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一种基于粘滑运动原理的微小型机器人建模与实验

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机器人 2012年第2期34卷 182-189页

作者：李伟达李娟胡海燕李满天孙立宁苏州大学机电工程学院江苏苏州215021 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室黑龙江哈尔滨150080

为实现微小型机器人的精密运动定位,提出一种基于粘滑运动原理的足式微小型机器人.机器人足由双压电膜驱动,本身为空间不等截面的弹性梁结构.首先建立了柔性足的有限自由度模型和机器人系统的动力学模型.然后根据粘滑驱动中的粘滞和滑... 详细信息

为实现微小型机器人的精密运动定位,提出一种基于粘滑运动原理的足式微小型机器人.机器人足由双压电膜驱动,本身为空间不等截面的弹性梁结构.首先建立了柔性足的有限自由度模型和机器人系统的动力学模型.然后根据粘滑驱动中的粘滞和滑移过程的不同特点,分别对粘滞过程的静力学与滑移过程的瞬态动力学进行了分析,得到了机器人运动位移、分辨力与驱动电压之间的关系,并分析了粘滞-滑移过程中摩擦力的变化以及足尖的状态切换过程.分析结果表明,在粘滞阶段,基体的静态位移与驱动电压近似呈线性关系,且随驱动电压的增高而增大;在滑移阶段,由于柔性足的振动及振动与摩擦力的耦合关系,足端的滑移距离及基体位移与驱动电压之间存在非线性关系.建立了机器人样机,对机器人的运动分辨力和位移响应进行了测试,实验数据显示,基于粘滑运动原理,机器人可以实现0.88μm的高运动分辨力.

关键词：微小型机器人粘滑原理双压电膜瞬态动力学

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一种粘滑式压电驱动器的设计与实验研究

一种粘滑式压电驱动器的设计与实验研究

作者：陈明杨广州大学

学位级别：硕士

随着生物医疗、集成电路、微电子工程、航空航天领域等先进科学技术的快速发展,对微纳米定位与驱动的需求日益增加。粘滑式压电驱动器因具有定位精度高、控制和结构简单、功耗低、工作行程大等优点,在微纳操作领域得到广泛应用。现有的... 详细信息

随着生物医疗、集成电路、微电子工程、航空航天领域等先进科学技术的快速发展,对微纳米定位与驱动的需求日益增加。粘滑式压电驱动器因具有定位精度高、控制和结构简单、功耗低、工作行程大等优点,在微纳操作领域得到广泛应用。现有的粘滑式压电驱动器由于较小的步长、回退位移以及负载能力不足限制了输出性能的进一步提高。以提高粘滑驱动器输出性能为目标,提出了一种选取柔性铰链机构为定子主体结构的粘滑式压电驱动器,利用柔性机构自身的耦合运动在水平和轴向方向同时输出位移,在粘滞阶段增加静摩擦力,在滑移阶段减小动摩擦力,从而实现对定子与滑块之间摩擦力的调节,增大滑块步进位移,改善驱动器的输出性能。主要研究内容如下:(1)介绍压电驱动技术的基础理论知识与应用,对粘滑式压电驱动器的工作原理和受力状况进行详细分析,对所选用的直圆型柔性铰链的受力和变形进行分析,设计柔性铰链机构和驱动器整体结构模型,并加工制造实验样机。(2)利用有限元软件对粘滑式压电驱动器的柔性铰链机构进行特征频率、应变及应力分析,确定在水平和轴向方向的最大输出位移,验证了所设计的柔性铰链机构能够满足频率、位移和应力要求。(3)搭建实验平台开展性能测试,研究速度特性、分辨率、最大步进位移、负载能力及驱动足位移等输出性能。测试结果表明:当锁紧力2 N和驱动频率370 Hz时,驱动器在最小启动电压6 V下获得0.028μm的位移分辨率。当锁紧力3 N和驱动频率470Hz时,驱动器在电压100 V下获得10.23 mm/s的最大速度。当锁紧力4 N和驱动频率550 Hz时,驱动器在电压100 V下有最大速度13.706 mm/s和最大步进位移24.92μm,能够在200 g水平负载范围内实现稳定直线运动。通过驱动足位移测试结果验证了柔性铰链机构实现摩擦力自调节的可行性。(4)建立粘滑式压电驱动器的动力学模型,选取适用于粘滑运动状态的Lu Gre摩擦模型分析步进运动,依据Simulink功能对运动位移、最小步进位移、滑块质量变化的运动位移进行分析,对比仿真结果与测试结果之间的误差,分析该动力学模型的合理性。本文针对粘滑式压电驱动器开展研究,通过有限元仿真验证结构设计的合理性,实验样机不仅能够在较低驱动频率下实现较大的步进位移和较大的运动速度,还保持了良好的位移分辨率,可满足大行程精密操作需求。

关键词：精密驱动粘滑原理柔性铰链机构压电驱动器

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足式粘滑压电驱动平台的设计与试验研究

足式粘滑压电驱动平台的设计与试验研究

作者：孙强吉林大学

学位级别：硕士

微纳米定位是超精密制造、生物医疗工程、航空航天工程和微电子制造业等领域的关键技术。在诸多精密定位装置中,粘滑压电驱动装置因具有定位精度高、体积小、响应速度快、工作行程大等特点,受到国内外学者的广泛研究。针对现有粘滑式压... 详细信息

微纳米定位是超精密制造、生物医疗工程、航空航天工程和微电子制造业等领域的关键技术。在诸多精密定位装置中,粘滑压电驱动装置因具有定位精度高、体积小、响应速度快、工作行程大等特点,受到国内外学者的广泛研究。针对现有粘滑式压电驱动平台难以兼具大工作行程和高负载能力的问题,本文提出驱动机构与动子一体化布局的结构,开展了足式压电驱动平台的结构设计、性能测试分析以及应用研究。论文主要工作如下:首先,基于粘滑驱动原理开展了单足压电驱动平台的结构设计与分析。利用柔度矩阵法和有限元仿真对平台柔性机构进行理论与仿真分析,获取柔性机构的放大比、最大应力和工作频率范围。研制驱动平台样机并搭建试验系统,对其输出性能进行测试分析。试验结果表明,单足压电驱动平台具有运动速度快、垂直负载能力和分辨率高的优点,且可实现稳定的双向运动,工作行程超过20cm。为分析不同因素对平台输出性能的影响规律,建立了单足压电驱动平台的动力学模型,并开展了其动力学仿真分析。其次,为提高平台的输出性能,采用柔性机构两侧对称布置结构,设计了双足压电驱动平台。搭建试验系统,研究了驱动信号的相位差、驱动频率、驱动电压等驱动参数对双足压电驱动平台输出性能的影响。试验结果表明,双足压电驱动平台在运动速度和水平负载能力方面优于单足压电驱动平台。进一步,对比分析了双足压电驱动平台在单足驱动和双足同时驱动两种驱动模式下的输出特性。最后,面向光学显微镜下精确定位的实际需求,开展了两自由度压电驱动平台的设计与分析,并开发了定位控制程序。采用两单足压电驱动平台上下垂直布置的结构布局,保证了平台在两个自由度上不存在耦合运动,并试验验证了两平台输出性能的一致性。采用粗、精两种定位控制模式,目标点可快速精确地移动到显微镜中心,满足了实际使用需求。论文研究成果为兼具大工作行程、高速和高负载能力的粘滑压电驱动平台的设计提供了新思路,有助于拓宽粘滑式压电驱动平台的实际应用。

关键词：压电平台粘滑原理柔性机构大工作行程精密定位

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粘滑压电驱动器接触力测量与主动控制

粘滑压电驱动器接触力测量与主动控制

作者：陈炜威吉林大学

学位级别：硕士

粘滑压电驱动器是目前常用的精密驱动器,具有体积小、精度高、易于控制、快速响应等特点,广泛应用于精密制造、光学工程、生物细胞工程、微纳技术等领域。针对现有粘滑压电驱动器存在的接触力测量困难、接触力与步进特性之间关系不明、... 详细信息

粘滑压电驱动器是目前常用的精密驱动器,具有体积小、精度高、易于控制、快速响应等特点,广泛应用于精密制造、光学工程、生物细胞工程、微纳技术等领域。针对现有粘滑压电驱动器存在的接触力测量困难、接触力与步进特性之间关系不明、大行程线性度差、步进特性主动调控不便等问题,本文提出了一种具有接触力测量功能的粘滑压电驱动器。基于测得的接触力,分析了接触力与步进特性的关系,实现了步进特性的主动控制,改善了驱动器大行程的运动稳定性,并利用测得的接触力实现了驱动器位移预测,为高稳定性、小型化和自感知压电驱动器的设计研制提供参考。主要研究工作如下:(1)提出了一种具有接触力测量功能的粘滑压电驱动器,分析了接触力测量原理和驱动器运动原理,利用有限元仿真研究了传感单元尺寸对其应力分布的影响,确定了传感单元的尺寸参数,并通过理论计算,建立了压电叠堆输入电压与驱动器接触力变化量之间的关系,在样机研制后,开展了传感单元标定及噪声水平测试。(2)搭建了试验平台,测试了驱动器在不同接触力下的输出性能,并建立了动力学仿真模型。研究了不同接触力条件下驱动器的频率输出特性、电压输出特性、负载输出特性和分辨率。结果表明了驱动器的输出特性受接触力影响,接触力越大,驱动速度越小,负载能力越强,启动电压越大。进一步,通过动力学仿真,分析了接触力、驱动频率和驱动电压对驱动器输出性能的影响。(3)基于上述研究,提出了一种接触力主动控制调控驱动器步进特性的方法,即控制驱动器运动过程中最大接触力恒定,在不同接触力和接触表面下,研究了主动和非主动控制时驱动器的运动稳定性,并分析了运动过程中接触力演变对驱动器输出特性的影响。结果表明,驱动器的步进特性与接触力的大小和变化趋势有关,通过主动控制接触力,可实现步进特性的主动控制,提高驱动器大行程运动的稳定性和重复性。(4)基于运动过程中驱动器接触力与步进位移的关系,提出了一种通过接触力测量来预测驱动器输出位移的方法。在不同电压条件下,研究了整段和分段标定对预测位移精度的影响,结果表明,分段标定预测位移的误差更小。在此基础上,研究了频率和负载对分段标定预测位移精度的影响,结果表明,该方法预测位移的误差均在5%以内。进一步,开发了接触力预测位移的程序,实现了驱动器输出位移的实时显示。

关键词：压电驱动器粘滑原理接触力精密驱动传感器

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粘滑压电驱动器的仿生设计与试验研究

粘滑压电驱动器的仿生设计与试验研究

作者：王馗沣吉林大学

学位级别：硕士

精密定位与驱动技术飞速发展,已广泛应用于精密制造、微纳技术、生物工程和计量学等诸多领域。压电驱动器作为精密驱动器的典型代表,具有尺寸小、结构简单、响应快和定位精度高等优点,目前已被广泛应用于精密工程领域的方方面面。粘滑... 详细信息

精密定位与驱动技术飞速发展,已广泛应用于精密制造、微纳技术、生物工程和计量学等诸多领域。压电驱动器作为精密驱动器的典型代表,具有尺寸小、结构简单、响应快和定位精度高等优点,目前已被广泛应用于精密工程领域的方方面面。粘滑压电驱动器具有结构与控制简单、加工装配方便、工作行程大等诸多优点,是压电驱动器的研究热点。然而,现有粘滑压电驱动器往往采用动子和驱动机构分离的结构,导致其实际输出位移能力受限于动子的尺寸,无法实现较大行程的位移输出,限制了其驱动性能和应用场合。因此,如何开展粘滑压电驱动器的结构创新,进而实现真正的大行程位移输出,仍是亟需学者们研究和解决的问题,也是压电驱动领域的热点和难点。针对该问题,本文着重开展以下研究工作:首先,分析了国内外在压电驱动器领域的研究进展,在此基础上,阐述了论文研究工作的背景与意义。之后,简要介绍了压电驱动技术的相关基础理论,为后续研究工作中压电元件的选型与柔性铰链的设计奠定基础。接着,模仿运动型下肢假肢结构设计了一种柔性驱动机构,并依据寄生运动和粘滑原理设计了一种驱动机构与定子固定的典型的粘滑压电驱动器。通过理论计算,得到柔性驱动机构放大比为2.855,与有限元仿真分析得到的放大比相比,误差仅为1.33%左右。制作了驱动器样机,并在不同驱动频率和驱动电压下测试了该驱动器输出特性。试验结果表明,该驱动器具有稳定性好、速度较高和回退运动较小等特点。进一步,探究了压电叠堆与动子之间的夹角θ对粘滑压电驱动器输出性能的影响。建立了理论分析模型,计算得到了寄生角α与夹角θ的关系。搭建了锁紧力测试系统,保证了试验过程中对应不同夹角θ时柔性驱动机构与动子间的锁紧力一致。然后,在固定的驱动电压(100V)和驱动频率(10Hz)下,测试了夹角θ对驱动器输出性能的影响,并结合理论分析,阐明了影响机制。试验结果表明,当夹角θ为0°时,该驱动器的输出性能最佳。在上述工作的基础上,提出了一种模仿滑滑板运动设计的粘滑压电直线驱动器。该驱动器不同于典型的粘滑压电驱动器,它的导轨作为定子,而其余结构随动子与压电叠堆一起运动。这种布局有利于驱动器实现更大的工作行程。试验结果表明,通过改变驱动电压波形,该驱动器可容易地实现正反向运动,并且其位移与时间呈现了良好的线性关系。该驱动器具有运动速度较高、运动稳定性好、回退运动小和理论上工作行程不受限制等优点。综上,在典型粘滑压电驱动器设计分析基础上,基于寄生运动、粘滑原理以及滑滑板运动过程,提出了一种仿生粘滑压电驱动器。该驱动器相比传统粘滑压电驱动器更易实现大工作行程,同时具有良好的综合输出性能,在生物工程、微纳操作、光学工程和机器人等领域有广泛的应用前景。

关键词：精密驱动仿生设计柔性铰链寄生运动粘滑原理压电驱动器