（机械工程专业论文）考虑压电驱动迟滞性微操作平台的仿真与控制.pdf

t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e s i m u l a t i o na n dc o n t r o lo ft h e t n e m i c r o m a n i p u l a t o r c o n s i d e r i n g h y s t e r e s i so f p z ta c t u a t o r b y z h i g a n gw u s u p e r v i s o r y a n g m i n l i j a n u a r y2 0 1 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特另t i , d h 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 叁盗墨兰盘望 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：关焉，9 ) 签字日期：矿，多年岁月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁盗墨兰太望有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨兰太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：关焉闷、j导师签名：李柏阢 签字日期：w j4 - ；月y 日 签字日期：沙哆年岁月j 日 摘要 随着科技的同益发展，大型的工业型机械操作平台得到了全面的发展并且同趋成 熟，然而在需要微型操作的领域旱，像微装配工程、生物工程、超精密加工及军事等需 要精密操作及控制的领域，都需要用具有微米级、亚微米甚至纳米的分辨率的微操作平 台。近年来，微操作平台也被国内外科学工作者不断的设计、研究和创新，已经出现了 许多类型的微操作平台的模型，有些也已经实际的运用到了现实生活中，例如生物医疗 器械，已经出现了微米级的操作手术台；还有在微装配领域里也出现了一些精密的装配 微操作手，这些微操作手只在显微镜下才能进行装配任务。可见操作平台的运用越来越 受到关注。 本文主要是设计了一种新颖的二自由度柔性铰链放大机构微操作平台，即一种拥有 位移放大能力的微操作平台，而且平台的分辨率可达到微米级。二自由度微操作平台的 运动关节采用的是柔性铰链机构，并非传统铰链。利用柔性铰链作为微操作平台传递位 移，力和力矩的运动副，比起传统的铰链来说，具有关节运动误差小，无摩擦，而且采 用的是一体式加工，使得平台的结构更加紧凑等优势。同时平台利用一个二级放大机构， 使得操作手有大的工作空间和小的分辨率。在现有理论基础上分析了平台的动力学、运 动学和静力学，同时采用m a t l a b 里p s o 优化工具箱对其进行了优化设计，得出了平 台柔性铰链的最优尺寸。并且利用a n s y s 软件对平台进行了仿真分析，分析了运动平 台在一个很小的输入力时，看其输出变化情况以及应力分布情况，并且也得出了力与位 移和力与应力分布关系图。 本文中微操作平台的驱动部件采用的是在驱动微小平台里常见的压电陶瓷驱动器， 压电陶瓷驱动器作为其驱动部件具有很多优点，例如响应快、精度高、体积小、位移分 辨率大和输出力大等特点。但也因其有迟滞性、蠕变和非线性等缺点而使得在驱动平台 时，对平台的运动精度有一定的影响。其中对平台精度影响最大的是压电的迟滞效应， 迟滞误差一般可达15 2 0 ，或者更多。因此压电的迟滞特性必须要考虑在控制中， 并减少其迟滞误差。这样能使其控制更加的平稳，可靠和精确。本文针对压电迟滞的来 源进行了分析，讨论了迟滞产生的原因。并分析了比较常见的迟滞补偿p r e i s a c h 模型， 并对其中常见的p i d 控制器进行了讨论和分析，并最终采用p i d 控制器来控制平台的运 动，采用前馈补偿的方法来减少因迟滞性带来的影响，并设计出了平台的控制方案。 论文最后对平台进行了实验及机构分析的验证，得出其理论分析和实验结果相差不 大，验证了分析的可靠性与准确性，最后给出了论文的结论和对未来的展望。 关键词：微操作平台运动分析压电驱动 补偿控制 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , l a r g ei n d u s t r i a lm e c h a n i c a l m a n i p u l a t o rd e v e l o p e di na na l l r o u n dw a ya n dm a t u r e s ，h o w e v e r , i nt h e s ef i e l d st h a tn e e d m i c r oo p e r a t i o n ，s u c ha sm i c r oa s s e m b l ye n g i n e e r i n g ，b i o l o g i c a le n g i n e e r i n g ，t h eu l t r a p r e c i s i o nm a c h i n i n ga n dm i l i t a r ya n ds oo nw i t hp r e c i s eo p e r a t i o na n dc o n t r o lf i e l d s ，a l l w h i c hn e e dw i t hm i c r o nl e v e la n ds u b m i c r o ne v e nn a n o m e t e rr e s o l u t i o nm i c r oo p e r a t i o n p l a t f o r m i nr e c e n ty e a r s ，m i c r oo p e r a t i o np l a t f o r mh a v ea l s ob e e nd e s i g n e d ，r e s e a r c h e da n d i n n o v a t e db yd o m e s t i cs c i e n t i f i cw o r k e r s ，a n dt h e r eh a v eb e e nm a n yt y p e so fm i c r oo p e r a t i o n p l a t f o r mm o d e l s ，s o m ea l s oh a v eb e e np r a c t i c a lu s e di nr e a ll i f e ，s u c ha sb i o l o g i c a lm e d i c a l a p p a r a t u sa n di n s t r u m e n t s ，a p p e a r e dt h em i c r o ng r a d eo p e r a t i n gt a b l e ；a n ds o m ep r e c i s i o n a s s e m b l ym i c r om a n i p u l a t o rh a sb e e na l s oa p p e a r e di nm i c r oa s s e m b l yf i e l d ，w h i c hh a so n l y a s s e m b l yt a s ku n d e r a m i c r o s c o p e s ot h em a n i p u l a t o r i sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h i sp a p e ri sm a i n l yt od e s i g nan e wm i c r o o p e r a t i o np l a t f o r mo ft w o d o ff l e x u r eh i n g e a m p l i f i c a t i o nm e c h a n i s m ，w h i c hh a st h ea b i l i t yo fd i s p l a c e m e n ta m p l i f i c a t i o n ，a n dt h e r e s o l u t i o no ft h ep l a t f o r mc a nr e a c hm i c r o nl e v e l f l e x u r eh i n g em e c h a n i s mt a k e sp l a c eo ft h e c o n d i t i o n a lh i n g e sa st h em o v e m e n tj o i n t ，w h i c hc a nt r a n s f e rt h ed i s p l a c e m e n t ，f o r c ea n d m o m e n t ，w i t hj o i n tm o t i o ne r r o ri ss m a l l ，n of r i c t i o n ，a n du s ei so n e - p i e c ep r o c e s s i n g ，m a k i n g t h ep l a t f o r ms t r u c t u r ei s c o m p a c t ，e t ca d v a n t a g e s a tt h es a m et i m e ，u s i n gat w ol e v e l a m p l i f i c a t i o nm e c h a n i s mt h em a n i p u l a t o rh a sb i gw o r ks p a c ea n ds m a l lr e s o l u t i o n b a s e do n t h ee x i s t i n gt h e o r y , t h ed y n a m i c s ，k i n e m a t i c sa n ds t a t i cm e c h a n i c so ft h ep l a t f o r ma r ea n a l y s i s ， a n dt h em a t l a bo p t i m i z a t i o nt o o l b o xo fp s oa so p t i m a ld e s i g n ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e p l a t f o r mh i n g eo p t i m a ls i z e s a n du s i n ga n s y s s o f t w a r ea n a l y s e st h em o t i o np l a t f o r mu n d e r as m a l li n p u tf o r c et r a d i t i o nt os e ei t so u t p u tc h a n g e sa n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n ，a n da l s oi ti s c o n c l u d e dr e l a t i o n s h i pd i a g r a m sb e t w e e nt h ef o r c ea n dd i s p l a c e m e n ta n df o r c ea n ds t r e s s d i s t r i b u t i o n i n t h i sp a p e rt h ed r i v i n gp a r t sf o rt h em i c r oo p e r a t i o np l a t f o r ma r ei nd r i v es m a l l p l a t f o r m i nc o m m o np i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sd r i v e r , w h i c ha si t sd r i v eu n i th a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sf a s tr e s p o n s e ，h i g hp r e c i s i o n ，s m a l lv o l u m e ，h i g hr e s o l u t i o na n do u t p u t f o r c eb i gc h a r a c t e r i s t i c s b u ta l s od u et o h y s t e r e s i s ，c r e e pa n dn o n l i n e a r , w h e nd r i v i n g p l a t f o r m ，m o t i o na c c u r a c yh a v ec e r t a i ne f f e c t a n dt h ep i e z o e l e c t r i ch y s t e r e s i s h a st h e g r e a t e s ti m p a c tf o r t h ea c c u r a c yo ft h ep l a t f o r m ，w h i c he r r o rc a ng e n e r a l l yb e15 2 0 o r e v e nm o r e t h e r e f o r e ，t h ep i e z o e l e c t r i ch y s t e r e s i sc h a r a c t e r i s t i cm u s t b ec o n s i d e r e di nc o n t r o l ， a n dr e d u c et h eh y s t e r e s i se r r o r , w h i c hc a nm a k et h ec o n t r o lm o r es t a b l e ，r e l i a b l ea n da c c u r a t e a c c o r d i n gt ot h es e a s o no ft h ep i e z o e l e c t r i ch y s t e r e s i sw a sa n a l y z e dt od i s c u s st h eh y s t e r e s i s e r r o r a n a l y z i n gt h ec o m m o np r e i s a c hm o d e la n dt h ec o m m o np i dc o n t r o l l e r , f i n a l l y , a d o p t i n gp i dc o n t r o l l e r t oc o n t r o lt h em o v e m e n to ft h ep l a t f o r m ，t h ef e e d f o r w a r d c o m p e n s a t i o nm e t h o da p p l i e dt or e d u c et h ei m p a c to ft h eh y s t e r e s i s ，a n dd e s i g nt h ec o n t r o l s c h e m eo fp l a t f o r m f i n a l l y , i ti sc o n c l u d e dt h a tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a sn o tb i g e r r o r , w h i c hc a nv e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h ea n a l y s i s ，a n dt h ec o n c l u s i o na n do u t l o o kf o rt h e f u t u r ea r eg i v e ni nt h ee n do ft h ep a p e r k e yw o r d s ：m i c r o m a n i p u l t o r , k i n e m a t i cn a l y s i s ，p i z e oa c t u a t o r , c o m p e n s a t i o nc o n t r o l 目录 第一章绪论1 1 1 弓l 。吉：j 1 1 2 论文研究的目的意义1 1 2 1 研究的目的1 1 2 2 研究的意义2 1 3 微操作平台的国内外研究现状2 1 3 1 国外研究现状3 1 3 2 国内研究现状3 1 4 论文主要研究的内容及安排4 1 4 1 研究内容4 1 4 2 论文主要安排5 第二章柔性微操作平台结构设计6 2 1 柔性铰链分析及选择6 2 1 1 铰链形式6 2 1 2 铰链特性7 2 1 3 柔性铰链运动机构类型7 2 1 4 铰链的选择一8 2 2 放大机构原理分析9 2 3 一维柔性平台设计11 2 4 二维柔性平台设计11 2 5 机构的初步尺寸设计及材料和驱动的选择1 3 2 5 1 机构的初步尺寸设计13 2 5 2 平台的材料选择13 2 5 3 平台驱动元件选择1 4 2 6 本章小结一1 5 第三章平台的分析与优化1 6 3 j 1 平台的运动学和静力学分析：1 6 3 1 1 运动学和静力学模型1 6 3 1 2 运动平台的输入刚度分析l8 3 2 平台的动力学分析2 0 3 3 寄生运动分析2 2 3 4 工作空问及应力分析2 5 3 4 1 受驱动范围限制的工作面积2 6 3 4 2 受铰链旋转限制的工作空问面积2 6 3 4 3 工作空间的确定。2 7 3 4 4 应力分析2 8 3 5 尺寸的优化设计2 8 3 6 本章小结3 0 第四章平台的有限元分析3 2 4 1 二级放大机构静力学有限元分析一3 2 4 2 力与位移分析一3 3 4 2 1 一维平台有限元分析3 3 4 2 2 二维平台有限元分析3 4 4 2 3 力与位移关系图3 6 4 3 应力a n s y s 分析一3 6 4 4 平台的模态分析一3 7 4 5 本章小结一3 8 第五章p z t 压电陶瓷原理与分析3 9 5 1 压电陶瓷原理与分析3 9 5 1 1 压电陶瓷驱动原理3 9 5 1 2 压电陶瓷驱动变形原理4 0 5 2 压电陶瓷迟滞性分析一4 1 5 2 1 压电陶瓷迟滞原理4 1 5 2 2 迟滞环分析4 2 5 - 3 基于p r e i s a c h 迟滞模型一4 2 5 3 1p r e i s a c h 经典迟滞模型4 2 5 3 2p r e i s a c h 迟滞模型几何解释4 3 5 3 3p r e i s a c h 函数表示一4 4 5 3 4p r e i s a c h 函数离散化求解一4 6 5 4 本章小结一4 7 第六章运动平台的控制与设计4 8 6 1p i d 控制器4 8 6 1 1p i d 控制器原理4 8 6 1 2 控制算法4 9 6 2 动力学建模与控制策略和方法5 0 6 2 1 运动平台的动力学建模5 0 6 2 2 运动平台的控制方案和策略51 6 3 本章小结一5 2 第七章实验结果5 3 7 1 实验硬件连接一5 3 7 2 实验结果分析5 3 7 2 1 压电陶瓷迟滞特性5 4 7 2 2 开环测试实验5 4 7 2 3 闭环反馈补偿实验5 5 7 3 本章小结一5 6 第八章结论及展望5 7 参考文献一5 8 发表论文和科研情况说明一6 2 致 谢6 3 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，机器人操作手的研究正在发展和深入，而且随着科学技术的不断发展，机 器人操作手的设计和研究也一直是各国学者和研究人员的兴趣所在，在原有的基础上不 断的推陈创新，有了一大批能用于实践的实用型机器人，正因如此，机器人操作手的应 用和发展才得到不断完善和创新。就目前国内外机器人发展的情况来看，在操作手方面 的应用已经非常的广泛，像现有的很多可用于实践的操作手已经应用到军事、医学、工 业自动化系统、生物工程领域等各个方面，并且也在不断地延伸和扩展【l 】【3 】。其发展也经 历了不同的阶段：从大型化工业机器人向小型化医用机器人再到微型化的生物领域里的 机器人。机器人操作手之所以有如此的发展，在我看来应该归于现代科技的日新月异， 以及在电子学方面的不断更新，这些都使得操作手能够不断地发展以及为生产所需要。 因为机器人操作手能够代替人类进行一些有危害和不方便的作业，例如高温、有毒和微 小环境等，这也是操作手得以发展的重要原因之一。因此大型的机器人操作手已经比较 成熟而且也普遍应用于各个领域【4 】i 【6 j 。 随着发展的需要，小型的甚至微型的操作手越来越被人所重视，在微观领域里，大 型的机器人微操作手已经不再适用，因此更高精度的微操作手被迫切需要。然而在微操 作手方面，尽管有许多的科学工作者都做出了非常大的决心和努力，很多具有代表性的 微操作手模型也出现，这些都表明在微操作手方面的研究也在一步一步的走向成熟。但 是仍然有许多有待解决的问题，这些问题也正是目前微操作手的研究不能进一步发展的 最大阻力。而且其中很大一部分都来自微操作手的驱动元件，一个具有高稳定性和高精 度定位平台的微操作手首先应该有一个稳定的输入元件，也就是性能z t e l 好的驱动元件。 但是目前应用于大多数微操作手的驱动元件都是压电陶瓷，但是压电陶瓷有迟滞、蠕变 和非线性等缺点而对操作手的定位精度有比较大的影响【7 1 。而且像如何让微操作手的精 度更高、可靠性更稳定和可控性更强，成为当前的重要热点，也成为国内外学者的研究 热点。 1 2 论文研究的目的意义 1 2 1 研究的目的 微操作指的是在显微镜下对l m m 以下的物体的部分或整体进行处理和操作，而且 微操作需要要借助于微操作平台来操作和实现【8 1 。随着科技的不断进步，各个领域已经 第一章绪论 从丌始的宏观操作到微观操作的一大转变。在发展的过程中各种大尺寸，大体积的机械 器材也不再适合于微小操作的要求，而且一些在宏观领域早的特性放在微观罩也并不适 用。因此在科学家的不断努力和探索下，已经在微小操作领域得出了比较丰富的研究成 果。本课题主要是研究设计一种新颖的二维微操作平台。在平台上安装不同类型的操作 手可在不同场合进行操作和运用。此装置可以用于微装配领域、医学细胞操作领域及军 事等精密操作领域。而且微操作平台的驱动元件采用的是目前比较常见的压电陶瓷驱动 器，这一类型的驱动器利用的是机电耦合效应，即逆压电效应或电致伸缩效应来产生微 位移作用，因此压电陶瓷驱动器具有很多的优点：如响应速度快、无机械吻合间隙、有 较大的力输出、功耗低。但其也有不好的特性，即迟滞性和蠕变性【7 】。本课题主要研究 的是考虑压电驱动器迟滞性的微操作平台的仿真与控制，其目的在于对微操作平台进行 控制时尽可能的减小或者消除其因压电陶瓷驱动带来的迟滞误差，从而提高平台的定位 精度，使得平台运动可靠性好以及可控性强。 1 2 2 研究的意义 一般传统意义的铰链都伴有精度差，误差大，机构的体积大，铰链摩擦和有间隙等 缺点，因而其并不适合于需要有精确操作的微小领域。为了解决这个问题，本课题正是 采用柔性铰链代替传统铰链，柔顺机构代替传统机构。设计出一种基于二级杠杆放大原 理的二维微操作平台机构。使其既可以达到精度好、误差小、无间隙和结构紧凑，也能 避免传统铰链的摩擦和保证了其拥有大的工作范围的要求。柔性铰链只是利用本身材料 的弹性特性，达到传递位移、力和力矩的一种运动部件，其最终的平台上可以根据需要 安装各种装置，例如注射针等，可用于完成各项需要操作的任务。利用杠杆放大原理主 要意义在于使得运动平台具有很大工作空间，这样它的操作性更强。而选择压电陶瓷作 为微操作平台的驱动，主要是因为它具有精度高、体积小和响应较快等优点，但也同时 具有迟滞性、蠕变和非线性等不足，其中又于其迟滞特性对平台的精度影响最为明显。 本文考虑到压电迟滞效果，正是要找到一种方法来消除其不足，以提高系统定位精度。 所谓的压电驱动迟滞性，即压电回程时输出位移产生了一个回程误差。因此在对机构进 行控制与仿真时，采用迟滞补偿的方法，消除因迟滞性而引起的迟滞误差，从而提高微 操作平台的精度。在对平台控制时采用的是p i d 控制器的前馈补偿控制策略，形成一套 完整的控制系统和基于p r e i s a c h 模型迟滞补偿方法，这也有利于后来的工作者得以参考、 借鉴和帮助。 1 3 微操作平台的国内外研究现状 现今，在国内外对微操作平台的研究都比较晚，国外相比国内来说相对要早一些， 也具有一些代表性的微操作模型。虽然国内相对研究的较晚，但在一些知名高校里也出 了一定的研究成果，下面介绍一些在国内外比较有代表的模型结构。 第一章绪论 1 3 1 国外研究现状 如图1 1 ( a ) 中的德国p i 公司研究的三轴压电陶瓷驱动的纳米级微操作手，其运动范 围1 0 0 p m 1 0 0 u m 1 0 0 i ，t m ，外形尺寸4 4 m m 4 4 m m 4 4 m m ，分辨率为1 n m 。主要应用 于光学系统检测m e m s 定位和校准、微加工和微装配等。图1 1 ( b ) 中的德国j e n a 公司研 制的五自由度微操作手，三个平动运动可达1 0 0 1 a m ，两个转轴转动可达2 5 m r a d ，频 响达到5 0 0 h z 以上，分辨率达到纳米级，外形尺寸6 8 r a m 6 8 m m 4 0 m m ，用于显微镜 头的调整。 ( a ) 德国p i 公司的微操作手( b ) 德国j e n a 公司的微操作手 图1 1 微操作手 美国西北大学研制出一种用于眼科手术的六自由度微操作手，而且这种微操作手是 首次应用于视网膜闭塞的治疗，由六个并联支臂支撑的一种可达到的微小尺寸和形状的 装置，就相当于人的手腕和手抓一样能抓起一种细长的外部工具，这也就允许有多个操 作手同时对一只眼睛进行治疗一j 。许多国家和工作者研究和设计了不同自由度的微操作 平台，这些平台有大的工作空间、大的自然频率和高分辨率等优点。像j 、r y ue ta 1 就 设计了一种基于压电陶瓷驱动的弹性x y o 的三维微操作平台，这个平台系统有很高的运 动范围，在x 和y 方向的运动范围分别为4 1 5 m 和4 7 8 m ，而且最大的旋转角度为 3 2 2 8 a r c s e c 【iu j ；m l c u l p e p p p e re ta 1 则使用了一个柔性平台设计出一个6 自由度的廉 价的纳米操作平台，这个平台在1 0 0 n m x l 0 0 n m 1 0 0 n m 空间里的分辨率高达5 n m ，而且 其开环误差小于0 2 j ；y m le ta l 也设计了一个紧凑的二自由度的微纳米平台，其 空作空间为1 8 0 p r o 1 8 0 p r o ，其分辨率是几个纳米【1 2 1 ；y k y o n ge ta l 设计了一种二自 由度弹性平台，此平台有一个很好的扫描范围为2 5 t m 2 5 ，且其第一阶的模态频率,um 为2 7 k h z ，有很高的自然频率【i 引。此外，日本大阪大学理工科研究生院设计出了一种3 自由度并联微操作模块手，可将微小化的最优化联接机构用于模块手中，更是将一种成 像制作系统用于模块化的制作。更为一提的是，此3 自由度的模块手使用的是柔性铰链 代替了传统的铰链，这样其精度更加的高，结构更加的紧凑。整体尺寸只有 2 3 m m x 2 3 m m x 4 0 m m ，而且模块手的相对精度模块小于0 1g m 1 4 】。 1 3 2 国内研究现状 我国虽然在这方面起步比较晚，但是也已研究出了比较多的成果。例如南丌大学进 第一章绪论 行的“面向生物工程的微操作机器人系统”的研究，其实现了对直径为1 2 1 3 9 m ，厚度小 于5 9 m 的动物细胞的转基因注射i l5 1 。而且哈尔滨工业大学设计的“微纳米级位移驱动器” 已达到了2 微米一5 纳米的线位移分辨率。“微操作机器人系统”促动运动行程为2 5 m m ， 运动分辨率仅为1 t i n ；旋转驱动运动行程为1 8 0 度，运动分辨率仅有o 0 1 度，微操作 手x y 向行程则为3 8 i r t m ，而z 向行程仅为9 5 9 m ，x y z 向分辨率可达1 0 n m 。重庆 大学研制出一种压电驱动微央钳( 如图1 2 ) ，该央钳采用一种基于双边和单边的直圆角 柔性铰链的单片柔顺机构实现微位移传递放大功能，同时实现微央钳抓起的平行移动。 抓起的输出位移与输入位移呈线性关系，而且微央钳单边的抓起输出位移最大可达 1 5 0 9 m 。另外上海交通大学也设计出一种毫米级微型机器人操作手，该操作手使用的是 单晶片型压电悬臂梁制作了一种双悬臂梁结构的微型夹持器，该微夹持器的整体尺寸仅 为1 5 m m x 2 m m x 2 m m ，重仅为1 0 0 m g t l 7 j - 【博j 。 图1 2 柔性微夹钳 1 4 论文主要研究的内容及安排 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 设计研究出一种新颖的二自由度微操作平台：此二自由度微操作平台采用的是 柔性铰链取代传统铰链，而且利用了二次放大机构对输入位移进行放大，目的是为了达 到大行程的要求。 ( 2 ) 对设计出的结构进行三维建模并运用仿真分析：采用模拟仿真器对设计出的机 构进行模拟分析，仿真分析其结构的合理性和可靠性。并最终制作实物模型进行实验， 而且将与模拟实验的结果进行比较看其误差的大小是否在允许的范围内。 ( 3 ) 提高机构的精度：平台的驱动元件采用的是压电陶瓷，而压电陶瓷不仅有其优 势，而且有一些不足，例如压电迟滞特性和蠕变性等，这些都是影响运动平台精度的关 键因素。为了让运动平台有一个更好的位置精度，在此要研究一种压电陶瓷的补偿控制 第一章绪论 方法，用来消除压电陶瓷的迟滞特性，最终提高平台的运动精度。 ( 4 ) 控制方法的研究：目前对微操作平台采用的一般控制方法都是集中在单个采用 p i d 控制器、神经网络控制、模糊控制、单片机控制和滑模控制等。这些控制方法各有 优点，但也有不足。因此本文中将研究出一种比较实用的控制方法。 ( 5 ) 控制算法研究：研究出一种适合的控制算法，对平台进行实时控制，让其能有 更加高的平台运动精度和可操作性及可控性。 1 4 2 论文主要安排 本文主要分为8 个章节，第一章为绪论，主要介绍了本文的研究意义和目的及国内 外发展现状和本文的研究内容；第二章节主要讨论和设计了一种新颖的柔性微操作平 台；第三节主要对平台进行了运动学、静力学和动力学分析，同时对平台进行了优化设 计和分析；第四节主要是利用有限元分析了运动平台的位移输出和应力分布情况；第五 章对平台的驱动元件的分析并分析了p r e i s a c h 迟滞模型；第六章主要是对平台进行了控 制方案的设计和分析；第七节为实验与验证；最后一节是结论与展望部分。 第二章柔性微操作平台结构设计 第二章柔性微操作平台结构设计 柔性微操作平台是目前为止在微操作领域罩运用最频繁也是最实用的一种平台结 构，在此将设计一种新颖的二维微操作平台。而且采用柔性铰链作为其传递和转换力与 位移的关节，具有震动小，传动平稳的特点。此外平台利用压电陶瓷作为其驱动元件， 不仅能使其有精确的定位，也使其控制方便。 2 1 柔性铰链分析及选择 柔性铰链是近代兴起的一种铰链连接方式，相对传统铰链，由于其具有无机械摩擦， 高精度，无间隙等优点。多应用于微g f l 米操作领域，微装配领域和微生物与医学领域等。 柔性铰链按功能不同可分为两种形式，一种是用于传递位移，一种是用于传递转矩。 2 1 1 铰链形式 早在1 9 6 5 年，p a r o s 和w e i s w o r d 第一次提出来如何设计一个柔性铰钭19 1 。柔性铰 链根据其开口型式不同可分为半圆型切i s 铰链、矩型切口铰链和椭圆型切口铰链【2 0 1 ，如 图2 1 所示。 ( a ) t - 圆型切口铰链 ( c ) 矩型切口铰链 ( b ) 椭圆型切口铰链 4 。、 j 吼，一、 ：、，、 ! “、 、t 一， 图2 1 铰链开口掣式 ( d ) 铰链旋转轴形式 第二章柔性微操作平台结构设计 2 1 2 铰链特性 在上图2 1 ( d ) 中口 以看剑，铰链的工作万向为绕z 轴的旋转万问。 铰链的刚度和运动范围：d - 程可分别表示出来【2 0 】。 ( a ) 半圆型切口铰链刚度和运动范围( 应力旋转) 方程 ：答 仃= 群臼 其中e 为弹性模量，b 为铰链的厚度，而且2 瓦t ，厂( ) 2 西务。 伯) 椭圆型开i = i 铰链刚度 原始的计算几种 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 【_ = 而3 s 厂( 岛) ( 2 - 3 ) k o _ f 2 e b a ：u 叫7 其中e 为弹性模量，b 为铰链厚度，展2 瓦t ，成2 去，占2 口a ，1 2 象，厂( ) 2 砭务。但是当 二“一厶“一 u工，) - k o ，u z - 酾2 e b a ： ( 2 - 4 ) ( c ) 矩型开口铰链刚度及运动范围方程 = 等= 筹 ( 2 - 5 ) q = 差= 罢气。 ( 2 6 ) 2 1 3 柔性铰链运动机构类型 柔性铰链根据其不同的组合可形成不同的运动铰链机构，这些运动铰链机构经过不 同的组合又可形成不一样的柔顺机构，即柔性运动平台或微操作平台。一般最常见的铰 链机构分为棱柱形柔性铰链，而棱柱形又分为有平行四杆机构、双平行四边形机构和双 四杆机构，下图2 2 表示的就是这种铰链机构及其简化图。 第二章柔性微操作平台结构设计 采二 。节 t i i ( a ) 单平行四边形( b ) 舣平行四边形 图2 2 棱柱形柔顺铰链机构和其简化图 从上图中可以看出几种常见的铰链机构和其简化图，图2 2 ( a ) 中，是单平行四边形 机构，其一端固定，一端自由。当在x 方向施加一个力凡时，在y 方向有一个位移损失 q ，而且这一损失是不可避免的；图2 2 ( b ) 中，是双平行四边形机构，其有一端固定， 两端自由。同样当在x 方向施加一个力r 时，在y 方向也有一个对应的位移损失e ，但v 是这个位移损失要比单平行四边形的要小很多；而在图2 2 ( c ) 中的双四杆机构中，其两 端都固定，而且是沿着中心线对称，所以当给一个同样力大小的f 时，其在y 方向上几 乎没有位移损失，起到了很好的解耦效果。 2 1 4 铰链的选择 不同的铰链开口型式，其精度和柔度也不一样，本文最大的要求就是在保证精度和 应力许可的情况下尽可能有大的工作空问，也就是说要尽可能有大运动范围。上面的三 种铰链丌口型式中，半圆型切口铰链其运动精度最好，但是变形能力最差；矩型切口铰 链和它相反，变形能力最好而运动精度和应力分布不太好；椭圆型切口铰链介于这两者 之问。半圆型切v i 铰链和矩型铰链的分析在文章发表的论文中已给出【2 2 】，可知，为了满 足机构的最优性，选择矩形丌口铰链作为本文中机构的铰链型式。 第二章柔性微操作平台结构设计 2 2 放大机构原理分析 放大机构主要是应用于只有比较小的输入量时而要得到一个比较大的输出量的平 台机构，一个传统铰链连接最简单的一级放大机构如图2 3 所示【2 3 】。在图中a 点给一个 输入力e 时，在b 点有一个输出力e ，则根据力矩平衡关系可以得到如下关系式 彳厂) r = = 只 ( 2 7 ) b o j。 其中a o 与b o 分别为a 、b 两点到。点的距离。 s a x b 图2 3 一级放人机构简图 f b 图2 3 中可以看到，当在a 点沿着y 负方向给一个力时，杆沿着o 点产生一个旋转 角度护，在a 点沿y 方向产生位移的同时，在x 方向也有一个位移损失a x 。，相应地在 b 点沿x 方向也有一个位移损失舣。则由几何关系a 、b 两点的位移损失为别可表示 为 似。= a 0 0 一c o s o )( 2 8 ) x 。= b o ( 1 一c o s 0 )( 2 - 9 ) 因此可得到放大机构的理论放大比为 a = 猷aa 0 0 一c o s o ) b o 彳d ( 2 - 1 0 ) 然而沿y 方向产生一个位移s 的同时，则在b 点也相应的产生一个输出位移， 根据放大原理可的到两者的关系式为 只r ) s n = 丑s a = 丢一 ( 2 - 1 1 ) 以u 此处的理论放大比元并不是实际的机构放大比，因为在y 方向位移损失很小，故可 忽略不计。 而在实际应用中，一级放大机构往往不能满足所需要的性能要求，这样就有了二级 放大机构的产生。同样的二级放大机构只是在一级的基础上串联另一个一级放大机构， 不同的是后一个一级放大的输入是前一个的输出，这样起到了位移累积的效果，使它的 第二章柔性微操作平台结构设计 位移输出达到理想的效果。如图2 4 所示为一个二级放大机构简图。