【正文】 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 中文摘要壓電致動微夾鉗夾爪位置控制系統(tǒng)設計學 生：XXX學 號：XXX指導教師：XXX助理指導教師：XXX 專 業(yè)：測控技術與儀器二O一零年六月IV重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 中文摘要Design on the position control system of a piezoelectrically driven monolithic microgripperUndergraduate: Du ShushuaiSupervisor: Prof. Wang Dai HuaAssistant Supervisor: Dong HaominMajor: Measuring and Control Technology amp。 InstrumentsThe College of Optoelectronic EngineeringJune 2010摘 要微裝配機器人在微零件裝配、微機電系統(tǒng)(MEMS)、精密光學等領域有著廣泛的應用前景。而微夾鉗作為微裝配機器人的末端執(zhí)行器，直接決定機器人的工作效果。由于壓電陶瓷具有結構緊湊、分辨率高、響應快、無摩擦等優(yōu)點，故由壓電元器件驅動的微夾鉗比較普遍。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。本章針對這一困難提出并研究了帶前饋補償和PID的位移閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，利用微夾鉗位移模型前饋補償控制補償壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯，通過PID反饋控制實現(xiàn)對微夾鉗夾持的閉環(huán)控制，以彌補模型誤差和不可測量的干擾。本文的主要研究工作和成果包括：①針對理論上難以建立微夾鉗位移模型，通過實驗的測試，得出壓電陶瓷執(zhí)行器的驅動電壓與微夾鉗夾持臂的輸出位移間的關系，再通過最小二乘辨識或者MATLAB的系統(tǒng)辨識功能來建立位移模型。最后對位移傳感器進行位移標定。②為實現(xiàn)微夾鉗夾持臂位移的控制，本文設計了包括惠斯通電橋、應變信號處理電路、dSPACE和主機四大部分的微夾鉗控制系統(tǒng)，完成了包括放大、濾波、零偏校正電路組成應變信號處理電路的設計。通過實驗評估，結果表明應變信號處理電路具有較好的性能。③針對壓電執(zhí)行器的遲滯現(xiàn)象，本文提出并研究了帶前饋控制環(huán)節(jié)和PID的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，利用已得到的傳遞函數(shù)在MATLAB中采用ZieglerNichols法仿真得到PID控制器的參數(shù)，簡化了參數(shù)整定過程。關鍵詞：微裝配與微操作，微夾鉗，力/位置控制，位移模型，前饋補償，PID控制 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） ABSTRUACTABSTRACTMicroassembly robot is demanding in various fields, such as microparts assembly, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)and precise optical projects. As the endeffector of microassembly robot, Microgripper directly determine the effectiveness of robots. As the piezoelectric ceramic actuator has a pact structure, high resolution, fast response, nonfriction, etc., the microgripper with piezoelectric actuation are mon. The piezoelectric ceramic actuators present the strong hysteresis nonlinear relationship between output displacement and driving voltage, which lets the control for the piezoelectric ceramic actuators be difficult. In this dissertation, aiming at this difficulty, the closed loop feedback control system with feedforward pensation and PID feedback is proposed and studied for microgripper which make pensation for the strong hysteresis relationship between output displacement and driving voltage by the feedforward pensation and realize the closed loop feedback control system with the PID feedback to make Compensate for model error and immeasurability interference.The major research works pleted in this dissertation include:①Aiming at that it is difficult to establish the displacement model of microgripper in theory, the relationship between output displacement and driving voltage of the piezoelectric ceramic actuator is fixed through experiments. Then the displacement model is established through the least squares system identification or recognition MATLAB function. Finally, the displacement of sensor is calibrated.②In order to realize the displacement control of the microgipper arms, the microgripper control system which consists of the Wheatstone bridge, strain signal processing circuit, dSPACE and host puter is designed. The strain signal processing circuit consists of amplifier, filter, zerooffset correction circuit is proposed and studied. The research results show that the strain signal processing circuit has good performance through experimental analysis. ③ In this dissertation, aiming at the hysteresis nonlinear relationship between output displacement and driving voltage of the piezoelectric ceramic actuator, the closed loop feedback control system with feedforward pensation and PID feedback is proposed and studied. Basing on fixing the displacement function, the PID parameters is tuned by using Ziegler Nichols Act in MATLAB, which simplify the process of parameter tuning. Keywords: microassembly and microoperation, microgripper, force/position control, displacement model, feedforward pensation, PID controlIII重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 目錄目 錄中文摘要 IABSTRACT II1 緒論 1 引言 1 微夾鉗的發(fā)展現(xiàn)狀 1 2 壓電體驅動的柔性機構微夾鉗 2 壓電陶瓷雙晶片驅動微夾 4 5 視覺伺服控制系統(tǒng) 6 力反饋控制系統(tǒng) 6 92 壓電致動微夾鉗系統(tǒng)構成及結構 11 11 11 13 13 16 18 19 本章小結 213 力與位置傳感 22 粘附力及其克服方法 22 23 24 27 30 30 33 35 354 微夾鉗的控制系統(tǒng)設計 36 36 36 37 38 41 41 42 45 引言 45 46 PID控制 46 505 全文總結與展望 51 本文的主要研究工作 51 51致 謝 53參考文獻 54V重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 1 緒論1 緒論 引言微裝配機器人在微零件裝配、微機電系統(tǒng)(MEMS)、精密光學等領域有著廣泛的應用前景。而微夾鉗作為微裝配機器人的末端執(zhí)行器，直接決定機器人的工作效果。它在微機械零件的加工、裝配、生物工程和光學等領域均有很好的應用前景。研究具有微感知功能的微夾鉗是微裝配機器人研究中的一個重點和難點。目前，國內外正在研究的微夾鉗多種多樣，根據(jù)驅動方式、結構、材料和工藝等的不同有著不同的分類方法，由于驅動方式直接決定了夾鉗主體的結構尺寸和性能，進而決定了材料和加工工藝的選擇，因此驅動方式在微夾鉗設計中占有主要地位，決定夾鉗的夾持力的大小和夾持范圍的大小，是微夾鉗設計的關鍵。實際上，在過去的十幾年中，微驅動器的發(fā)展主宰并推動著微夾鉗的發(fā)展，微驅動器要么集成在微夾鉗系統(tǒng)中作為微夾鉗的一部分提供驅動力，要么本身直接作為微夾鉗主體。 微夾鉗的發(fā)展現(xiàn)狀根據(jù)驅動方式的不同，微夾持器可分為：壓電夾持、靜電夾持、電熱夾持、電磁夾持、真空夾持、粘附材料夾持和形狀記憶效應夾持等。美國Kim等人研制的基于IC工藝的靜電驅動微夾持器[1]。該夾持器由表面硅工藝制作，采用了梳狀電容結構，主體部分由多晶硅構成，厚2 μm，最大長度500 μm，在20 V電壓下微夾持臂位移量為10 μm。國內外研制了多種基于形狀記憶合金SMA的微夾持器，中國長春光機所根據(jù)變徑圓原理設計的SMA環(huán)狀微夾持器[2]，按設計給出的閉合半徑r0彎曲成閉合圓，制成環(huán)狀微夾鉗。其它基于熱驅動的微夾持器包括外置熱源式微夾持器、內置熱源式微夾持器以及用形狀記憶合金薄膜與硅制作的微夾持器[3,4]。加拿大研制了一種微細工藝制作的U型電磁驅動器[5]。與傳統(tǒng)的鐵芯－銅線繞制的微驅動器不同，該驅動器采用微細加工工藝制作。，集成了3200匝線圈， mW。以上是幾種典型的微夾持器，各有優(yōu)缺，清華大學研制的組合式微夾持器，它將不同的驅動原理與結構相結合，以期達到揚長避短的目的。除了基于上述驅動方式的微夾持器之外，SLM公司開發(fā)了一套激光夾持系統(tǒng)[6]。德國夫朗霍費生產技術與自動化研究所研制出一種用用酒精作為粘附液的粘附夾持方案[7]。在細胞操作中大量應用了真空吸附的方式實現(xiàn)微夾持，中科院上海光機所研制的吸附針尖結構，針尖長度30～80 mm，~，針尖外徑Φ60~Φ90 μm，內徑Φ30~Φ60 μm。針尖處有一與針管中心線成30176?！?5176。角的端面，作為吸附的接觸面。表 微夾持器特征及特點分類結構特征特點靜電驅動平板電容驅動驅動力相對較大，位移小，控制難，IC兼容性好梳狀電容驅動驅動力與位移無關，位移大，驅動力小，IC兼容性好壓電驅動壓電體驅動位移小，通常與放大結構配合使用，驅動力大，難以與IC工藝兼容，體積大，驅動電壓高壓電薄膜驅動位移小，通常與放大結構配合使用，驅動力大，難以與IC工藝兼容，體積大，驅動電壓高熱驅動記憶合金驅動力大，變形量大，難以與IC工藝兼容記憶合金薄膜/硅結構驅動力大，變形量大，體積小，IC兼容性好電磁驅動內置電磁元件驅動力較大，變形量較大，體積大，不與IC工藝兼容外置電磁元件驅動力較小，體積小，IC兼容性好以上列舉的是MEMS領域研制的幾種典型微夾持器。不難看出現(xiàn)有的微夾持器還不能完全滿足微操作、微裝配的要求。主要的問題在于是微夾持器的微型化、集成化、以及智能化等，這是亟需解決的問題壓電陶瓷具有響應速度快，分辨率高等優(yōu)點，因此在國內外出現(xiàn)的微