【正文】 夾鉗中壓電驅(qū)動(dòng)是最常見的驅(qū)動(dòng)方式之一。根據(jù)其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的不同，又可將其分為壓電體驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)構(gòu)微夾鉗和壓電陶瓷雙晶片驅(qū)動(dòng)微夾兩類。 壓電體驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)構(gòu)微夾鉗圖1,1所示為日本名古屋大學(xué)的Arai等人研制的壓電驅(qū)動(dòng)微夾鉗[8,9]，該夾鉗采用兩級(jí)杠桿式柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)，使用兩塊壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，用以產(chǎn)生一大一小兩種位移，150 um， um。鉗體材料為SUS 304不銹鋼，采用線切割加工，夾鉗尖端為硅梁，其上有擴(kuò)散硅壓阻力傳感器用以測(cè)量夾持力的大小，手抓接觸表面加工出許多微小椎體以減小手爪與器件的接觸面積，進(jìn)而降低表面粘滯力。 集成力傳感器的壓電驅(qū)動(dòng)微夾鉗[10]，該微夾持器采用光敏玻璃由紫外曝光技術(shù)制成，夾持力范圍幾mN～50 mN。 壓電驅(qū)動(dòng)玻璃微夾鉗(a)和(b)所示的夾持器是由意大利的MiTech實(shí)驗(yàn)室研制的壓電體驅(qū)動(dòng)微夾持器，(a)和(b)中的夾持器均采用柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)，當(dāng)壓電驅(qū)動(dòng)器加電伸長時(shí)推動(dòng)放大機(jī)構(gòu)的外懸臂梁，帶動(dòng)微夾持臂動(dòng)作，由杠桿原理，使位移量增加。(a)中的夾持器使用鎳材料，用LIGA技術(shù)制造，每個(gè)夾持臂最大位移可達(dá)250 μm，該夾持器，在兩臂上貼有半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)量夾持力，并對(duì)其控制。[11,12](b)中的夾持器采用高彈性合金()為材料，用微放電技術(shù)加工(EDM)，每個(gè)鉗臂尖端最大位移可達(dá)395 μm[13,14,15]。(a) (b) (a) LIGA鎳微夾鉗 (b) EDM高彈性合金微夾鉗 壓電陶瓷雙晶片驅(qū)動(dòng)微夾日本的Seki研制了雙懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電雙晶片微夾鉗[15]，該夾鉗采用商業(yè)化的壓電雙晶元件(Mitsubishi Kasei MPEC1: 6mm x 25mm x in thickness)，一端粘在不銹鋼基底上構(gòu)成懸臂梁，一端粘有不銹鋼尖端。根據(jù)懸臂梁的變形特點(diǎn)，分別在不銹鋼基底和壓電元件上粘有應(yīng)變片，以同時(shí)感知夾鉗位置和夾持力的大小。該夾鉗在50V電壓下指間位移到達(dá)400 μm，夾持力可達(dá)20 mN。圖 懸臂梁結(jié)構(gòu)[16]，它有兩種方式檢測(cè)力的大?。豪脡弘娋w本身檢測(cè)力，一個(gè)指尖在給電壓后產(chǎn)生變形施加力，另一個(gè)指尖在受力后變形產(chǎn)生電荷，檢測(cè)出該電荷，得到施加力的大?。涣硪环N方法是利用激光檢測(cè)指尖點(diǎn)變形得到力。圖1. 5 壓電晶體驅(qū)動(dòng)微操作手 另外，還有德國的Keoschkerjan[17]，美國的Goldfarb[18]，法國的Rabenorosoa[19],南洋理工大學(xué)的Nah[20]，也分別研制了不同結(jié)構(gòu)的壓電驅(qū)動(dòng)微夾持器，在此不詳細(xì)介紹。由于壓電陶瓷具有結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高、響應(yīng)快、無摩擦等優(yōu)點(diǎn)，故由壓電元器件驅(qū)動(dòng)的微夾鉗比較普遍．而壓電陶瓷自身的遲滯引起的非線性，增加了控制微夾鉗的困難．國內(nèi)較多采用開環(huán)控制，國外有人通過外加微位移傳感系統(tǒng)，如激光位移測(cè)量器，來構(gòu)成閉環(huán)控制。但這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，使可靠性降低。目前，適合微裝配機(jī)器人的力感知手段主要有應(yīng)變橋、壓電自感知、電容器等，但其中有些方法有較大的局限性，例如不容易與驅(qū)動(dòng)器集成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜等目前用于微夾鉗的控制系統(tǒng)主要有：視覺伺服控制系統(tǒng)和力反饋控制系統(tǒng)。 視覺伺服控制系統(tǒng)到目前為止，顯微視覺仍然是獲取微裝配信息有效可靠的手段。微操作在顯微視覺下進(jìn)行。顯微視覺提供了底層非接觸的反饋信息，能提高高精度的反饋信息。華中科技大學(xué)蔡建華等人提出了立體顯微視結(jié)構(gòu)[21]。它解決了因?yàn)楣鈱W(xué)顯微鏡結(jié)構(gòu)上的限制，傳統(tǒng)意義上的由平行雙光路構(gòu)成的立體視覺方案難以實(shí)現(xiàn)的問題。它是正交方式的雙光路立體顯微視覺結(jié)構(gòu)，由垂直和水平兩個(gè)顯微光路構(gòu)成，每個(gè)光路包括光學(xué)顯微鏡、高分辨率CCD攝像頭以及輔助光源等。兩路實(shí)時(shí)顯微圖像信息由多通道實(shí)時(shí)視頻采集卡采集，并在上位監(jiān)控機(jī)上顯示、存儲(chǔ)以及處理、識(shí)別。通過雙光路實(shí)時(shí)顯微視覺監(jiān)測(cè)，可以獲取操作對(duì)象和機(jī)械手末端執(zhí)行器的空間位置和姿態(tài)信息，為基于顯微視覺的機(jī)器人系統(tǒng)決策與控制提供依據(jù)。 力反饋控制系統(tǒng)在微力傳感器的發(fā)展方面，隨著微機(jī)械加工技術(shù)在過去二十年間的逐步成熟，各種MEMS傳感器得到了迅速發(fā)展。MEMS可以成數(shù)量級(jí)地提高器件與系統(tǒng)的功能密度、信息密度與互連密度，能大幅度地節(jié)能、節(jié)材，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的袖珍化、微型化。目前已經(jīng)利用微機(jī)械技術(shù)制造出各種微型傳感器，如力學(xué)、光學(xué)、電離輻射、熱、電磁、化學(xué)和生物、微流體等傳感器。當(dāng)前對(duì)MEMS力傳感器的研究主要限于壓阻式、壓電式、電容式和光學(xué)傳感器，而MEMS力學(xué)傳感器則形式多樣，除了上述四種原理之外，尚有隧道探測(cè)式、共振式等等。電阻應(yīng)變式傳感器以其靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低、使用維修方便，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，是研究最多、應(yīng)用最廣泛的一種力傳感器[22,23]。上文中提到的壓電驅(qū)動(dòng)微夾鉗都有用到電阻應(yīng)變式傳感器。變片通常是用金屬箔或者半導(dǎo)體材料制成。在實(shí)際的應(yīng)用中，應(yīng)變傳感器是被集成到微機(jī)械手上的。恰當(dāng)?shù)陌惭b應(yīng)變傳感器位置，能保證微力的準(zhǔn)確測(cè)量。一種是將兩對(duì)應(yīng)變片安裝在兩個(gè)夾持臂受力彎曲處，每對(duì)應(yīng)變片分布在兩側(cè)：一個(gè)受力拉伸，另一個(gè)受力壓縮，[24]。還有一種安裝方式是將應(yīng)變片安裝在微夾鉗的鉗口，[25]。這種安裝方式就常應(yīng)用在壓阻傳感器中。此外合適的安排還能實(shí)現(xiàn)多維立體的傳感器的測(cè)量。圖 微夾鉗中對(duì)稱位置的應(yīng)變傳感器圖 壓阻式傳感器中的傳感器分布加拿大多倫多大學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)技術(shù)制造的基于絕緣體上硅(SOI)的電容式微力傳感器[26]，其靈敏度高、頻帶寬、結(jié)構(gòu)尺寸小，可用于高精度、高頻響的微力測(cè)量。圖 電容微力傳感器 圖 二維PVDF微力傳感器某些材料在受到機(jī)械壓力時(shí)將產(chǎn)生電場，國內(nèi)外研制了多種基于材料的這種壓電效應(yīng)的傳感器[27,28]，[29]。微力經(jīng)過末端操作手作用在PVDF壓電膜上，產(chǎn)生電荷輸出，經(jīng)過處理電路，將微弱的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以觀測(cè)的電壓信號(hào)，從而確定輸入力的大小。由于光束偏轉(zhuǎn)的高電磁抗干擾能力和高分辨率，它在微力傳感技術(shù)中顯示了巨大的潛力，[30]。光學(xué)傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是非接觸模式下的應(yīng)用，對(duì)于整個(gè)微機(jī)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生附加的力影響作用。這項(xiàng)技術(shù)的其中一個(gè)應(yīng)用就是原子力顯微鏡(AFM)，[31]。圖 束偏轉(zhuǎn)的非接觸模式傳感技術(shù) 圖 原子力顯微鏡中的非接觸力傳感當(dāng)前，在帶力檢測(cè)控制系統(tǒng)的微夾鉗的研制方面，國外已經(jīng)取得了巨大發(fā)展。日本Yamaguchi大學(xué)研制的用于主從式的微系統(tǒng)的微機(jī)械手，利用微系統(tǒng)制作工藝制成微力傳感器，精度達(dá)到10 m/gf。加拿大British Columbia Vancouver大學(xué)研制的遙操作微機(jī)械手，采用螺線管執(zhí)行機(jī)構(gòu)或是液壓驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，通過在懸臂梁上貼半導(dǎo)體應(yīng)變片的檢測(cè)。上文中提到的法國ENSMMUFC實(shí)驗(yàn)室研制的利用壓電晶體作為驅(qū)動(dòng)的微操作手，它有兩種方式檢測(cè)檢測(cè)離得大?。豪脡弘娋w本身檢測(cè)力，一個(gè)指尖在給電壓后產(chǎn)生變形施加力，另一個(gè)指尖在受力后變形產(chǎn)生電荷，檢測(cè)出該電荷，得出施加力的大?。涣硪环N方法是利用激光檢測(cè)指尖點(diǎn)變形得到力。早稻田大學(xué)研制了一種一只臂固定，另一只臂用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的并帶有夾持力夾持的微夾鉗。目前國內(nèi)制作出基于各種驅(qū)動(dòng)原理的微夾鉗，帶力檢測(cè)控制系統(tǒng)的微夾鉗已經(jīng)處于起步階段，天津大學(xué)研制出了一種用于顯微外科手術(shù)的具有力感知的手指系統(tǒng)。在微操作的過程中，由于集成力傳感器能有效及時(shí)得獲取微力反饋信息，能實(shí)現(xiàn)高精度和可靠的控制。因此，集成力傳感器的控制系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用于微夾鉗系統(tǒng)中。比較上述兩種控制系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。視覺伺服控制系統(tǒng)，能夠有效地處理包括機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡視覺跟蹤、微裝配對(duì)象檢測(cè)與識(shí)別、微操作深度信息提取等內(nèi)容，但是在操作對(duì)象重疊、遮擋時(shí)，就顯得不足，同時(shí)視覺反饋的帶寬較窄。而力反饋控制系統(tǒng)，能夠檢測(cè)和控制夾持臂和物體間的接觸力，保證夾持臂穩(wěn)定、可靠的工作，同時(shí)可以有效防止微器件的損壞和提高裝配和操作精度，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但是不容易與驅(qū)動(dòng)器集成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜等。課題任務(wù)：已設(shè)計(jì)的一種基于雙邊且看和單邊切口直圓柔性鉸鏈的微夾鉗的單片柔順結(jié)構(gòu)，并采用了平行四邊形結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)位移放大的同時(shí)保證微夾鉗鉗口平行移動(dòng)。本課題的主要任務(wù)就是在已有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)夾持的控制系統(tǒng)。重點(diǎn)研究內(nèi)容：微力信號(hào)的檢測(cè)處理，主要包括力信號(hào)的獲取、放大、濾波、轉(zhuǎn)換和傳輸；微夾鉗PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)途徑：在微夾鉗夾持臂上集成電阻應(yīng)變片,通過檢測(cè)應(yīng)變信號(hào)同時(shí)實(shí)現(xiàn)微夾鉗的閉環(huán)控制以及夾持力的檢測(cè)。采用惠斯通半橋檢測(cè)應(yīng)變片的信號(hào)，由于共模信號(hào)很大,而差模信號(hào)很小,所以要通過高增益、低漂移的差分放大電路才能穩(wěn)定輸出電壓電壓變化，然后才能通過A/D轉(zhuǎn)換采樣，最終將采樣的數(shù)據(jù)送入上位機(jī)。通常要夾持某物先通過計(jì)算得出夾持臂應(yīng)該對(duì)物體所施加的力，通過反饋的力信號(hào)才調(diào)整輸入電壓，進(jìn)而能夠滿足力的大小的需求。PID為經(jīng)典控制策略，在精密控制中被廣泛應(yīng)用。由于要達(dá)到高的控制精度必須犧牲控制速度,因此,為了達(dá)到比較滿意的效果,引入了前饋控制環(huán)節(jié)。其中,Xout和Fout為微夾鉗夾爪期望輸出的位移和力的值，Uxin和Ufin為對(duì)應(yīng)的預(yù)輸入的電壓, Ux1和Uf1為需要補(bǔ)償?shù)碾妷?。位移傳感器和力傳感器?qū)動(dòng)電源微夾鉗夾爪PID控制器前饋控制Ux2Uf2XoutFout－＋－＋1/K1/KUxinUfinUx1Uf1圖 帶前饋控制環(huán)節(jié)的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)61 2 壓電致動(dòng)微夾鉗系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)2 壓電致動(dòng)微夾鉗系統(tǒng)構(gòu)成及結(jié)構(gòu)一個(gè)具有完備功能的微夾鉗系統(tǒng)需包含如下幾部分[32]：①功能模塊功能模塊包括：驅(qū)動(dòng)模塊（如壓電陶瓷、直線電機(jī)等）、夾持模塊等。驅(qū)動(dòng)模塊用于提供夾持力，夾持模塊用于傳遞夾持力。功能模塊是微夾鉗系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分。②傳感器集成在微夾鉗中的傳感器包括：力傳感器、位置傳感器以及感知被夾持物是否被成功夾持的傳感器等。力傳感器主要有兩個(gè)作用，一是用于測(cè)量微夾鉗與被夾持物之間的作用力，即夾持力；二是用于測(cè)量被加持物與裝配目標(biāo)（或平臺(tái)、容器等）之間的碰撞力。力傳感器可以用于感知被夾持物是否已被成功夾持。位置傳感器主要用于測(cè)量微夾鉗夾爪位置，以保證微夾鉗順利地完成夾持任務(wù)。位置的測(cè)量也可由微裝配系統(tǒng)中的視覺伺服系統(tǒng)完成。③電子/信號(hào)處理模塊電子/信號(hào)處理模塊包括：傳感器信號(hào)處理單元，驅(qū)動(dòng)器控制單元等。傳感器信號(hào)處理單元包括傳感器供電，信號(hào)的放大，濾波，A/D轉(zhuǎn)換等電路，例如：用于應(yīng)變式傳感器的惠斯通電橋電路等。驅(qū)動(dòng)器控制單元是用于驅(qū)動(dòng)模塊供電、控制的單元，例如：用于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的高壓驅(qū)動(dòng)電源等。④輔助模塊輔助模塊主要包括一些機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝裝置，例如：用于固定微夾鉗結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)器的安裝底座，驅(qū)動(dòng)器與夾持模塊的連接結(jié)構(gòu)等。用于微夾鉗常見的驅(qū)動(dòng)方式有：壓電驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)、電熱驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)等。在第一章中已經(jīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了綜述。由于壓電驅(qū)動(dòng)具有位移分辨率高、響應(yīng)速度快、輸出力大，換能效益高等優(yōu)點(diǎn)，因此本文選用壓電疊堆執(zhí)行器作為微夾鉗的驅(qū)動(dòng)器。 國產(chǎn)PTBS200壓電陶瓷微致動(dòng)器 國產(chǎn)PTBS200壓電陶瓷微致動(dòng)器技術(shù)指標(biāo)型 號(hào)外形尺寸(mm)標(biāo)稱位移(μm at 150V)10%最大位移(μm at 200V)10%最大推力(N)剛度(N/μm)靜電容量(μF)20％PTBS200/5 5/185518182370040微夾鉗夾持方式和微夾鉗的驅(qū)動(dòng)方式是兩個(gè)不同的概念。微夾鉗的夾持方式是按照微夾鉗與被夾持物之間的作用力的不同來劃分的，這些作用力有：摩擦力、氣壓力、電磁力、靜電力、低溫凍結(jié)粘附力、表面張力、范德華力、超聲壓力、光壓力、伯努力效應(yīng)等[33]。一般一種夾持方式需采用一種驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，有些夾持方式可采用多種驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，例如采用摩擦力夾持物體的微夾鉗可采用靜電、壓電、電熱等多種驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)。利用微夾鉗與被夾持物之間的摩擦力來夾持物體是最常見的方式，這種夾鉗一般具有兩個(gè)或多個(gè)手爪。利用摩擦力夾持物體的微夾鉗一般要求被夾持物體至少有兩個(gè)接觸面，對(duì)被夾持物材料特性、尺寸及操作環(huán)境等無特殊要求，可夾持非常小的物體，但在釋放物體時(shí)需考慮克服粘附力，一般需采用力反饋控制以防止損壞易碎物體。目前，絕大多數(shù)的微夾鉗均采用這種夾持方式。真空吸附式微夾鉗是利用氣壓差產(chǎn)生吸附力來夾持物體。這種方式優(yōu)點(diǎn)是可用于非常薄的物體，－ N/mm2。這種方式操作精度相對(duì)較低，且不能用于夾持多孔物體，也不能在真空下操作。聲壓是大氣壓受到聲波擾動(dòng)而產(chǎn)生壓強(qiáng)變化，因此可以利用這個(gè)壓強(qiáng)變化來夾持物體。伯努力效應(yīng)是指由于流體速度發(fā)生變化而在物體與流體接觸的界面上壓強(qiáng)也隨之變化的現(xiàn)象。這兩種夾持方式實(shí)質(zhì)上都是利用氣壓差產(chǎn)生的力來夾持物體的。利用液體凍結(jié)產(chǎn)生的吸附力可以完成對(duì)微小物體的操作，吸附力可達(dá)1N/mm2，但是夾持－釋放周期較長，不利于快速裝配與操作。利用電磁力夾持物體的微夾鉗要求被夾持物為磁性材料，不能適用于所有材料的物體。利用靜電力夾持物體的微夾鉗要求被夾持物為導(dǎo)電材料，適用的材料范圍也和有限，且要求周圍環(huán)境濕度不能太高，更不能在水中操作，穩(wěn)定性也不好。由于表面張力和范德華力不可控制，因此利用這些力夾持物體的微夾鉗可靠性不高，操作中存在很多問題。光壓所能提供的操作力很小(－10 pN)，且非常不可靠。 摩擦力 氣壓力 電磁力 靜電力 液體凍結(jié)粘附力 表面張力 范德華力 伯努力效應(yīng) 聲壓 光壓綜上所述，利用摩擦力夾持物體的夾持方式可提供的夾持力的范圍最廣，可以夾持物體的尺寸范圍最大，而且對(duì)被夾持物體的材料沒有特殊限制，對(duì)操作環(huán)境也沒有特別要求，操作精度和可靠性也相對(duì)