宏-微驅(qū)動(dòng)精密作業(yè)微小型移動(dòng)機(jī)器人的研究.pdf

1、本文在國家863計(jì)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(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)為目標(biāo)。經(jīng)過大量的調(diào)研后，決定采用從單元技術(shù)出發(fā)到整體集成的研究方法對精密作業(yè)微小型移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行深入的研究，其單元技術(shù)的重點(diǎn)是采用宏/微雙重驅(qū)動(dòng)的微定位技術(shù)和基于慣性摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理的微操作驅(qū)動(dòng)技術(shù)。 微定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精密微裝配作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，采用微型電機(jī)與壓電陶瓷相結(jié)合的宏/微驅(qū)動(dòng)方式，使機(jī)器人具有快速、高精密移動(dòng)定位的特點(diǎn)。首先，設(shè)

2、計(jì)了宏/微驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)，采用有限時(shí)間跟蹤法，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人快速宏運(yùn)動(dòng)的路徑規(guī)劃，采用切線法對機(jī)器人宏運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(jié)構(gòu)的精密微移動(dòng)定位單元的動(dòng)力學(xué)模型，建立了機(jī)器人微運(yùn)動(dòng)速度與微移動(dòng)定位單元一階固有頻率的優(yōu)化函數(shù)，建立了微移動(dòng)定位單元的有限元模型，并對其進(jìn)行了有限元靜力學(xué)和模態(tài)振型分析，實(shí)現(xiàn)了對微移動(dòng)定位單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，對微移動(dòng)定位單元進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，并對實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果、理

3、論計(jì)算結(jié)果以及有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對比分析。 球基微驅(qū)動(dòng)器采用了慣性摩擦驅(qū)動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)精密驅(qū)動(dòng)。首先，對慣性摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了解釋，建立金屬圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)模型。其次，根據(jù)壓電陶瓷充放電特點(diǎn)，將金屬圓盤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為三階段進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，修正了慣性摩擦驅(qū)動(dòng)的理論轉(zhuǎn)速模型，并建立了微驅(qū)動(dòng)器的逆轉(zhuǎn)模型及振動(dòng)模型。利用壓電陶瓷作驅(qū)動(dòng)元件，設(shè)計(jì)了二自由度球基微驅(qū)動(dòng)器，分析了其運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，并利用拉格朗日方程，建立了其動(dòng)力學(xué)模型，采用MATLAB

4、對其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析。建立了球基微驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)單元的有限元模型并進(jìn)行了有限元分析，為避免球基微驅(qū)動(dòng)器因高頻諧振起而失效起到了設(shè)計(jì)指導(dǎo)作用。建立了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)球基微驅(qū)動(dòng)器有限元等效模型并進(jìn)行了有限元瞬態(tài)分析，驗(yàn)證了逆轉(zhuǎn)模型的存在性。最后，對基于慣性摩擦驅(qū)動(dòng)的球基微驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了逆轉(zhuǎn)模型及振動(dòng)模型的合理性。 研制出了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對不同尺寸物體的微夾持任務(wù)。首

5、先對微夾持器單元進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立了相應(yīng)的理論模型，并對其進(jìn)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(shù)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，就理論分析結(jié)果、有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行了比較研究。 通過單元技術(shù)集成，完成了精密作業(yè)型微小型移動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)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(dòng)控制系統(tǒng)組成了完整的面向MEMS精密作業(yè)的微小型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)，順利地實(shí)現(xiàn)了Ф250μm的孔與Ф200μm的