（33）并应用边界条件，尖端偏转与施加的力相关：
这种关系适用于在微量磨削过程中遇到的小应变下，探针在横向（y和z）上的弯曲。
照相机用于测量探针横向时尖端弯曲矢量delta;b。从（35）的弯曲刚度可以估计弯曲力：
为了找到挤压力，我们解决了接触时的力平衡，包括探针上的轴向力。由于探针是具有高轴向刚度的细棒，因此我们假设探针在轴向方向上是无限刚性的，用于在微型磨削过程中遇到的微小的力：
其中是沿着探针x探针的轴向的标量力值。 我们使用有限元模型来计算由工作站探针操作的各种零件的刚度。结果证明，微型零件的最低刚度大约是操针探针的刚度的1000倍; 因此，我们预计在操作过程中微型零件没有显著的变形。由于和是正交的，我们可以求解挤压力：
当使用顶部相机时，仅测量delta;b的平面投影，即
其中是测量的的平面投影，是在z方向上的另一未知变量。然后力平衡方程变为：
并且可以用于求解，条件是是独立的。
因为不能唯一确定，所以应避免相反方向（即和x探针共线）的探针结构。这种构造也是不可取的，因为它没有利用探针在弯曲方向上的顺应性-轴向方向上的高刚度使抓握力不那么牢固，较小的未对准可能会导致抓握失败。
对于我们的实验，我们使用了市售的钨探针。每个探针具有圆形横截面，轴直径0.255mm，尖端半径10mu;
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