【正文】 2 壓電陶瓷雙晶片驅(qū)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(gòu)成及結(jié)構(gòu) 11 11 11 13 13 16 18 19 本章小結(jié) 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(shè)計 36 36 36 37 38 41 41 42 45 引言 45 46 PID控制 46 505 全文總結(jié)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(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)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(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。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，故由壓電元器件驅(qū)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。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。國內(nèi)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(shè)計的SMA環(huán)狀微夾持器[2]，按設(shè)計給出的閉合半徑r0彎曲成閉合圓，制成環(huán)狀微夾鉗。在細胞操作中大量應(yīng)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(jié)構(gòu)，針尖長度30～80 mm，~，針尖外徑Φ60~Φ90 μm，內(nèi)徑Φ30~Φ60 μm。根據(jù)其驅(qū)動結(jié)構(gòu)的不同，又可將其分為壓電體驅(qū)動的柔性機構(gòu)微夾鉗和壓電陶瓷雙晶片驅(qū)動微夾兩類。根據(jù)懸臂梁的變形特點，分別在不銹鋼基底和壓電元件上粘有應(yīng)變片，以同時感知夾鉗位置和夾持力的大小。微操作在顯微視覺下進行。MEMS可以成數(shù)量級地提高器件與系統(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，實現(xiàn)產(chǎn)品的袖珍化、微型化。一種是將兩對應(yīng)變片安裝在兩個夾持臂受力彎曲處，每對應(yīng)變片分布在兩側(cè)：一個受力拉伸，另一個受力壓縮，[24]。光學(xué)傳感器的主要優(yōu)點是非接觸模式下的應(yīng)用，對于整個微機構(gòu)不會產(chǎn)生附加的力影響作用。在微操作的過程中，由于集成力傳感器能有效及時得獲取微力反饋信息，能實現(xiàn)高精度和可靠的控制。實現(xiàn)途徑：在微夾鉗夾持臂上集成電阻應(yīng)變片,通過檢測應(yīng)變信號同時實現(xiàn)微夾鉗的閉環(huán)控制以及夾持力的檢測。功能模塊是微夾鉗系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分。驅(qū)動器控制單元是用于驅(qū)動模塊供電、控制的單元，例如：用于壓電陶瓷驅(qū)動器的高壓驅(qū)動電源等。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或多個手爪。這兩種夾持方式實質(zhì)上都是利用氣壓差產(chǎn)生的力來夾持物體的。[34]①柔順機構(gòu)力/位移傳遞機構(gòu)力/位移傳遞機構(gòu)設(shè)計用于傳遞驅(qū)動器提供的力和位移。MEMS加工的平面特性和尺度限制使得零件的安裝很困難，給構(gòu)造微型機械裝置帶來一系列的挑戰(zhàn)，柔順機構(gòu)則給出了許多解決這些問題的答案。對于切口型柔性鉸鏈，根據(jù)切口的形狀又可分為直圓型（Right circular flexure (c)、(d)）和橢圓型（Elliptical flexure (b)）。對于微小變形，遠小于1，因此式()可寫為： ()梁的變形量或轉(zhuǎn)角為 ()雙邊直圓柔性鉸鏈剛度的簡化公式可寫為： ()式中，E為材料的楊氏模量，r和t分別代表柔性鉸鏈的切割半徑和厚度，b代表柔性鉸鏈的寬度。其輸入輸出關(guān)系不容易用解析法得到，可以由有限元軟件仿真得到。為了方便在平行四邊形機構(gòu)的柔性鉸鏈上布置位移傳感器，本文采用單邊直圓柔性鉸鏈（(b)所示）。(a)中，AAA3和A4是單邊切口柔性鉸鏈，BBC和D是雙邊切口柔性鉸鏈。兩個位置的應(yīng)變片分別實現(xiàn)力和位移的檢測，通過檢測的力和位移可以實現(xiàn)微夾鉗的力與位移反饋控制。由于粘附力大于重力，這樣就造成了夾鉗在微操作過程中不能正常釋放物體，[8]。夾爪移動或變形可通過位置傳感器得到，夾持力通常通過測量夾爪移動或變形間接測得。通常金屬絲的靈敏系數(shù)左右。如圖所示為Entran Device 公司的半導(dǎo)體電阻式應(yīng)變片。當(dāng)電橋激勵電壓為6V，電橋連接方式為差動電橋(即n＝2)，夾持力為50 mN時，由式()計算得電橋輸出電壓V59 mV。應(yīng)變式力傳感器的重復(fù)性偏差。這里講的是用階躍輸入和其響應(yīng)輸出來確定被研究對象的傳遞函數(shù)。A=a*。Q(m,1)=10*((m*)^2)。輸入的信號為0~5Hz頻率逐漸增大的正弦波信號。粘附力主要包括：范德華力、表面張力、靜電力等。該壓電微夾鉗的控制量是電壓V，反饋信號是夾持臂的應(yīng)變信號ε。甚至當(dāng)電源關(guān)閉，已經(jīng)充電的壓電陶瓷驅(qū)動器也不會立即卸荷，而是經(jīng)過較長的時間（1小時）才恢復(fù)到初始位置。包括放大、濾波、零偏校正電路。在性能上，AD620芯片要比相同原理的三片放大器放大電路要優(yōu)越很多，誤差相對較小。在濾波器的設(shè)計中，濾波器階數(shù)的選擇很重要，階數(shù)越高，幅頻特性越平緩，濾波效果越好，但同時延遲越明顯，降低了信號的實時性。定義應(yīng)變電路的非線性度為 ()式中 為最大非線性誤差；為電路的最大輸出電壓。測得的紋波電壓， mV，放大倍數(shù)為200時紋波電壓小于13 mV。 前饋控制Fig. Feedforward control前饋控制是將擾動信號經(jīng)前饋控制器處理后用以消除擾動對系統(tǒng)被調(diào)量的影響，它是按擾動進行的補償控制，所以前饋控制又叫作擾動補償，擾動補償屬于開環(huán)控制，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性無影響。對一個控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化超前，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。二是工程整定方法，例如參數(shù)歸一法和試湊法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，方法簡單、易于掌握，但是這種方法需要做大量的實驗，耗時過長。控制系統(tǒng)包括惠斯通電橋、信號處理電路、dSPACE和主機幾部分。通過返回的應(yīng)變信號來決定電壓大小。②應(yīng)變信號處理電路的改進，設(shè)計放大、濾波、零偏校正電路組成應(yīng)變信號處理電路，其性能并不是最佳，設(shè)計出更好的信號處理電路將會提高整個系統(tǒng)的精度。感謝XX師兄的細心地指導(dǎo)與無私的幫助，正是在他耐心的指點和引導(dǎo)下，我才能順利圓滿地完成我的畢業(yè)設(shè)計，我從他那里學(xué)到了很多東西，讓我受益匪淺。王老師主張標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和與國際接軌，鼓勵我們多寫多用英文，目的是著眼于世界范圍內(nèi)的學(xué)術(shù)交流與競爭，這一點讓我尤為敬佩和受益。本文針對微夾鉗的夾持臂位移模型以及控制方法進行了研究，但是無論是夾持臂位移模型以及控制方法都還有很多的問題沒有圓滿的解決。而判斷是否接觸到微小物體并且產(chǎn)生了多大的力，我們是通過檢測應(yīng)變得出的。 臨界振蕩法參數(shù)設(shè)置表調(diào)節(jié)方式PPIPID③1 /4衰減振蕩法同臨界振蕩法一樣, 所不同的是調(diào)節(jié)Kp 使系統(tǒng)出現(xiàn)1 /4振蕩，此時的控制器的臨界比例度δ，振蕩周期為T。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。這一控制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。 同輸入時不同放大倍數(shù)與輸出電壓的關(guān)系②紋波為考量電路的穩(wěn)定性，對信號處理電路進行了紋波電壓測試。對開發(fā)的應(yīng)變檢測電路進行實驗測試，通過改變應(yīng)變信號的大小以及整個處理電路的放大倍數(shù)來分析電路的性能。 low offset voltage of 50 max.。而且由于UU2選用相同特性的運放，所以他們的共模輸出電壓和漂移電壓也都相同，再通過U3組成的差分放大電路，可以互相抵消，所以該放大電路又具有很強的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓。由于共模信號很大（），而差模信號很?。ā?0mV），所以要通過高增益、低漂移的差分放大電路才能把電壓變化穩(wěn)定在（0～10V）內(nèi)，這樣才適合A/D轉(zhuǎn)換芯片采樣。陶瓷材料的電阻值很高（10MΩ），工作過程中只有很小的漏電流。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 微夾鉗的控制系統(tǒng)設(shè)計4 微夾鉗的控制系統(tǒng)設(shè)計該微夾鉗系統(tǒng)要能產(chǎn)生理想的位移和適中的夾持力，控制合適的驅(qū)動電壓是關(guān)鍵。但與傳統(tǒng)的宏裝配不同的是當(dāng)被夾持物的幾何尺寸小于1 mm時，微夾鉗和被夾持物之間的粘附力將大于被夾持物的重力，成為主要作用力。這種方法的原理和數(shù)據(jù)處理比較簡單，測試精度比時域法高，但測試工作量大。Q=zeros(600:3)。a(m)=sum(s(1:m))。時域測定的主要過程是對被測系統(tǒng)或?qū)ο笤谳斎攵耸┘与A躍擾動輸入信號，而在輸出端測繪其輸出量隨時間變化的相應(yīng)曲線；或者施加脈沖輸入，測繪輸出的脈沖響應(yīng)曲線，再對響應(yīng)曲線的結(jié)果進行分析，確定被研究對象的傳遞函數(shù)。應(yīng)變片輸出信號與驅(qū)動電壓之間亦呈現(xiàn)遲滯特性關(guān)系，應(yīng)變片輸出信號可以正確反映夾爪的位移信號。該本文開發(fā)的微夾鉗中懸臂梁的尺寸分別為：L=6 mm，b= mm，h= mm，懸臂梁材料為鈦合金，彈性模量E=117 Gpa。微夾鉗中的應(yīng)變式力傳感器一般是將金屬應(yīng)變片或半導(dǎo)體應(yīng)變片粘貼在一段柔性梁上構(gòu)成。金屬或半導(dǎo)體電阻受軸向拉力時，將伸長，橫截面積響應(yīng)減小，電阻率因晶格變化等因素的影響而改變，故引起電阻值變化，則有：。為了得到微夾鉗夾爪與被夾持物之間的相對位置，更加可靠地完成微操作任務(wù)，還常常需要集成位移傳感器。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 力與位置傳感器3 力與位置傳感 粘附力及其克服方法微裝配與微操作過程中，微夾鉗最基本的功能是夾持、保持和釋放被操作物體。微夾鉗采用應(yīng)變式傳感器(HU1011K)實現(xiàn)位移和力的傳感，其中實現(xiàn)力傳感的應(yīng)變片粘貼在與夾爪相連的柔性梁上。前端夾爪通過一段柔性梁結(jié)構(gòu)與平行四邊形機構(gòu)相連。，在距離A點x處的力F作用下，桿BC在力F方向上產(chǎn)生位移d，在其垂直方向上長生誤差位移。(b)所示的杠桿機構(gòu)的輸出位移與輸入位移方向相同，為同向驅(qū)動。(a) (b)(c) (d) Types of single axis flexure hinges used in microgrippers: (a) the leaf spring, (b) the elliptically filleted, (c) the doublenotch rightcircular filleted, and (d) the singlenotch rightcircular filleted.Paros 和Weisbord [45]最先對柔性鉸鏈進行了研究，他們利用梁的伯努力－歐拉(BernoulliEuler, BE)方程建立了單軸雙邊切口直圓柔性鉸鏈的剛度模型。柔性鉸鏈有單軸、雙軸和多軸之分，這里僅討論單軸柔性鉸鏈。柔順機構(gòu)的另一個優(yōu)點是很容易實現(xiàn)微型化。 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，而且對被夾持物體的材料沒有特殊限制，對操作環(huán)境也沒有特別要求，操作精度和可靠性也相對較高，因此利用摩擦力的夾持方式應(yīng)用范圍非常廣泛，也是應(yīng)用最普遍的一種夾持方式。聲壓是大氣壓受到聲波擾動而產(chǎn)生壓強變化，因此可以利用這個壓強變化來夾持物體。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]。③電子/信號處理模塊電子/信號處理模塊包括：傳感器信號處理單元，驅(qū)動器控制單元等。位移傳感器和力傳感器驅(qū)動電源微夾鉗夾爪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 壓電致動微夾鉗系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)2 壓電致動微夾鉗系統(tǒng)構(gòu)成及結(jié)構(gòu)一個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)動模塊（如壓電陶瓷、直線電機等）、夾持模塊等。本課題的主要任務(wù)就是在已有的設(shè)計基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)夾持的控制系統(tǒng)。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)動的并帶有夾持力夾持的微夾鉗。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，將微弱的電荷信號轉(zhuǎn)換為可以觀測的電壓信號，從而確定輸入力的大小。在實際的應(yīng)用中，應(yīng)變傳感器是被集成到微機械手上的。通過雙光路實時顯微視覺監(jiān)測，可以獲取操作對象和機械手末端執(zhí)行器的空間位置和姿態(tài)信息，為基于顯微視覺的機器人系統(tǒng)決策與控制提供依據(jù)。目前，適合微裝配機器人的力感知手段主要有應(yīng)變橋