宏-微驅(qū)動精密作業(yè)微小型移動機器人的研究.pdf

1、本文在國家863計劃的支持下，以建立面向MEMS精密作業(yè)和未來桌面工廠的微小型移動機器人系統(tǒng)為目標。經(jīng)過大量的調(diào)研后，決定采用從單元技術出發(fā)到整體集成的研究方法對精密作業(yè)微小型移動機器人進行深入的研究，其單元技術的重點是采用宏/微雙重驅(qū)動的微定位技術和基于慣性摩擦驅(qū)動機理的微操作驅(qū)動技術。 微定位技術是實現(xiàn)精密微裝配作業(yè)的關鍵技術之一，采用微型電機與壓電陶瓷相結合的宏/微驅(qū)動方式，使機器人具有快速、高精密移動定位的特點。首先，設

2、計了宏/微驅(qū)動單元結構，采用有限時間跟蹤法，實現(xiàn)了對機器人快速宏運動的路徑規(guī)劃，采用切線法對機器人宏運動進行了避障方法的研究。其次，基于彈性變形理論與虎克定律，建立了XY-θ結構的精密微移動定位單元的動力學模型，建立了機器人微運動速度與微移動定位單元一階固有頻率的優(yōu)化函數(shù)，建立了微移動定位單元的有限元模型，并對其進行了有限元靜力學和模態(tài)振型分析，實現(xiàn)了對微移動定位單元的優(yōu)化設計。最后，對微移動定位單元進行了實驗測試，并對實驗測試結果、理

3、論計算結果以及有限元分析結果進行了對比分析。 球基微驅(qū)動器采用了慣性摩擦驅(qū)動原理實現(xiàn)精密驅(qū)動。首先，對慣性摩擦驅(qū)動機理進行了解釋，建立金屬圓盤的轉動模型。其次，根據(jù)壓電陶瓷充放電特點，將金屬圓盤的運動狀態(tài)分為三階段進行了動力學分析，修正了慣性摩擦驅(qū)動的理論轉速模型，并建立了微驅(qū)動器的逆轉模型及振動模型。利用壓電陶瓷作驅(qū)動元件，設計了二自由度球基微驅(qū)動器，分析了其運動學特征，并利用拉格朗日方程，建立了其動力學模型，采用MATLAB

4、對其進行了動力學仿真分析。建立了球基微驅(qū)動器驅(qū)動單元的有限元模型并進行了有限元分析，為避免球基微驅(qū)動器因高頻諧振起而失效起到了設計指導作用。建立了壓電陶瓷驅(qū)動球基微驅(qū)動器有限元等效模型并進行了有限元瞬態(tài)分析，驗證了逆轉模型的存在性。最后，對基于慣性摩擦驅(qū)動的球基微驅(qū)動器進行了實驗測試，驗證了逆轉模型及振動模型的合理性。 研制出了壓電陶瓷驅(qū)動的組合式兩級位移放大微夾持器。通過更換不同的微夾持模塊，實現(xiàn)對不同尺寸物體的微夾持任務。首

5、先對微夾持器單元進行了結構設計，建立了相應的理論模型，并對其進行了有限元靜態(tài)分析，最后對微夾持器的張合位移、夾持力等技術參數(shù)進行了實驗測試，就理論分析結果、有限元分析結果與實驗測試結果進行了比較研究。 通過單元技術集成，完成了精密作業(yè)型微小型移動機器人樣機的研制，并與微裝配桌面工作平臺、視覺圖像處理系統(tǒng)、驅(qū)動控制系統(tǒng)組成了完整的面向MEMS精密作業(yè)的微小型機器人實驗系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)，順利地實現(xiàn)了Ф250μm的孔與Ф200μm的