Novel estimation and control techniques in micromanipulation using vision and force feedback

Abstract

Mikro ve nanoteknolojideki gelişmelerle birlikte kompleks mikromanipülasyon ve mikromontaj yöntemlerine olan ilgi büyüyerek artmaktadır. Otomobil havayastıklarındaki, püskürtmeli yazıcı kafalarındaki ve görüntülü projeksiyon sistemlerindeki anahtar komponentler gibi birçok ticari mikro aygıt, günümüzde az miktarda montaj içeren toplu üretim teknikleriyle üretilirken, sabit disk yazma/okuma kafaları ve optik entegreler gibi birçok başka mikro aygıtın üretimi içinse esnek hassas montaja ihtiyaç duyulmaktadır. Bunun yanında, yapay döllenme, hücre karakterizasyonu ve tedavisi gibi birçok biyolojik mikromanipülasyonun başarısı operatörlerin yeteneklerine bağlıdır. Bu uygulamalarda yüksek hassasiyette, tekrarlanabilir ve finansal açıdan uygulanabilir operasyonlara ihtiyaç duyulması mikromanipülasyon ve mikromontajda doğrudan insan müdahalesinin elenmesi ve özerkliğin artmasına neden olmaktadır.Bu tezde, görüş ve kuvvet geribeslemesine dayalı tamamen otomatik hünerli bir mikromanipülasyon stratejisi geliştirilmiştir. Özellikle mikro objelerin pozisyon, davranış ve şekillerindeki belirsizliklerinden kaynaklanan hataları gidermek için gürbüz görsel temelli kontrol mimarisi önerilmiş ve uygulanmıştır. Ayrıca kullanılan sistemi tanımlamak ve biyolojik yapıların mekanik özelliklerini karakterize etmek için bilgisayarla görme, kestirim ve kontrol senteziyle yeni kestiriciler tasarlanmıştır. Kestirilen mekanik parametreler bir enjeksiyon operasyonu sırasında biyomembrana uygulanan kuvveti yeniden kurmak ve probun pozisyon, hız ve ivme kontrolünü hücre/dokuya zarar vermeden sağlamak için kullanılmıştır.

With the recent advances in the fields of micro and nanotechnology, there has been growing interest for complex micromanipulation and microassembly strategies. Despite the fact that many commercially available micro devices such as the keycomponents in automobile airbags, ink-jet printers and projection display systems are currently produced in a batch technique with little assembly, many other products such as read/write heads for hard disks and fiber optics assemblies require flexible precision assemblies. Furthermore, many biological micromanipulations such as invitro-fertilization, cell characterization and treatment rely on the ability of human operators. Requirement of high-precision, repeatable and financially viable opera-tions in these tasks has given rise to the elimination of direct human involvement, and autonomy in micromanipulation and microassembly.In this thesis, a fully automated dexterous micromanipulation strategy based on vision and force feedback is developed. More specifically, a robust vision based control architecture is proposed and implemented to compensate errors due to theuncertainties about the position, behavior and shape of the microobjects to be manipulated. Moreover, novel estimators are designed to identify the system and to characterize the mechanical properties of the biological structures through a synthesis of concepts from the computer vision, estimation and control theory. Estimated mechanical parameters are utilized to reconstruct the imposed force on a biomembrane and to provide the adequate information to control the position, velocity andacceleration of the probe without damaging the cell/tissue during an injection task.