微小管道機(jī)器人用慣性式壓電執(zhí)行器的研究.pdf

1、微機(jī)器人是在微細(xì)加工技術(shù)和微型機(jī)械電子產(chǎn)品基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，是微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展的高級(jí)形式。微執(zhí)行器、微傳感器、微能源和控制系統(tǒng)的高度集成是微機(jī)器人發(fā)展的趨勢(shì)。微執(zhí)行器的研究，一直是微機(jī)械發(fā)展的關(guān)鍵，并在一定程度上標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家微機(jī)械發(fā)展水平。 本文在國(guó)家自然科學(xué)基金(69774020，50475152)資助下，在應(yīng)用了晶體物理學(xué)、壓電學(xué)、材料力學(xué)、熱力學(xué)等交叉學(xué)科的理論成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種微小管

2、道機(jī)器人用慣性式壓電執(zhí)行器。該執(zhí)行器由主體和四個(gè)彈性足構(gòu)成，主體是一個(gè)質(zhì)量棒，彈性足相當(dāng)于復(fù)合壓電雙晶片懸臂梁。執(zhí)行器在不對(duì)稱鋸齒波電壓驅(qū)動(dòng)下利用慣性力與最大靜摩擦力之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單獨(dú)特，驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)便，能根據(jù)指令靈活地實(shí)現(xiàn)前進(jìn)與后退等運(yùn)動(dòng)。 推導(dǎo)了復(fù)合壓電雙晶片懸臂梁輸出位移與外電壓、外力的本構(gòu)方程，不僅涵蓋了典型壓電雙晶片的關(guān)系式，而且包含了帶夾層雙晶片的本構(gòu)方程。通過數(shù)值計(jì)算分析了外力或電壓變化時(shí)，復(fù)合壓電雙晶

3、片輸出位移與夾層厚度、夾層彈性模量的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)及理論驗(yàn)證了夾層參數(shù)對(duì)輸出位移的影響，證明了所建本構(gòu)方程的正確性。該方程的建立是對(duì)雙晶片理論的進(jìn)一步完善。 充分考慮復(fù)合壓電雙晶片夾層對(duì)執(zhí)行器性能的影響，建立了執(zhí)行器的動(dòng)力學(xué)模型，用13個(gè)系統(tǒng)參數(shù)表征了執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。構(gòu)建了執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)性能與系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系的圖形用戶窗口，可以模擬任意尺寸、性能參數(shù)、環(huán)境參數(shù)及驅(qū)動(dòng)電壓參數(shù)下執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以得到執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)速度與各參數(shù)之間的關(guān)系曲

4、線。 將模糊規(guī)則引入微粒群這一新穎算法中，對(duì)執(zhí)行器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。詳細(xì)研究了群體規(guī)模、慣性權(quán)重、加速常數(shù)、最大速度和最大代數(shù)對(duì)微粒群算法的影響。計(jì)算表明，模糊規(guī)則在線調(diào)整慣性權(quán)重比固定慣性權(quán)重、線性遞減慣性權(quán)重具有更好的效果。同以往的優(yōu)化方法相比，這種算法概念簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，計(jì)算量小。 研制了兩種規(guī)格的執(zhí)行器；設(shè)計(jì)了以高壓運(yùn)放3583為核心的驅(qū)動(dòng)電源及為3583提供偏置電壓的可調(diào)直流高壓電源；搭建了執(zhí)行器的電壓及負(fù)載實(shí)驗(yàn)