面向MEMS封裝的高速高精度機器人系統(tǒng)的研究.pdf

1、微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)的迅猛發(fā)展使機械和電子技術(shù)在亞毫米乃至亞微米范圍內(nèi)再一次結(jié)合，從而出現(xiàn)了微機電系統(tǒng)(MicroElctromechanicalSystem，MEMS)。它使人類認識和改造世界的能力有重大突破，對國防科學(xué)、人類經(jīng)濟和社會生活產(chǎn)生重大影響。同時作為新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)成為各國競相爭奪的巨大市場。MEMS器件的微連接、微封裝、微組裝等裝備是MEMS制造技術(shù)中的重要組成部分。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，為進一步提高MEMS制造

2、質(zhì)量和生產(chǎn)效率，對運動裝備提出了更高的的精度、速度和加速度要求。 本文結(jié)合國家863計劃課題“面向MEMS加工的精密定位技術(shù)的研究”，在全面分析國內(nèi)外高速高精度機器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從構(gòu)型設(shè)計、尺度參數(shù)優(yōu)化和運動學(xué)標(biāo)定等方面對高速高精度機器人的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究，研制了一種新型的三自由度串并聯(lián)混合式直接驅(qū)動機器人，實現(xiàn)了高速高精度的定位，并實現(xiàn)了實際器件的封裝作業(yè)。 在機器人構(gòu)型方面，從高速高精度作業(yè)的實際需求

3、出發(fā)，結(jié)合并聯(lián)機構(gòu)和直接驅(qū)動的優(yōu)點，提出了一種三自由度串并聯(lián)機構(gòu)和直接驅(qū)動相結(jié)合的新型設(shè)計方案。該方案既避免了機械傳動誤差，又提高了機器人的剛度慣量比，易于實現(xiàn)高速高精度運動。 在運動學(xué)方面，建立了機器人的正逆解模型，在此基礎(chǔ)上分析了機構(gòu)的速度、奇異性、分辨率和靈巧度等運動學(xué)性能參數(shù)。構(gòu)造了一種新的運動學(xué)綜合性能評價指標(biāo)，通過尺度參數(shù)優(yōu)化綜合對高速和高精度這一對矛盾進行合理地折中。 在剛體動力學(xué)方面，建立了機器人的拉格朗

4、日動力學(xué)方程，對幾種典型工況進行了數(shù)值仿真，為基于動力學(xué)模型的控制系統(tǒng)設(shè)計提供了理論模型，也為直接驅(qū)動電機的選取提供了依據(jù)。 在柔體動力學(xué)方面，利用ADAMS實現(xiàn)了機器人的參數(shù)化建模，以動態(tài)剛度和驅(qū)動力矩為評價指標(biāo)對連桿的截面尺寸進行了優(yōu)化設(shè)計。將固定界面模態(tài)綜合法與有限元方法相結(jié)合，建立了機器人的柔體動力學(xué)仿真模型。通過仿真分析了連桿尺度參數(shù)、關(guān)節(jié)剛度、負載和位姿變化對機構(gòu)固有頻率的影響規(guī)律，并通過實驗驗證了分析結(jié)果的正確性。

5、 在運動學(xué)標(biāo)定方面，提出了一種基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非模型參數(shù)辨識的誤差補償方法，與幾何誤差迭代、擴展卡爾曼濾波和非線性回歸分析等三種模型參數(shù)辨識方法進行了對比研究。數(shù)值仿真和實驗結(jié)果表明基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法不受模型準(zhǔn)確性的限制，顯著地提高了機器人的絕對運動精度。 對機器人位姿重復(fù)性、最大加速度、位姿穩(wěn)定時間等性能指標(biāo)進行了測試，證明該系統(tǒng)剛度大、高速運動下殘余振動小，能夠?qū)崿F(xiàn)高速度、高加速、高重復(fù)精度的運動。最