基于視覺的微夾持構(gòu)件受力與應(yīng)變測量方法.pdf

1、隨著電子與微納技術(shù)的快速發(fā)展，微機電系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。微機電系統(tǒng)中一項重要任務(wù)是對微構(gòu)件的微操作與微裝配，其核心技術(shù)是微夾持機構(gòu)的設(shè)計與控制。在微裝配或微操作環(huán)境下，微夾持構(gòu)件以及被操作對象因為微小脆弱而極易被損壞，需要在微夾持器進行微操作時準(zhǔn)確的定位和精確的夾持力控制，所以微夾持器應(yīng)用研究的核心是微夾持器件受力與變形的測量。在微納尺度下，為了監(jiān)測微構(gòu)件夾持的操作過程以及獲取進行微操作閉環(huán)控制所需要反饋信息，顯微視覺成像系統(tǒng)是

2、必不可少的工具。顯微視覺成像系統(tǒng)與微夾持、操作執(zhí)行機構(gòu)以及微力微變形精密測量系統(tǒng)的高效集成是微機械系統(tǒng)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。與快速發(fā)展的微納制造與智能控制技術(shù)相比，對微夾持器與執(zhí)行器技術(shù)的研究發(fā)展相對緩慢。微懸臂梁是一種典型的微夾持與操作構(gòu)件，本文以簡化的微懸臂梁作為研究對象，利用顯微視覺系統(tǒng)對基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的微夾持構(gòu)件進行受力與應(yīng)變測量技術(shù)研究。
　　首先根據(jù)微納光刻掩膜電鑄工藝制作了微懸臂梁夾持構(gòu)件，并針對微懸臂梁的形狀特點設(shè)計了專

3、門的夾持與彎曲變形機構(gòu)。微懸臂梁的彎曲變形過程在光學(xué)顯微鏡下觀測，變形過程圖像通過CCD傳感器和圖像采集卡傳輸?shù)接嬎銠C。對變形前后的微懸臂梁圖像進行預(yù)處理操作以得到懸臂梁表面清晰的灰度紋理圖像，為基于圖像灰度紋理信息的懸臂梁的受力與應(yīng)變計算做準(zhǔn)備。
　　利用圖像中的灰度紋理信息，在變形前后的懸臂梁圖像中進行LOG特征點自動識別并為特征點構(gòu)造局部封閉特征區(qū)域。根據(jù)局部封閉特征區(qū)域的質(zhì)心信息重新定位特征點，并為每個特征點構(gòu)造仿射不變的

4、特征描述矢量。根據(jù)特征點的特征描述矢量對變形前后圖像中的特征點進行匹配，通過匹配信息以及特征點的質(zhì)心信息得到特征點的位移信息。根據(jù)微懸臂梁構(gòu)件的尺寸結(jié)構(gòu)特點，應(yīng)用平面應(yīng)力狀態(tài)下懸臂梁結(jié)構(gòu)的彎曲受力變形計算模型，基于特征點位移誤差函數(shù)法對懸臂梁的彎曲受力進行擬合計算，得出懸臂梁受力大小以及受力位置等信息。
　　對三種全場位移測量的基本方法：基于 B樣條的圖像配準(zhǔn)法、光流法、數(shù)字圖像相關(guān)法的原理進行介紹，并分別推導(dǎo)了三種方法的應(yīng)變場計

5、算公式，通過實際應(yīng)變場計算對比說明了基于數(shù)字相關(guān)法進行應(yīng)變測量的優(yōu)越性。分析了在不同的特征點處進行相關(guān)系數(shù)計算的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)LOG特征點的灰度分布有利于基于迭代方法的數(shù)字相關(guān)法的計算收斂。討論了影響數(shù)字相關(guān)法計算的關(guān)鍵因素，通過仿真彎曲實驗分析了變形函數(shù)階次，計算窗口大小以及根據(jù)特征點處的變形信息進行迭代初始值優(yōu)化對數(shù)字相關(guān)法計算誤差的影響。提出了兩種加權(quán)平均的應(yīng)變場計算方法，通過與有限元FEM仿真結(jié)果比較，驗證了權(quán)值平均應(yīng)變方法的有效性