【正文】 熟，各種MEMS傳感器得到了迅速發(fā)展。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。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]。變片通常是用金屬箔或者半導(dǎo)體材料制成。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。還有一種安裝方式是將應(yīng)變片安裝在微夾鉗的鉗口，[25]。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 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(chǎng)，國(guó)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]。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]。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]。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。上文中提到的法國(guó)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，得出施加力的大小；另一種方法是利用激光檢測(cè)指尖點(diǎn)變形得到力。目前國(guó)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)。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。視覺(jué)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(jué)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(jué)反饋的帶寬較窄。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)。重點(diǎn)研究?jī)?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)。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(guò)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(guò)A/D轉(zhuǎn)換采樣，最終將采樣的數(shù)據(jù)送入上位機(jī)。PID為經(jīng)典控制策略，在精密控制中被廣泛應(yīng)用。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ｒ?qū)動(dòng)模塊用于提供夾持力，夾持模塊用于傳遞夾持力。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。力傳感器可以用于感知被夾持物是否已被成功夾持。位置的測(cè)量也可由微裝配系統(tǒng)中的視覺(jué)伺服系統(tǒng)完成。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。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。在第一章中已經(jīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了綜述。 國(guó)產(chǎn)PTBS200壓電陶瓷微致動(dòng)器 國(guó)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。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(wú)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。真空吸附式微夾鉗是利用氣壓差產(chǎn)生吸附力來(lái)夾持物體。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。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。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(zhǎng)，不利于快速裝配與操作。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?chē)h(huán)境濕度不能太高，更不能在水中操作，穩(wěn)定性也不好。光壓所能提供的操作力很小(－10 pN)，且非常不可靠。而其他幾種夾持方式要么對(duì)物體材料嚴(yán)格限制，要么對(duì)操作環(huán)境要求苛刻，或是夾持力太小，精度太低，可靠性差等，嚴(yán)重影響了它們的應(yīng)用范圍。由于微夾鉗尺寸一般很小，因此微夾鉗中的力/位移傳遞機(jī)構(gòu)常采用柔順機(jī)構(gòu)。如果忽略摩擦損失，剛性機(jī)構(gòu)的能量在輸入和輸出之間守恒。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(jiǎn)化制造過(guò)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)）。柔順機(jī)構(gòu)具有能夠減少部件和運(yùn)動(dòng)副總數(shù)的特性，這對(duì)于微型機(jī)構(gòu)的制作是十分有利的，可以用類似于制作集成電路的材料和工藝來(lái)加工柔順微型機(jī)構(gòu)。柔順機(jī)構(gòu)在微型水平上的優(yōu)勢(shì)在于：1) 能在平面內(nèi)制作；2) 不需要安裝；3) 所需空間小而且簡(jiǎn)單；4) 很少需要潤(rùn)滑；5) 可減少摩擦和磨損；6) 可減少由于鉸鏈產(chǎn)生的間隙，從而導(dǎo)致高精度；7) 可把儲(chǔ)能元件（彈簧）和其他元件集成到一起。柔性鉸鏈就是利用柔性部分的部分變形而不是構(gòu)件繞鉸銷(xiāo)的純轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)獲得運(yùn)動(dòng)的。柔性鉸鏈雖然只能提供有限度的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，但是具有無(wú)摩擦、無(wú)磨損、無(wú)滯后、不需潤(rùn)滑、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、無(wú)運(yùn)動(dòng)間隙和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械、精密測(cè)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)。單軸柔性鉸鏈可分為片簧式柔性鉸鏈(Leaf type hinges，(a))和切口型柔性鉸鏈（Notch type hinges，(b)(d)）。根據(jù)切口方式分為雙邊切口（Doublenotch flexure hinges，(c)）和單邊切口(SingleNotch flexure hinges，(d))柔性鉸鏈。直圓柔性鉸鏈雖然轉(zhuǎn)動(dòng)范圍小，但其運(yùn)動(dòng)精度高，在微夾鉗結(jié)構(gòu)中也很常見(jiàn)[8, 20, 42, 43]。從結(jié)構(gòu)上看，單邊切口型柔性鉸鏈相當(dāng)于雙邊切口柔性鉸鏈的一半，其結(jié)構(gòu)更加緊湊，可以滿足不同結(jié)構(gòu)的需要[144]。伯努力－歐拉方程表示如下： ()式中表示梁受到的力矩，表示截面對(duì)z軸的慣性矩，為中型層曲率半徑。雙邊直圓柔性鉸鏈軸向剛度的簡(jiǎn)化公式： ()通常情況下，雙邊直圓柔性鉸鏈的軸向剛度遠(yuǎn)大于其彎曲剛度。微夾鉗驅(qū)動(dòng)器的位移分辨率高但是位移量小，因此常常采用位移傳遞/放大機(jī)構(gòu)將執(zhí)行器輸出的微小位移放大再傳遞給夾爪。如圖所示為二級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)，根據(jù)杠桿原理， ()(a)所示放大機(jī)構(gòu)為方向驅(qū)動(dòng)，即輸出位移與輸入位移方向相反。(a)(b)：(a)反向驅(qū)動(dòng)，(b)同向驅(qū)動(dòng)(a)所示為基于壓桿失穩(wěn)原理的橋式放大機(jī)構(gòu)，其輸出位移y與輸入位移x之間的關(guān)系為 () 基于壓桿失穩(wěn)原理的放大機(jī)構(gòu)：(a)橋式放大機(jī)構(gòu)，(b)菱形放大機(jī)構(gòu)，(c)橢圓機(jī)構(gòu)(b)所示為菱形放大機(jī)構(gòu)，其輸出位移y與輸入位移x之間的關(guān)系為 ()橢圓放大機(jī)構(gòu)的基本原理與菱形機(jī)構(gòu)類似，其結(jié)構(gòu)為全柔性機(jī)構(gòu)?？梢缘玫脚c輸入位移垂直的輸出位移。根據(jù)偽剛體模型法將柔性鉸鏈看作是中間包含扭轉(zhuǎn)彈簧的轉(zhuǎn)動(dòng)副，只要對(duì)機(jī)構(gòu)中柔性鉸鏈的剛度和各剛性桿的長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)就能得到不同剛度和放大倍數(shù)的柔順?lè)糯髾C(jī)構(gòu)。如果要得到更大的放大倍數(shù)的機(jī)構(gòu)，可以采用以上常見(jiàn)幾種機(jī)構(gòu)的級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如杠桿差動(dòng)式放大機(jī)構(gòu)，杠桿機(jī)構(gòu)與平面四桿機(jī)構(gòu)級(jí)聯(lián)等，在此不再贅述。將機(jī)構(gòu)中的A、B、C、D四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副用柔性鉸鏈替代，便得到平行四邊形柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，設(shè)為各柔性鉸鏈的彎曲剛度，則單平行四桿機(jī)構(gòu)的輸出位移d為 ()垂直方向位移 ()本文設(shè)計(jì)的微夾鉗柔順機(jī)構(gòu)利用平行四桿機(jī)構(gòu)平行移動(dòng)的特點(diǎn)，讓平行四桿機(jī)構(gòu)充當(dāng)二級(jí)杠桿在實(shí)現(xiàn)位移放大的同時(shí)保證微夾鉗夾爪的平行移動(dòng)。(a)(b)所示。其中單片柔順機(jī)構(gòu)主要用于微執(zhí)行器的位移放大和傳遞以及力的傳遞，(a)所示，(b)(a)所示的單片微夾鉗柔順機(jī)構(gòu)，采用微細(xì)電火花加工（μEDM）技術(shù)加工的單片微夾鉗柔順機(jī)構(gòu)的實(shí)物照片。平行四邊形機(jī)構(gòu)的作用是將杠桿機(jī)構(gòu)的輸出位移進(jìn)一步放大，并且保證夾爪平行移動(dòng)。單片微夾鉗柔順機(jī)構(gòu)的杠桿機(jī)構(gòu)末端與微執(zhí)行器相連。桿CD、B1C、B1BA1B2和A1A2分別用序號(hào)i＝1, 2, 3, 4, 5, 6表示，各桿的長(zhǎng)度用(i＝1, 2, 3, 4, 5, 6)表示。各柔性鉸鏈的寬度與單片微夾鉗柔順機(jī)構(gòu)的厚度相等，用b表示。在夾持物體時(shí)，微執(zhí)行器的伸長(zhǎng)推動(dòng)單片柔順機(jī)構(gòu)的杠桿機(jī)構(gòu)，進(jìn)而帶動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)變形使夾爪閉合；當(dāng)微執(zhí)行器恢復(fù)原狀時(shí)，在柔性鉸鏈彈力作用下兩夾爪張開(kāi)以釋放物體。實(shí)現(xiàn)位移傳感的應(yīng)變片粘貼在平行四邊形機(jī)構(gòu)的單邊切口柔性鉸鏈上。實(shí)現(xiàn)微夾鉗的位移傳遞/放大以及力傳遞的單片柔順機(jī)構(gòu)安裝在基座上，壓電疊堆執(zhí)行器一端與單片柔順機(jī)構(gòu)的末端接觸，一端與固定在基座上的擋板接觸，通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)初始預(yù)緊力。(a)(b) 基于單片微夾鉗柔順機(jī)構(gòu)的壓電致動(dòng)微夾鉗：(a)三維拆裝圖，(b)組裝后的實(shí)物照片F(xiàn)ig. Piezoelectrically driven microgripper: (a) the 3D exploded view and (b) the photograph of the assembled microgripper. (a) (b) 單片微夾鉗柔順機(jī)構(gòu)組成及原型：(a) 2維CAD模型, (b) 照片. 單片微夾鉗柔順機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸（單位：mm）Table Structure parameters of the monolithic microgrippers’ pliant mechanism (unit: mm)參數(shù)b數(shù)值2711 本章小結(jié)本章詳細(xì)的介紹了微夾鉗系統(tǒng)的組成，它包括功能模塊、傳感器、電子/信號(hào)處理模塊和輔助模塊，微夾鉗常見(jiàn)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，本文研究的微夾鉗是壓電驅(qū)動(dòng)式。此外還講了的基于單片柔順機(jī)構(gòu)微夾鉗的工作原理。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(shí)，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。 Difference of manipulation.粘附力主要包括：范德華力、表面張力、靜電力等[48]。因此，分析研究粘附力及克服方法，對(duì)微操作任務(wù)的完成有著重要的作用。微裝配與微操作的操作對(duì)象一般很小且易碎，為了避免損壞被夾持物，常常需要有力傳感器感知夾持力并構(gòu)成反饋對(duì)夾持力的大小進(jìn)行控制。微夾鉗中的力傳感器用于測(cè)量微夾鉗與被夾持物之間的夾持力，位置傳感器用于測(cè)量微夾鉗夾爪的位置。因此，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。本文設(shè)計(jì)的微夾鉗采用應(yīng)變式傳感器實(shí)現(xiàn)夾持力的測(cè)量和夾爪位置的測(cè)量。應(yīng)變式傳感器是利用金屬或半導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)，將測(cè)量物體的變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化的傳感器。對(duì)于金屬材料的電阻，很小，可忽略，則金屬電阻的靈敏系數(shù)。對(duì)于半導(dǎo)體電阻，式中是沿某晶向的壓阻系數(shù)，為半導(dǎo)體材料的彈性模量。因此，半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)大很多。壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高，頻率響應(yīng)高，體積小。對(duì)于精確的穩(wěn)定裝配和操作，力反饋是非常重要的，由于微夾鉗的尺寸很小，電阻應(yīng)變片力傳感器比較適合微夾鉗的小尺寸。(a) (b)(c),：(a) Entran公司ESB020500,(b) Entran公司ESU0251000,(c) 國(guó)產(chǎn)HU1011K 半導(dǎo)體應(yīng)變片特性參數(shù)型 號(hào)基底尺寸(mm2)硅片尺寸(mm3)電阻值()靈敏系數(shù)()電阻溫度系數(shù)(1/)靈敏溫度系數(shù)(1/)最大工作溫度()工作電流(mA)極限應(yīng)變()ESB020500無(wú)基底1不詳5001555%%%73315103000ESU0251000無(wú)基底不詳10001555%%%73315103000HU1011K54310001505%%%80126000測(cè)量夾持力的應(yīng)變片粘貼在與夾爪相連的柔性梁上，應(yīng)變片的輸出信號(hào)（電橋電壓）不受壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)力的影響，僅與夾持力有關(guān)，即當(dāng)壓電陶瓷執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)夾爪閉合時(shí)，在夾爪未與被夾持物接觸前，應(yīng)變片無(wú)信號(hào)輸出，當(dāng)夾爪與被夾持物接觸產(chǎn)生夾持力時(shí)，應(yīng)變片有信號(hào)輸出，在進(jìn)行合適的標(biāo)定后，可通過(guò)應(yīng)變片的輸出信號(hào)知道加持力的大小。當(dāng)x＝l時(shí)，得最大撓度