微小管道機器人用慣性式壓電執(zhí)行器的研究.pdf

1、微機器人是在微細(xì)加工技術(shù)和微型機械電子產(chǎn)品基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的一個多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，是微機電系統(tǒng)發(fā)展的高級形式。微執(zhí)行器、微傳感器、微能源和控制系統(tǒng)的高度集成是微機器人發(fā)展的趨勢。微執(zhí)行器的研究，一直是微機械發(fā)展的關(guān)鍵，并在一定程度上標(biāo)志著一個國家微機械發(fā)展水平。 本文在國家自然科學(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)計了一種微小管

2、道機器人用慣性式壓電執(zhí)行器。該執(zhí)行器由主體和四個彈性足構(gòu)成，主體是一個質(zhì)量棒，彈性足相當(dāng)于復(fù)合壓電雙晶片懸臂梁。執(zhí)行器在不對稱鋸齒波電壓驅(qū)動下利用慣性力與最大靜摩擦力之間的動態(tài)關(guān)系運動。其結(jié)構(gòu)簡單獨特，驅(qū)動方式簡便，能根據(jù)指令靈活地實現(xiàn)前進(jìn)與后退等運動。 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)值計算分析了外力或電壓變化時，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。通過實驗及理論驗證了夾層參數(shù)對輸出位移的影響，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執(zhí)行器性能的影響，建立了執(zhí)行器的動力學(xué)模型，用13個系統(tǒng)參數(shù)表征了執(zhí)行器的運動狀態(tài)。構(gòu)建了執(zhí)行器運動性能與系統(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)動電壓參數(shù)下執(zhí)行器的運動狀態(tài)，可以得到執(zhí)行器運動速度與各參數(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)對微粒群算法的影響。計算表明，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，這種算法概念簡單，容易實現(xiàn)，計算量小。 研制了兩種規(guī)格的執(zhí)行器；設(shè)計了以高壓運放3583為核心的驅(qū)動電源及為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)載實驗