【正文】 和表示，各柔性鉸鏈的厚度分表用、和表示。(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。前端夾爪通過(guò)一段柔性梁結(jié)構(gòu)與平行四邊形機(jī)構(gòu)相連。(a)，單片微夾鉗柔順機(jī)構(gòu)由基于雙邊切口直圓柔性鉸鏈((a)所示)的杠桿機(jī)構(gòu)(和)和基于單邊切口直圓柔性鉸鏈((b)所示)的平行四邊形機(jī)構(gòu)(和)分別通過(guò)連桿和兩端的雙邊切口直圓柔性鉸鏈連接而成。(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。為了方便在平行四邊形機(jī)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）。，在距離A點(diǎn)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(zhǎng)生誤差位移。高精度與大行程是一對(duì)矛盾，但在很多應(yīng)用中需要大行程高精度的放大機(jī)構(gòu)。 平面四桿機(jī)構(gòu)，已知桿長(zhǎng)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)。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。(b)所示的杠桿機(jī)構(gòu)的輸出位移與輸入位移方向相同，為同向驅(qū)動(dòng)。常見的位移放大機(jī)構(gòu)有杠桿機(jī)構(gòu)，橋式放大機(jī)構(gòu)、菱形放大機(jī)構(gòu)、橢圓機(jī)構(gòu)、平面四連桿機(jī)構(gòu)、ScottRussell機(jī)構(gòu)等[47]。(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。對(duì)于微小變形，遠(yuǎn)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(jiǎn)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。(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(duì)柔性鉸鏈進(jìn)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。橢圓形柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)精度與轉(zhuǎn)動(dòng)范圍介于片簧式和直圓型之間，可用于設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)精度與轉(zhuǎn)動(dòng)范圍均有要求的微夾鉗柔順機(jī)構(gòu) [10]。片簧式柔性鉸鏈因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)程中有明顯的偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)精度較差。對(duì)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)）。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。由于幾何上的改變，柔性部分的剛度比其他剛性部分要小的多。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)。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(jī)械裝置帶來(lái)一系列的挑戰(zhàn)，柔順機(jī)構(gòu)則給出了許多解決這些問題的答案。柔順機(jī)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是很容易實(shí)現(xiàn)微型化。與剛性機(jī)構(gòu)不同，柔順機(jī)構(gòu)不僅由運(yùn)動(dòng)副傳遞運(yùn)動(dòng)，還至少?gòu)钠淙嵝圆考淖冃沃蝎@得一部分運(yùn)動(dòng)，并且有一部分能量以應(yīng)變能的形式儲(chǔ)存在柔性部件中。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。[34]①柔順機(jī)構(gòu)力/位移傳遞機(jī)構(gòu)力/位移傳遞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)用于傳遞驅(qū)動(dòng)器提供的力和位移。 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?shī)A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)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。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。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。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(lái)夾持物體的。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(lái)夾持物體。這種方式優(yōu)點(diǎn)是可用于非常薄的物體，－ N/mm2。目前，絕大多數(shù)的微夾鉗均采用這種夾持方式。利用微夾鉗與被夾持物之間的摩擦力來(lái)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。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(lái)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]。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。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。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。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。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)。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。功能模塊是微夾鉗系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分。位移傳感器和力傳感器驅(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。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)。通常要夾持某物先通過(guò)計(jì)算得出夾持臂應(yīng)該對(duì)物體所施加的力，通過(guò)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。實(shí)現(xiàn)途徑：在微夾鉗夾持臂上集成電阻應(yīng)變片,通過(guò)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)。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)。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。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)。在微操作的過(guò)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。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。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(guò)在懸臂梁上貼半導(dǎo)體應(yīng)變片的檢測(cè)。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(guó)外已經(jīng)取得了巨大發(fā)展。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。微力經(jīng)過(guò)末端操作手作用在PVDF壓電膜上，產(chǎn)生電荷輸出，經(jīng)過(guò)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。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。這種安裝方式就常應(yīng)用在壓阻傳感器中。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]。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。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。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。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。通過(guò)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)。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。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]。微操作在顯微視覺下進(jìn)行。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)。由于壓電陶瓷具有結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高、響應(yīng)快、無(wú)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(guó)內(nèi)較多采用開環(huán)控制，國(guó)外有人通過(guò)外加微位移傳感系統(tǒng)，如激光位移測(cè)量器，來(lái)構(gòu)成閉環(huán)控制。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??；另一種方法是利用激光檢測(cè)指尖點(diǎn)變形得到力。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。[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]。 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(zhǎng)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。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。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。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?！?5176。在細(xì)胞操作中大量應(yīng)用了真空吸附的方式實(shí)現(xiàn)微夾持，中科院上海光機(jī)所研制的吸附針尖結(jié)構(gòu)，針尖長(zhǎng)度30～80 mm，~，針尖外徑Φ60~Φ90 μm，內(nèi)徑Φ30~Φ60 μm。除了基于上述驅(qū)動(dòng)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]。集成了3200匝線圈， mW。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]。國(guó)內(nèi)外研制了多種基于形狀記憶合金SMA的微夾持器，中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所根據(jù)變徑圓原理設(shè)計(jì)的SMA環(huán)狀微夾持器[2]，按設(shè)計(jì)給出的閉合半徑r0彎曲成閉合圓，制成環(huán)狀微夾鉗。美國(guó)Kim等人研制的基于IC工藝的靜電驅(qū)動(dòng)微夾持器[1]。實(shí)際上，在過(guò)去的十幾年中，微驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展主宰并推動(dòng)著微夾鉗的發(fā)展，微驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)力，要么本身直接作為微夾鉗主體。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)。而微夾鉗作為微裝配機(jī)器人的末端執(zhí)行器，直接決定機(jī)器人的工作效果。③針對(duì)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(jiǎn)化了參數(shù)整定過(guò)程。②為實(shí)現(xiàn)微夾鉗夾持臂位移的控制，本文設(shè)計(jì)了包括惠斯通電橋、應(yīng)變信號(hào)處理電路、dSPACE和主機(jī)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(yīng)變信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)。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(guò)實(shí)驗(yàn)的測(cè)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(guò)最小二乘辨識(shí)或者M(jìn)ATLAB的系統(tǒng)辨識(shí)功能來(lái)建立位移模型。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(jī)器人的末端執(zhí)行器，直接決定機(jī)器人的工作效果。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）