基于雙質(zhì)量摩擦振子的黏滑驅(qū)動(dòng)機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著微納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，研究對(duì)象不斷微細(xì)化，微操作機(jī)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(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)原理是很難滿(mǎn)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(dòng)方式以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)方便、高分辨率和能耗低成為微操做器中的理想驅(qū)動(dòng)模式。但是對(duì)于黏滑驅(qū)動(dòng)原理的理論研究還處

2、于起步階段，對(duì)黏滑驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的各類(lèi)現(xiàn)象還沒(méi)有系統(tǒng)的理論解釋。如何從非線(xiàn)性摩擦學(xué)著手伸入分析黏滑驅(qū)動(dòng)本質(zhì)，如何提高黏滑驅(qū)動(dòng)的性能，如何避免黏滑驅(qū)動(dòng)過(guò)程中特有的回帶和擾動(dòng)現(xiàn)象等問(wèn)題已經(jīng)成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。
　　首先基于黏滑驅(qū)動(dòng)機(jī)理雙質(zhì)量簡(jiǎn)化工程模型對(duì)黏滑機(jī)理的振動(dòng)特性進(jìn)行了深入研究，得出了黏滑運(yùn)動(dòng)由受迫振動(dòng)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(duì)象，將球基微操作器的黏滑驅(qū)動(dòng)過(guò)程劃分為四個(gè)階段，并得出了各階段動(dòng)力學(xué)方程，

3、進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了黏滑運(yùn)動(dòng)得振動(dòng)合成本質(zhì)。
　　其次根據(jù)雙質(zhì)量摩擦振子動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生的黏滑運(yùn)動(dòng)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(xiàn)的摩擦力模型，利用Fourier級(jí)數(shù)以及諧波平衡的方法分析系統(tǒng)的頻率問(wèn)題，確定了黏滑驅(qū)動(dòng)最佳驅(qū)動(dòng)頻率范圍。建立運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程，并轉(zhuǎn)化為相對(duì)速度狀態(tài)量，通過(guò)對(duì)相對(duì)速度狀態(tài)量的討論建立判別粘滯與滑動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程及劃分標(biāo)

4、準(zhǔn)，為球基微操作器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(duì)雙質(zhì)量摩擦振子的頻率響應(yīng)進(jìn)行理論求解討論。
　　然后通過(guò)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(jìn)一步討論在簡(jiǎn)諧激勵(lì)下穩(wěn)態(tài)周期響應(yīng)情況。通過(guò)對(duì)庫(kù)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(dòng)器的正壓力補(bǔ)償法與基于能量補(bǔ)償?shù)恼駝?dòng)衰減法控制方法，即以穩(wěn)定摩擦力驅(qū)動(dòng)摩擦振子實(shí)現(xiàn)微操作手運(yùn)動(dòng)的可控性及穩(wěn)定性的方法分

5、析。建立正壓力補(bǔ)償法和能量補(bǔ)償法的簡(jiǎn)化工程模型，得出相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程，研究了補(bǔ)償條件對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，仿真證明了控制方法的正確性，并對(duì)兩種補(bǔ)償控制方法進(jìn)行比較，分別得出各自的應(yīng)用范圍與場(chǎng)合。
　　最終搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于電磁鐵的正壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)及以四分壓電陶瓷管驅(qū)動(dòng)平板的機(jī)械本體。主控模塊通過(guò)多路并行壓電陶瓷電源輸出的高壓鋸齒波驅(qū)動(dòng)四分壓電陶瓷管，采用基于PSD的微位移測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量平板的輸出位移，采用基于激光測(cè)振儀的系統(tǒng)對(duì)機(jī)械本