基于光誘導(dǎo)介電泳的微粒子操縱平臺(tái)控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、作為一種新興的非接觸式微操縱技術(shù)，光誘導(dǎo)介電泳已成功應(yīng)用于流體介質(zhì)中微納米粒子的捕獲、定向與輸運(yùn)。在操縱模式上，用于微粒子操控的光模式虛擬電極可視為“光機(jī)器人”，通過控制DMD調(diào)制器，可實(shí)現(xiàn)光機(jī)器人形狀、位置的實(shí)時(shí)重構(gòu)，此外，依靠對(duì)多個(gè)光機(jī)器人的并行控制，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模粒子的并行操控。光誘導(dǎo)介電泳具備的上述諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在微操縱領(lǐng)域與已有眾多微操縱方法相比具有更為重大的應(yīng)用前景。
　　為充分發(fā)揮光誘導(dǎo)介電泳的柔性操縱機(jī)理，本文在現(xiàn)有

2、控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過引入機(jī)器視覺、路徑規(guī)劃、微組裝等技術(shù)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套集光機(jī)器人精確投射、微粒子快速捕捉、自動(dòng)化并行操縱于一體的光誘導(dǎo)介電泳微粒子操縱平臺(tái)控制系統(tǒng)，具體研究成果如下：
　　(1)提出了微操縱平臺(tái)的Projector-Camera光路系統(tǒng)標(biāo)定方法。首先建立了Projector-Camera系統(tǒng)模型，為實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺的微尺寸測(cè)量，以顯微鏡標(biāo)尺為標(biāo)定物完成了相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定；針對(duì)投影光路存在的不可避免的畸變誤差，提

3、出了以虛擬棋盤模板為標(biāo)定物的平面校正方法，在此基礎(chǔ)上對(duì)DMD輸出圖像進(jìn)行矯正，并對(duì)校正誤差進(jìn)行了定量分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微粒子的人機(jī)交互式精確捕獲。
　　(2)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多粒子并行操縱路徑規(guī)劃。首先采用改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)方法實(shí)現(xiàn)單粒子操縱的最優(yōu)路徑規(guī)劃；針對(duì)多粒子并行操縱，采用交互式速度障礙方法，實(shí)現(xiàn)了批量微粒子實(shí)時(shí)并行操縱規(guī)劃。此外，借助機(jī)器視覺，本文引入CamShift跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)操縱過程中的多粒子目標(biāo)追蹤，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的并行操縱控

4、制。
　　(3)設(shè)計(jì)了一套微粒子陣列自動(dòng)化組裝方案。首先提出了基于圖像匹配的微粒子快速捕捉技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，采用粒子群優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)微粒子隊(duì)列的最優(yōu)化目標(biāo)分配，同時(shí)借助多粒子并行操縱規(guī)劃方法，完成了微粒子的組裝控制。6粒子與11粒子的陣列化組裝實(shí)驗(yàn)表明該方案適合微粒子的批量化并行操縱，并可顯著提高微組裝效率。
　　(4)完成了微粒子操縱平臺(tái)控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)。在以上研究工作的基礎(chǔ)上，采用C++語言完成了基于光誘導(dǎo)介電泳的微粒子