多指ハンド双腕光マニピュレータを用いた3次元マイクロ操作と計測

使用多指双臂光学机械手进行3D微操作和测量

基本信息

批准号：
19K04319
负责人：
田中芳夫
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Kagawa University (2020-2022)National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2019)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，1台の光源からのレーザ光を2本の偏光ビームに分割し，この2本の腕に対応する各々のビームに対し，マイクロ操作時のエンドエフェクタとなるレーザ光焦点位置や高輝度光パターンを精密に実時間制御できる多点光ピンセット光学系を構成することで，双腕多指ハンドとして機能する光マニピュレータを開発する。この制御観測系に，光学顕微鏡下の観測画像の実時間画像処理と画像再構成技術を統合することで，微小物の視覚認識に基づいた能動的な捕捉・把持と双腕系の協調動作を用いた非接触3次元マイクロ操作と計測技術の高度化・自動化について検討する。これにより，光ピンセットマイクロ操作技術の学術的確立と共に，3次元細胞生物学や顕微熟練作業の自動化に貢献できる基盤技術を開発することを目的とする。本年度に得られた主な成果は以下のとおりである。視触覚双腕光マニピュレータによるマイクロ操作：観測系と制御系間の各種非線形歪みを較正する新たな手法を開発し，一昨年度開発したミラー走査型双腕3次元光ピンセットシステムに適用することで，マウスによる光ピンセット操作時の精度を大幅に改善することができた。また，市販の3次元指示デバイスと実時間画像処理技術を利用して，両手を用いた双腕協調マイクロ操作時に，被操作対象と球状エンドエフェクタ間の反力を作業者にリアルタイムで視覚的に提示できる視触覚双腕光マニピュレータシステムを開発し，ガラス片や珪藻などの非球状物のマイクロ操作に適用することでその有効性を実証した。光捕捉からの逸脱のない安定かつ高精度な双腕協調光ピンセット操作においては，被操作対象からの反力の検出が不可欠であり，リアルタイムに複数把持点の反力を視覚的に提示しながら両手でマイクロ操作できる視触覚双腕光マニピュレータは，世界的にもこれまで研究報告が無く，顕微熟練作業の高度化に貢献できるものである。

在这项研究中，来自一个光源的激光束被分成两束偏振光束，并且每束对应于两个臂的光束被分成两束偏振光束，通过构建一个可以精确控制亮度光图案的多点光镊光学系统。我们将实时开发一种光学操纵器，其功能相当于双臂、多指手。通过将光学显微镜下观察图像的实时图像处理和图像重建技术集成到该控制观察系统中，基于微小物体的视觉识别和双臂系统的协作运动的主动捕捉和抓取成为可能。所使用的非接触式 3D 微操作和测量技术的复杂性和自动化。通过这一点，我们的目标是在学术上建立光镊显微操作技术，并开发有助于 3D 细胞生物学和显微镜技术自动化的基础技术。今年取得的主要成果如下。利用视触双臂光机械臂进行微操作：通过开发一种新方法来标定观察系统和控制系统之间的各种非线性畸变，并将其应用于镜面扫描双臂三维光镊系统前年开发的，我们能够显着提高使用鼠标操作光镊时的准确性。此外，利用市售的3D指令装置和实时图像处理技术，操作者在双臂协同微操作时，可以实时可视化操作对象与球形末端执行器之间的反作用力。我们开发了一种视觉-触觉双臂光学机械臂系统，并通过将其应用于玻璃片和硅藻等非球形物体的微操作来证明其有效性。在稳定且高精度的双臂协作光镊操作中，不偏离光学捕获，必须检测来自被操纵物体的反作用力，并且需要实时视觉检测来自多个夹持点的反作用力。可双手进行显微操作的视触双臂光学机械臂在国际上尚无研究报道，可为显微技能工作的进步做出贡献。