單片柔順機(jī)構(gòu)微夾鉗的性能分析及控制技術(shù)的研究.pdf

1、隨著微納米技術(shù)(Micro/nanotechnology)和微機(jī)電(Micro-electroMechanicalSystems,MEMS)系統(tǒng)的興起和發(fā)展，對(duì)多個(gè)微小零件裝配成復(fù)雜的微機(jī)電系統(tǒng)的微裝配與微操作技術(shù)成為迅速發(fā)展起來(lái)的一個(gè)研究領(lǐng)域。微夾鉗在微操作和微裝配過(guò)程中直接與夾持對(duì)象接觸，其作為微操作和微裝配系統(tǒng)中典型的末端微執(zhí)行器，對(duì)微操作和微裝配任務(wù)的實(shí)現(xiàn)有著重要的作用。微夾鉗技術(shù)是一門涉及微機(jī)械、材料、傳感器、自動(dòng)控制、電子技

2、術(shù)和計(jì)算機(jī)等的交叉學(xué)科，在微機(jī)械、微電子學(xué)、光學(xué)、微流體和生物科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。裝配零件的尺寸和形狀都不固定，而且容易變形和破碎。一方面微夾鉗的夾爪位移應(yīng)行程大、分辨率高，在顯微視覺(jué)視場(chǎng)中可以準(zhǔn)確地移動(dòng)；另一方面為避免損傷微型零件，應(yīng)對(duì)夾持力進(jìn)行傳感和反饋控制。因此，研究具有大行程、高分辨率的夾爪位移，并集成夾持力/位移傳感器和反饋控制的微夾鉗具有重要的意義。
　　本文在開(kāi)發(fā)的夾爪平行移動(dòng)的壓電驅(qū)動(dòng)微夾鉗基礎(chǔ)上，建立了力/

3、位移輸入輸出關(guān)系模型，并對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了改進(jìn)。分析了微夾鉗的單片柔順機(jī)構(gòu)的傳感特性，集成了夾持力和夾爪位移傳感器，并完成了傳感器的標(biāo)定。建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)微夾鉗的夾持力特性進(jìn)行了測(cè)試。在集成傳感基礎(chǔ)上，辨識(shí)了微夾鉗的驅(qū)動(dòng)電壓與夾持力和夾爪位移之間的關(guān)系模型。研究了力/夾爪位移的反饋控制技術(shù)，采用了PID反饋和模型參考自適應(yīng)控制來(lái)提高夾持力/夾爪位移的控制精度。
　　本文的主要研究工作和成果包括：
　　1.在開(kāi)發(fā)的壓電致動(dòng)微

4、夾鉗的基礎(chǔ)上，對(duì)微夾鉗的夾持力和夾爪位移的性能進(jìn)行了分析。運(yùn)用偽剛體模型法建立了微夾鉗的單片柔順機(jī)構(gòu)的夾持力、輸入力、夾爪位移與輸入位移之間的關(guān)系模型并進(jìn)行討論。對(duì)原有的單片柔順機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了改進(jìn)。理論分析為微夾鉗夾持力的傳感與控制提供了理論基礎(chǔ)。
　　2.分析了微夾鉗的單片柔順機(jī)構(gòu)在夾爪移動(dòng)和夾持物體過(guò)程中的應(yīng)變特性及實(shí)現(xiàn)夾爪位移傳感和夾持力傳感的可行性，分別建立了單邊柔順鉸鏈最大應(yīng)變與輸入力、夾爪位移，柔性梁最大應(yīng)變與

5、梁變形、夾持力的之間關(guān)系模型，并與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行比較。利用ANSYS軟件仿真分析了單片柔順機(jī)構(gòu)的應(yīng)變特性和粘貼的應(yīng)變片的應(yīng)變分布。仿真結(jié)果表明，可在單片柔順機(jī)構(gòu)單邊柔順鉸鏈和柔性梁上分別粘貼應(yīng)變片構(gòu)成夾爪位移傳感器和夾持力傳感器，并且傳感器輸出呈線性關(guān)系。
　　3.在單片柔順機(jī)構(gòu)的單邊柔順鉸鏈和柔性梁上分別粘貼半導(dǎo)體應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)了夾爪位移和夾持力的測(cè)量，并利用惠斯通單臂電橋和差動(dòng)電橋連接實(shí)現(xiàn)了傳感信號(hào)的轉(zhuǎn)換和處理。根據(jù)微夾鉗的單

6、片柔順機(jī)構(gòu)的夾爪平行移動(dòng)的特點(diǎn)，利用標(biāo)準(zhǔn)懸臂梁的受力與梁彎曲變形之間關(guān)系，提出一種利用非接觸式位移傳感器測(cè)量柔性梁的形變量來(lái)實(shí)現(xiàn)夾持力傳感器標(biāo)定的方法。
　　4.建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置分別對(duì)夾持力傳感器和夾爪位移傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了微夾鉗的夾持力特性并與理論模型進(jìn)行了比較，給出了夾持微小物體的實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬實(shí)際的夾持過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微夾鉗的夾爪位移與輸入力、夾持力與輸入力呈線性關(guān)系，夾持力模型符合實(shí)際的夾持過(guò)程。
　　

7、5.在集成傳感基礎(chǔ)上，辨識(shí)了微夾鉗的驅(qū)動(dòng)電壓與夾持力和夾爪位移之間的關(guān)系模型。研究了力/夾爪位移的反饋控制技術(shù)，采用PID反饋和模型參考自適應(yīng)控制來(lái)提高夾持力/夾爪位移的控制精度。為了驗(yàn)證反饋控制系統(tǒng)的有效性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，夾持力/夾爪位移的PID控制的誤差呈周期性變化，而自適應(yīng)控制對(duì)期望輸入的跟蹤控制誤差小，控制效果較好。
　　本文的研究工作為壓電驅(qū)動(dòng)微夾鉗的單片柔順機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析與控制提供了理論基礎(chǔ)和設(shè)