【正文】 密機(jī)械、精密測量、微米/納米技術(shù)等領(lǐng)域構(gòu)成高精度定位機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)。柔順機(jī)構(gòu)的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在兩方面：降低成本（減少零件數(shù)目，減少裝配時(shí)間，簡化制造過程）和提高性能（提高精度，增加可靠性，減少摩損，減輕重量，減少維護(hù)）。光壓所能提供的操作力很小(－10 pN)，且非常不可靠。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。 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。位置的測量也可由微裝配系統(tǒng)中的視覺伺服系統(tǒng)完成。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)碾妷骸Ｕn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)。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，它有兩種方式檢測檢測離得大?。豪脡弘娋w本身檢測力，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，檢測出該電荷，得出施加力的大小；另一種方法是利用激光檢測指尖點(diǎn)變形得到力。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]。變片通常是用金屬箔或者半導(dǎo)體材料制成。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。但這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，使可靠性降低。(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)變片測量夾持力，并對(duì)其控制。表 微夾持器特征及特點(diǎn)分類結(jié)構(gòu)特征特點(diǎn)靜電驅(qū)動(dòng)平板電容驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力相對(duì)較大，位移小，控制難，IC兼容性好梳狀電容驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力與位移無關(guān)，位移大，驅(qū)動(dòng)力小，IC兼容性好壓電驅(qū)動(dòng)壓電體驅(qū)動(dòng)位移小，通常與放大結(jié)構(gòu)配合使用，驅(qū)動(dòng)力大，難以與IC工藝兼容，體積大，驅(qū)動(dòng)電壓高壓電薄膜驅(qū)動(dòng)位移小，通常與放大結(jié)構(gòu)配合使用，驅(qū)動(dòng)力大，難以與IC工藝兼容，體積大，驅(qū)動(dòng)電壓高熱驅(qū)動(dòng)記憶合金驅(qū)動(dòng)力大，變形量大，難以與IC工藝兼容記憶合金薄膜/硅結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力大，變形量大，體積小，IC兼容性好電磁驅(qū)動(dòng)內(nèi)置電磁元件驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)力較小，體積小，IC兼容性好以上列舉的是MEMS領(lǐng)域研制的幾種典型微夾持器。以上是幾種典型的微夾持器，各有優(yōu)缺，清華大學(xué)研制的組合式微夾持器，它將不同的驅(qū)動(dòng)原理與結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以期達(dá)到揚(yáng)長避短的目的。 微夾鉗的發(fā)展現(xiàn)狀根據(jù)驅(qū)動(dòng)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(yīng)夾持等。通過實(shí)驗(yàn)評(píng)估，結(jié)果表明應(yīng)變信號(hào)處理電路具有較好的性能。 InstrumentsThe College of Optoelectronic EngineeringJune 2010摘 要微裝配機(jī)器人在微零件裝配、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、精密光學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本文的主要研究工作和成果包括：①針對(duì)理論上難以建立微夾鉗位移模型，通過實(shí)驗(yàn)的測試，得出壓電陶瓷執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)電壓與微夾鉗夾持臂的輸出位移間的關(guān)系，再通過最小二乘辨識(shí)或者M(jìn)ATLAB的系統(tǒng)辨識(shí)功能來建立位移模型。研究具有微感知功能的微夾鉗是微裝配機(jī)器人研究中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。加拿大研制了一種微細(xì)工藝制作的U型電磁驅(qū)動(dòng)器[5]?！?5176。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。圖 懸臂梁結(jié)構(gòu)[16]，它有兩種方式檢測力的大?。豪脡弘娋w本身檢測力，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，檢測出該電荷，得到施加力的大??；另一種方法是利用激光檢測指尖點(diǎn)變形得到力。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]。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，尚有隧道探測式、共振式等等。這種安裝方式就常應(yīng)用在壓阻傳感器中。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。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)。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。力傳感器主要有兩個(gè)作用，一是用于測量微夾鉗與被夾持物之間的作用力，即夾持力；二是用于測量被加持物與裝配目標(biāo)（或平臺(tái)、容器等）之間的碰撞力。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。目前，絕大多數(shù)的微夾鉗均采用這種夾持方式。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。傳統(tǒng)剛性機(jī)構(gòu)是由運(yùn)動(dòng)副連接的剛性桿件組成的。②柔性鉸鏈鉸鏈只允許連接在一起的兩構(gòu)件之間繞某一軸線作現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而不允許在其他軸線上有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)或在任何方向上有相對(duì)移動(dòng)。片簧式柔性鉸鏈因其結(jié)構(gòu)簡單、加工容易且轉(zhuǎn)動(dòng)范圍大，在微夾鉗的結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用[10, 13, 3541]，但由于轉(zhuǎn)動(dòng)中心在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中有明顯的偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)精度較差。(a) (b) 直圓柔性鉸鏈：(a)雙邊切口和(b)單邊切口Yang等人[46]給出了單邊切口柔性鉸鏈的彎曲剛度，表示為 ()式()成立的條件同樣是柔性鉸鏈厚度t遠(yuǎn)小于切割半徑r。 平面四桿機(jī)構(gòu)，已知桿長a、b、c、d及主動(dòng)桿AB的轉(zhuǎn)角，對(duì)于給定的輸入角變化，可求出輸出角的變化，其角度放大倍數(shù)為 ()將以上幾種放大機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)動(dòng)副用單軸柔性鉸鏈替代便構(gòu)成柔順放大機(jī)構(gòu)。(a)，基于單片柔順機(jī)構(gòu)的微夾鉗主要包括單片柔順機(jī)構(gòu)、壓電疊堆執(zhí)行器（PTBS200/ 5 5/18）、基座、蓋板、擋板以及應(yīng)變式位移/力傳感器。AAAABBC、D各鉸鏈的切割半徑分別用、和表示，各柔性鉸鏈的厚度分表用、和表示。蓋板僅起保護(hù)作用，沒有其他功能。不同尺寸的SiO2球和Si平板之間的粘附力與SiO2球的重力的比較，尺寸越小，這些力的作用越明顯當(dāng)被夾持物的尺寸很小時(shí)，雖然有些微夾鉗借助這些表面作用力來夾持物體，但是這些力是不可控的，它們對(duì)微操作過程的不利影響遠(yuǎn)大于它們的積極作用。在第一章中已經(jīng)介紹過。半導(dǎo)體材料的一般在50～100，可近似認(rèn)為，則半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)。(a)所示為端部受力的懸壁梁，其撓曲線方程 ()式中I為懸臂梁的慣性矩，E為材料的彈性模量。 mN時(shí)，懸臂梁所受應(yīng)變情況。 位置傳感器電橋輸出電壓與夾爪位移隨驅(qū)動(dòng)電壓變化曲線 Calibration of the position sensor 應(yīng)變式位置傳感器與多普勒測振儀結(jié)果的比較在對(duì)微夾鉗力傳感器和位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定后，就不再需要外界附加力或位置傳感器來測量微夾鉗的夾持力和夾爪位移。對(duì)y(t)由時(shí)間0到t進(jìn)行兩次積分，再定義 () () () ()可以得到 ()通過把系統(tǒng)輸出響應(yīng)的采樣值代入等式()，可以得到一組線性方程組 ()其中 表示由第m個(gè)采樣點(diǎn)開始進(jìn)行計(jì)算。for m=1:600。Q(m,3)=A(m)。圖 實(shí)驗(yàn)測得的正弦波輸入曲線圖 實(shí)驗(yàn)測得的正弦波響應(yīng)輸出曲線 實(shí)際測得與擬合的模型的曲線%。在微夾鉗中，力和位置的傳感方式一般相同，主要有應(yīng)變式、壓電式、電容式和光電式傳感器四種。由于處于實(shí)驗(yàn)開發(fā)階段，本文暫只考慮實(shí)現(xiàn)位移控制（力控制相對(duì)復(fù)雜，但整體控制方法相同）。根據(jù)微夾鉗驅(qū)動(dòng)電源的特點(diǎn)和性能的要求，以及考慮到性價(jià)比等其他因素，我們采用了中國臺(tái)灣艾德克斯公司生產(chǎn)的IT6122型高精度可編程電源。因此采用了儀用放大電路來增強(qiáng)放大電路的精度和溫度穩(wěn)定性。在AD620的1腳和8腳上接可調(diào)電阻（），這樣就可以根據(jù)需要選擇調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的大小。由于應(yīng)變信號(hào)比較微弱，而應(yīng)變信號(hào)頻率相當(dāng)?shù)停?~5Hz）且噪聲主要是高頻，故可通過中高頻濾波。取其大者，%。因此帶有輸出反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)逐漸為人們所采用，并成為控制方式的主流。系統(tǒng)主要PID控制器和受控對(duì)象組成，作為一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成的偏差并對(duì)偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。利用MATLAB進(jìn)行仿真，必須先得到微夾鉗的傳遞函數(shù)，在本文第三章中已經(jīng)詳細(xì)的計(jì)算得出， 選用最小二乘法得出的傳遞函數(shù)： 。構(gòu)建了基于前一章建立的位移模型的前饋補(bǔ)償和PID反饋的控制，利用已得到的傳遞函數(shù)在MATLAB中采用Ziegler Nichols法仿真得到PID控制器的參數(shù)的方法，簡化了參數(shù)整定過程。最后對(duì)微夾鉗的位移進(jìn)行標(biāo)定。④本文只討論了微夾鉗的位移模型，只在這一基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了微夾鉗夾持臂的位移控制。感謝父母、家人和朋友在生活和學(xué)習(xí)上給予的關(guān)心和教育鼓勵(lì)和。 致謝致 謝本文的研究工作是在我的導(dǎo)師XXX教授的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，無論是學(xué)業(yè)的進(jìn)步、課題的完成、還是論文的撰寫，無不傾注著王老師辛勤的汗水和心血。通過實(shí)驗(yàn)評(píng)估，結(jié)果表明應(yīng)變信號(hào)處理電路具有較好的性能。為實(shí)現(xiàn)微夾鉗的加持功能，本文主要研究工作是設(shè)計(jì)微夾鉗的控制系統(tǒng)。 進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，其中比例度， 。(2) PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。其傳遞函數(shù)為 () PID控制系統(tǒng)原理圖Fig. Schematic diagram of the PID control systemPID控制器的比例、積分、微分三種校正環(huán)節(jié)的主要作用：① 比例(P)控制，比例控制是一種最簡單的控制方式。但是單純閉環(huán)控制不提供預(yù)測的控制作用，即不能提前補(bǔ)償已知壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯，并且由于壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯一般都在14％左右，對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，控制系統(tǒng)很可能長時(shí)間處于過渡過程中，不能進(jìn)入期望的穩(wěn)定狀態(tài)。可得信號(hào)放大處理電路的非線性度。電路參數(shù)為：放大倍數(shù) =2 截止頻率 由于壓阻應(yīng)變片本身制作以及安裝上存在各種偏差，導(dǎo)致了在工作力或位移為零時(shí)前幾放大電路輸出不為零，這就需要引入零偏校正電路。AD620的增益關(guān)系式如下 () ()AD620的基本特點(diǎn)是精確度高、使用簡便、低噪聲，應(yīng)用十分廣泛，下表為AD620的規(guī)格特性。其中。在第三章中已經(jīng)講過了力與位置傳感，即利用壓阻應(yīng)變片來獲得力與位置信號(hào)。電壓控制型驅(qū)動(dòng)電源又分為開關(guān)式和電流放大式兩種，開關(guān)式功率損耗小，效率高，但是輸出電壓的紋波較大，頻率范圍較窄，直流放大式則頻率范圍較寬。為滿足測量的要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的力/位移傳感器。這種方法可以在被測系統(tǒng)或生產(chǎn)過程正常運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行在線辨識(shí)，測試結(jié)果精度較高。=pinv(Q)*B39。end。a =zeros(600:1)。因此，即使在已用分析法得到數(shù)學(xué)模型的情況下，仍希望通過實(shí)驗(yàn)測定法加以驗(yàn)證。 微段梁變形 柔性懸臂梁受力應(yīng)變云圖測量夾爪位移的應(yīng)變片粘貼在平行四邊形機(jī)構(gòu)的單邊柔性鉸鏈上，當(dāng)微夾鉗未夾持物體（或夾爪未與被夾持物接觸）時(shí)，無夾持力作用，平行四邊形在壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力下產(chǎn)生變形，應(yīng)變片的輸出信號(hào)僅與平行四邊形變形有關(guān)，因此應(yīng)變片輸出信號(hào)反映了平行四邊形的變形量信號(hào)，即夾爪的位置信號(hào)。由式()和()可得 ()由式()可知，當(dāng)惠斯通電橋激勵(lì)電壓和懸臂梁的材料一定時(shí)，不平衡電壓V與懸臂梁所受的力和懸臂梁長度及應(yīng)變片的敏感系數(shù)成正比，與懸臂梁的寬度和厚度的平方成反比。利用半導(dǎo)體材料做成的壓阻式傳感器有兩種類型：一種是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成的粘貼式應(yīng)變片；另一類是在半導(dǎo)體材料的基片上用