基于雙質(zhì)量摩擦振子的黏滑驅(qū)動機理及實驗研究.pdf

1、隨著微納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，研究對象不斷微細(xì)化，微操作機器人成為人們探索微觀世界不可缺少的重要工具。微操作器是微操作機器人系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行部件，微操作器的性能直接影響微操作機器人的運動準(zhǔn)確度和操作能力，要求微操作器具有較高的定位精度和高度的靈活性，傳統(tǒng)的機構(gòu)設(shè)計及驅(qū)動原理是很難滿足這一需求，利用黏滑現(xiàn)象可以產(chǎn)生可控的微小位移，黏滑驅(qū)動方式以其結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動方便、高分辨率和能耗低成為微操做器中的理想驅(qū)動模式。但是對于黏滑驅(qū)動原理的理論研究還處

2、于起步階段，對黏滑驅(qū)動過程中的各類現(xiàn)象還沒有系統(tǒng)的理論解釋。如何從非線性摩擦學(xué)著手伸入分析黏滑驅(qū)動本質(zhì)，如何提高黏滑驅(qū)動的性能，如何避免黏滑驅(qū)動過程中特有的回帶和擾動現(xiàn)象等問題已經(jīng)成為各國學(xué)者研究的熱點。
　　首先基于黏滑驅(qū)動機理雙質(zhì)量簡化工程模型對黏滑機理的振動特性進行了深入研究，得出了黏滑運動由受迫振動和自激震蕩合成的思想。以三自由度球基微操做器為研究對象，將球基微操作器的黏滑驅(qū)動過程劃分為四個階段，并得出了各階段動力學(xué)方程，

3、進行仿真和實驗，驗證了黏滑運動得振動合成本質(zhì)。
　　其次根據(jù)雙質(zhì)量摩擦振子動力學(xué)方程，采用數(shù)值分析的方法得到”黏”與“滑”的相位，從相位圖出發(fā)分析了摩擦力驅(qū)動產(chǎn)生的黏滑運動的特征。在雙質(zhì)量摩擦振子模型基礎(chǔ)上，選擇帶三次曲線的摩擦力模型，利用Fourier級數(shù)以及諧波平衡的方法分析系統(tǒng)的頻率問題，確定了黏滑驅(qū)動最佳驅(qū)動頻率范圍。建立運動狀態(tài)方程，并轉(zhuǎn)化為相對速度狀態(tài)量，通過對相對速度狀態(tài)量的討論建立判別粘滯與滑動狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程及劃分標(biāo)

4、準(zhǔn)，為球基微操作器的優(yōu)化設(shè)計、控制方法以及穩(wěn)定性討論奠定理論鋪墊。利用諧波平衡法，傅立葉變換以及最優(yōu)化理論對雙質(zhì)量摩擦振子的頻率響應(yīng)進行理論求解討論。
　　然后通過數(shù)值仿真的方式討論系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并利用能量平衡的方法進一步討論在簡諧激勵下穩(wěn)態(tài)周期響應(yīng)情況。通過對庫侖摩擦模型下雙質(zhì)量摩擦振子穩(wěn)定平衡性的討論，提出驅(qū)動器的正壓力補償法與基于能量補償?shù)恼駝铀p法控制方法，即以穩(wěn)定摩擦力驅(qū)動摩擦振子實現(xiàn)微操作手運動的可控性及穩(wěn)定性的方法分

5、析。建立正壓力補償法和能量補償法的簡化工程模型，得出相應(yīng)的動力學(xué)方程，研究了補償條件對系統(tǒng)輸出的影響，仿真證明了控制方法的正確性，并對兩種補償控制方法進行比較，分別得出各自的應(yīng)用范圍與場合。
　　最終搭建實驗系統(tǒng)，設(shè)計了基于電磁鐵的正壓力補償機構(gòu)及以四分壓電陶瓷管驅(qū)動平板的機械本體。主控模塊通過多路并行壓電陶瓷電源輸出的高壓鋸齒波驅(qū)動四分壓電陶瓷管，采用基于PSD的微位移測量系統(tǒng)測量平板的輸出位移，采用基于激光測振儀的系統(tǒng)對機械本