答辩博士：余胜东
指导教师：吴洪涛教授
论文题目：面向细胞显微穿刺的力位混合控制技术研究
答辩委员会：
主席：王兴松 教授/博导 东南大学
委员：谭业发 教授/博导 陆军工程大学
游有鹏 教授/博导 南京航空航天大学
陈 柏 教授/博导 南京航空航天大学
王化明 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：陆俊华 副教授/硕导 南京航空航天大学
时间：2020年12月21日14:00
地点：南航明故宫校区17#519
学位论文简介：
细胞显微穿刺作为细胞显微操作中应用最广泛的微操作技术，在生理学、病理学和药理学等方面存在着无法取代的医学价值，因此受到医学科学家的广泛青睐。然而，细胞作为动物生命体的基本功能单元，其尺寸微小，细胞膜非常容易发生变形，因此在微观领域内实现对细胞的显微穿刺，需要相当高精度的操作水平；同时，细胞的物理特性随发育过程而时刻发生变化，细胞显微操作需要自动适应不同特性的应用对象，保证操作精度的一致性。为了实现高质量的细胞显微操作，本文对细胞显微操作技术中的核心技术——细胞显微穿刺技术，开展了深入、全面、体系化的研究。
主要研究工作包括：
论文构建了以细胞穿刺机构作为执行机构的显微操作方案，以激光位移传感器采集细胞穿刺机构的精密位移，在倒置式生物显微镜下观察显微操作过程。为了研制具备无传动间隙和较高固有频率的细胞穿刺机构，论文从柔顺机构原理出发，将柔性铰链和杠杆放大原理运用于并联桥式位移放大机构的设计之中，通过动力学理论对机构进行构型优化，在确保运动精度的前提下扩大了压电作动器的行程。
采用硬件在环实验的方法，以xPC系统为核心，完成细胞穿刺机构的开环控制实验，获得了激励电压和细胞穿刺机构的位移之间的对应关系，为开展模型辨识提供数据支撑。接着，从两个不同的维度完成了细胞穿刺机构的动力学模型的辨识，以Bouc-Wen模型为基础，藉由Hopfield神经网络和智能优化算法分别完成对线性参数和非线性参数的离线辨识，从而获得完整的细胞穿刺机构的迟滞动力学模型；利用粒子群优化算法（PSO）对极限学习机（ELM）的权值系数进行在线优化调节，从而构建了准确的、和激励频率相关联的PSO-ELM模型。
针对细胞穿刺机构内部存在严重的迟滞非线性效应，依靠滑模变结构控制对动力建模误差、环境变化和未知扰动等都不敏感的特点，尤其是新近发展起来的非奇异终端滑模（NTSM），它具有有限时间收敛、抑制抖振和避免非奇异问题的优势，本文将NTSM引入到对细胞穿刺机构的运动控制中。实验证明，基于Bouc-Wen动力学逆模型的滑模控制能够有效补偿细胞穿刺机构的迟滞非线性，实现输入输出的线性化。
从基于模型控制的角度出发对传统的Bouc-Wen模型进行了局部优化，构建了集成分数阶非奇异终端滑模（FONTSM）和时延估计（TDE）技术的非线性鲁棒控制器。所提出的控制器，主要包括时延估计项和分数阶非奇异终端滑模项。实验证明，所提出的集成FONTSM和TDE技术的非线性鲁棒控制器能够实现有限时间收敛和高精度的控制品质。
单纯利用位置控制实现细胞显微穿刺，存在一个显著的不足：位置控制模型下的细胞穿刺技术无法感知穿刺力的变化，即无法精确掌握细胞膜被刺破的关键时刻。因此，构建细胞穿刺机构的微力跟踪控制，基于细胞穿刺机构的迟滞动力学模型，设计并制作了微力跟踪控制器，利用TDE技术实现对未知项的估计，利用PD型伺服控制器实现瞬态力的快速响应。采用硬件在环实验的方法构建了微力跟踪实验平台，实验证明，所提控制器能够有效地完成对正弦轨迹和三角波轨迹的微力跟踪。
糅合位置控制和微力跟踪控制的理论和实践成果，从力位混合控制的角度出发提出了一种自适应平滑切换算法，实现位置控制子空间和力控制子空间之间的平稳切换，将基于FONTSM和TDE技术的运动控制器和细胞显微穿刺的微力跟踪控制器纳入到统一的控制体系内。自适应平滑切换算法在位置控制器和力控制器的作用机理上扮演着“中间协调者”的角色，为细胞穿刺机构的动作提供统一的激励信号。通过计算机仿真实验和物理实验，成功验证了所提出的自适应平滑切换算法能够实现从位置控制到力控制的平滑切换，在接触力逐渐变大的变化过程中没有发生抖振或冲击，实现了对细胞的精确的微力跟踪和位置跟踪。
主要创新点如下：
1、针对细胞穿刺需要执行器具备操作精度高、反应频率高的特点，本文提出了一种基于柔顺机构原理设计的PBDAM，用于放大PEAs的输出位移，PBDAM和PEAs实现了无间隙传动，运动精度高。并且从三个不同的理论假设出发，构建了PBDAM的数学模型，并进行了优化设计和校核；最后通过拉格朗日方法获得了PBDAM的动力学模型，并计算出机构的自然频率。
2、针对PBDAM在运动过程中存在严重迟滞非线性扰动的问题，本文基于简化的Bouc-Wen动力学模型，构建了集成分数阶非奇异终端滑模和时延估计技术的非线性鲁棒控制器，它主要包括TDE项和FONTSM项。TDE技术用于实现对未知项的实时估计和补偿。FONTSM项采用FONTSM型滑模面和快速TSM趋近律，能够实现有限时间收敛，因而具有更高的控制精度。
3、针对在位置控制中无法感知细胞膜穿透的问题，本文提出了一种基于多传感信息融合的自适应平滑切换算法。利用自适应平滑切换算法将位置控制器和微力跟踪控制器柔和到统一的控制体系内，使控制器实现了位置控制子空间和力控制子控制之间的平滑切换。将所提出的基于自适应平滑切换的细胞穿刺力位混合控制策略应用于细胞显微穿刺的过程中，在穿刺过程中能够实现对期望力轨迹的精确跟踪，并且能够快速感知细胞膜被穿透的关键时刻，减小细胞的变形程度，有利于提高细胞的存活率。
