基于光誘導(dǎo)介電泳的微粒子操縱平臺控制系統(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。在操縱模式上，用于微粒子操控的光模式虛擬電極可視為“光機器人”，通過控制DMD調(diào)制器，可實現(xiàn)光機器人形狀、位置的實時重構(gòu)，此外，依靠對多個光機器人的并行控制，可實現(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，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理，本文在現(xiàn)有

2、控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過引入機器視覺、路徑規(guī)劃、微組裝等技術(shù)，設(shè)計并開發(fā)了一套集光機器人精確投射、微粒子快速捕捉、自動化并行操縱于一體的光誘導(dǎo)介電泳微粒子操縱平臺控制系統(tǒng)，具體研究成果如下：
　　(1)提出了微操縱平臺的Projector-Camera光路系統(tǒng)標定方法。首先建立了Projector-Camera系統(tǒng)模型，為實現(xiàn)基于機器視覺的微尺寸測量，以顯微鏡標尺為標定物完成了相機系統(tǒng)的標定；針對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定物的平面校正方法，在此基礎(chǔ)上對DMD輸出圖像進行矯正，并對校正誤差進行了定量分析，進而實現(xiàn)微粒子的人機交互式精確捕獲。
　　(2)實現(xiàn)了實時多粒子并行操縱路徑規(guī)劃。首先采用改進的人工勢場方法實現(xiàn)單粒子操縱的最優(yōu)路徑規(guī)劃；針對多粒子并行操縱，采用交互式速度障礙方法，實現(xiàn)了批量微粒子實時并行操縱規(guī)劃。此外，借助機器視覺，本文引入CamShift跟蹤技術(shù)實現(xiàn)操縱過程中的多粒子目標追蹤，從而實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的并行操縱控

4、制。
　　(3)設(shè)計了一套微粒子陣列自動化組裝方案。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)化方法實現(xiàn)微粒子隊列的最優(yōu)化目標分配，同時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驗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