题目：光电子封装中自动对接机器人系统的关键技术研究

光电子器件封装成本占光电子器件总成本的60～90％，采用手动或半自动化方式封装光电子器件是产品成本居高不下的主要原因。把微操作机器人技术应用于光电子器件封装操作有助于实现光电子器件封装全自动化作业，提高生产效率，降低生产成本。本文的研究目标就是开发一套用于光电子封装的自动对接机器人系统，以实现光电子对接的全自动化操作。为此，设计了显微立体视觉伺服系统和微光功率伺服系统相结合的多级伺服结构形式，通过“宏-微”运动平台的构筑对光电子对接中的关键动作进行精确控制和自动化操作。针对光电子对接过程中出现的问题，对机器人系统的关键技术进行了深入研究。在分析光电子器件对接所需的关键技术、当前的研究现状以及存在的问题的基础上，论述了自动对接机器人系统在光电子器件对接中的应用需求以及要解决的关键技术。针对光电子对接操作流程特点，为提高操作的自动化程度，确定了包含视觉伺服、微光功率伺服多级协调结构的系统体系形式。采用了“宏-微”运动平台作为机器人运动平台，满足高精度、大行程任务需求，采用模块化设计思想设计机器人末端执行器，可根据不同任务自行研制不同的夹具。机器人的控制系统采用基于USB总线的分布式控制结构，研发了相应的软、硬件系统。通过讨论柔性并联机器人定位优势和选型原则，选定平面3自由度3-RRR机构和空间3自由度3-RPS机构共同组成6自由度微动平台，此种构型具有运动部分解耦、控制简单的优点。综合考虑机器人的转动自由度、运动灵活性参数指标，应用基于多目标优化方法研究了3-RRR并联机构的尺度综合问题。对优化后的机构进行了一体化免装配设计，减少了误差源，提高末端输出精度。对3-RPS柔性并联微动机器人设计时，采用了模块化设计，利用机构支链布置各向同性的特点最大化减少了误差，保证机器人运动输出的精度。加工了实验样机。针对压电陶瓷迟滞、蠕变非线性，采用基于Preisach模型的前馈结合闭环PI反馈控制相结合的控制模型有效提高了压电陶瓷的控制精度和动态响应特性。对于3-RRR微动机器人，分析了加工误差对其末端精度的影响，建立了各个加工误差源和末端输出精度的显式映射关系，通过有限元仿真验证了该方法的正确性，在此基础上，利用高精度视觉系统对3-RRR微动机器人进行了标定研究。研究了3-RPS微动机器人的标定问题，采用3路高精度电涡流测微仪实现了空间3自由度的标定。通过对由3-RRR微动机器人和3-RPS微动机器人构成的6自由度微动机器人的运动轨迹控制实验，验证标定模型的准确性。实验结果表明，6自由度微动机器人平动运动精度为0.1µｍ，转动运动精度为0.01º。面向光电子对接操作任务，设计了双目显微立体视觉伺服系统，并对相关内容进行了研究。研究了摄像机标定的方法，采用基于小孔成像原理的线性成像模型，推导了对摄像机进行标定时模型中参数的解算方法，并给出了深度信息的恢复方法。利用高精度标定模板对视觉系统进行了标定实验，估计了系统误差。研究了视觉系统伺服控制结构，针对操作任务确定了基于位置的动态“看-运动”模式的视觉伺服控制方式，并给出了视觉伺服的控制模型。为验证系统的性能，开展了单模光纤对接实验。针对多级伺服控制，采用协调控制策略，先视觉伺服再微光功率伺服的控制过程实现了对接的自动化操作，与商用的光纤熔接机进行了性能比较。分析光纤对接中的光功率损耗因素，指出实验中要注意的事项。实验结果验证了本系统达到了项目预期的技术指标。