Experimental Study on Electrostatically Actuated Micro-Gripper Based on Silica Process

The characteristics of a kind of comb-drive electrostatic actuated micro-gripper are tested. The test platform using a microscope-CCD-computer, the state information of the micro-gripper obtained by data acquisition and image processing, voltage-displacement characteristic curve is obtained and the mathematical equation is established. The analysis of the characteristic equation has shown the consistency and rationality of the theoretical design and the experimental results. The main factors that cause the difference between the theoretical design and the actual test performance are analyzed, and the design method and experimental results is obtained for the micro-gripper in the field of micro-assembly.

一种新型柔性双轴微夹钳的设计与分析

针对传统的微夹钳在复杂的微操作中只能沿单轴进行夹持操作的不足,文中设计了一种柔性铰链的双轴微夹钳,结构简单又紧凑,该微夹钳由一个压电陶瓷驱动器驱动,实现夹持和旋转两种操作。采用非对称结构设计,实现左边完成向前旋转动作,右边完成夹持动作。通过左右两边两级放大机构结构设计不同,实现位移放大和运动传递。为实现抓取和搓动功能的解耦,对两部分的运动导向机构进行了正交设计。采用伪刚体法建立了机构的伪刚体模型,建立了机构的运动学和动力学模型,包括运动机构放大比、输入刚度和机构的固有频率。通过有限元分析方法验证了微夹钳的性能模型的准确性。仿真试验结果表明,左侧机构的放大比为8.01,右侧放大比为8.56,最大输出位移可达171.36μm。所设计的微夹钳具有良好的抓取和搓动的性能,可实现高精度的抓取和释放操作。

微装配机器人系统

研制一种具备多操作手协调工作的微装配机器人系统,该系统包括两个4自由度的主微操作手和一个3自由度的辅助微操作手,并采用双光路正交显微视觉作为获取机器人和微对象的位姿与环境信息的主要手段。为适应不同形状和材质微目标的操作需要,分别设计真空和压电陶瓷两类微夹钳,以微夹钳工作原理分析为基础,给出微夹钳的控制依据。就显微图像获取和视觉伺服等问题进行研究,包括基于维纳滤波的模糊图像逆滤波器复原,基于图像分析的显微镜自动调焦,以及基于距离和角度图像特征的显微视觉伺服控制等。以人机交互的半自主方式控制机器人进行微装配作业。装配结果表明,系统工作可靠,能够完成具有复杂工艺要求的微装配任务,目前微零件最小装配精度可达30μm。

基于MEMS机构装配的微夹持器研究

微夹持器作为末端执行装置,直接决定了微装配的效率。MEMS机构中包含许多微小的活动部件和功能元件,为实现这些微小器件的稳定夹取和自动装配,设计了一种采用压电陶瓷驱动、基于柔性铰链的二级放大微夹持器结构。对该微夹持器的节点应力、刚度及最大张合量等进行了分析计算,并对微夹持器进行了试制。实验与分析结果表明,该夹持器最大张合量是245μm,放大倍数约为12.3倍,满足MEMS机构的装配要求。在此基础上,重点对张合量与夹持力进行了系统测试,通过对测试数据的非线性回归,推导出99.99%可靠度的驱动电压计算公式,实现了微夹持的精确控制。

基于有限元方法的柔性铰链式微夹持器优化设计

设计了一种以柔性铰链为转动副的微夹持器。微夹持器采用压电陶瓷驱动,具有结构简单、加工方便、夹持范围大等优点。在设计过程中,采用有限元方法,推导了柔性铰链的刚度矩阵与一致质量矩阵,优化了微夹持器的结构尺寸。为了验证算法的正确性,根据优化后的尺寸建立了几何模型,并利用ANSYS有限元分析软件对夹持器进行了静力学和动力学分析,分析结果与计算结果吻合较好,说明了算法的正确性。

新型集成三维微力检测微夹持器

提出了一种以压阻检测技术为基础,压电陶瓷为微驱动元件,具有两级位移放大且集成三维微力传感器的微夹持器。采用有限元软件对微操持器放大机构和传感器弹性体进行分析,并给出了传感器的标定方法。实验证明,该传感器具有无耦合、测量分辨率高、线性度好、标定简单的优点,满足了预计的设计要求,传感器最大量程为10 mN,X向与Y向的分辨率均为2.4μN,Z向的分辨率为4.2μN;同时也验证了所设计的微夹持器的合理性和实用性,当压电陶瓷驱动电压取200 V时,微夹持器的张合量达到最大值274μm。

两级位移放大微夹持器的研究

微夹持器是完成微操作、微装配作业任务的重要工具,其体积、质量、张合量、微夹持力等是微夹持器设计过程中的重要指标。利用压电陶瓷作为微驱动元件设计了一种具有两级位移放大的微夹持器,并采用有限元软件对其进行张合量、微夹持力的分析。经实验测试,验证了所设计的微夹持器的合理性和实用性。

毫米器件半自动微装配系统研制

微靶是惯性约束聚变研究中的一个关键器件,针对该器件研制了一种半自动微装配系统,该系统可以对由两半腔(直径约800～1000μm,长1 mm左右)和微球(直径200～500μm)组成的微器件进行半自动装配。详细介绍了该系统的结构与组成及其所采用的关键技术与解决方案,分析了装配过程显微在线检测系统误差影响因素,并建立了测量误差数学模型。装配实验表明:该系统的装配精度≤10μm。

一种集成三维微力传感器的微夹持器研制

微操作中力的检测与控制是实现无损伤操作的关键。因此,该文提出了一种以压阻检测技术为基础,集成三维微力传感器的微夹持器。传感器标定实验结果表明,该传感器具有耦合小,测量分辨率高,线性度好的优点。传感器量程为-10^+10 mN,在x、y向的分辨率均为2.4μN,z向的分辨率为4.2μN。微夹持器采用压电陶瓷驱动两级柔性放大机构,实现张合量300μm,完成了微夹持实验。

面向中间尺度零件精密装配的微夹持器

中间尺度零件广泛地被应用于复杂微小型武器系统的研发和生产中。中间尺度零件的尺度范围跨度大,形状种类多样,结构易被损坏,在目前我国武器装备科研生产中主要以手工装配为主,效率低,可靠性差。因此,如何在自动化操作和装配过程中对中间尺度零件进行安全可靠的夹持,一直是微小型武器系统精密装配领域的一个难点。研制了一种针对特征尺寸在亚毫米级至厘米级的轴类和块类零件的跨尺度微夹持器,通过成对的刚性-柔性夹爪以及精密直线运动平台的驱动来实现夹持动作,用粘贴于柔性夹爪上的应变片传感器所构成的电桥来实时测量零件所受夹持力作为控制依据。对柔性夹爪的结构参数进行了优化设计,提出同类夹爪关于所面向零件尺寸的优化设计模型。对柔性夹爪进行仿真分析,确定应变片最佳粘贴位置,推导针对柔性夹爪的特殊结构的应变-夹持力计算模型。夹持-释放实验结果表明,该夹持器能够对中间尺寸零件进行稳定、无损伤的夹持并可获得准确的夹持力信息。

压电自感知微夹钳

研制了不需要外部附加微位移与微力传感器、采用自感知方法来获取压电微夹钳的钳指位移与夹持力的压电自感知微夹钳。根据压电陶瓷晶片在驱动电压与外力作用下发生变形会在其表面产生电荷的思想,提出了基于积分电荷的钳指位移与夹持力的自感知方法;基于Jan G.Smits的压电悬臂梁弯曲变形理论,给出了钳指位移与夹持力的自感知表达式,即用钳指上压电陶瓷晶片表面的电荷来表达钳指位移与夹持力。设计了获取晶片表面电荷的积分电路,给出了其平衡条件为晶片电容与其绝缘电阻之积同积分电容与反馈电阻之积相等。自感知验证实验结果表明:修正后在31.59μm最大钳指位移范围内的自感知位移最大偏差为0.78μm;在35.91mN最大钳指夹持力范围内的自感知夹持力的最大偏差为0.24mN。实验结果验证了所提自感知方法是有效的。

面向MEMS微装配的夹持器的设计和实验研究

介绍了一种由PZT(压电陶瓷)驱动的用于MEMS微装配的微夹持器的设计,计算了夹持器本体的放大倍数和刚度.并用ANSYS仿真验证了数学计算的准确性.采用了基于视觉的标定方法,标定了微夹持器刚度、张合量、夹持力以及夹持力和张合量的关系。实验表明:夹持器张合量达280μm,夹持力达0.1N,可精确操作200- 2000μm的微齿轮,实现了微行星齿轮减速器的装配。

基于Dahl模型的压电陶瓷微夹钳控制研究

针对微零件装配工艺的需要,开发了一套基于压电陶瓷驱动的微夹钳,建立了压电陶瓷驱动微夹钳位移与电压的关系模型,针对压电陶瓷迟滞现象提出了基于Dahl模型的前馈补偿控制和PID混合控制算法,微装配实验证明该模型结构控制效果好,能达到控制要求。

集成三维力传感器的微夹持器设计与试验

设计了一种集成三维力传感器微夹持器,通过压电陶瓷堆驱动和柔性铰链放大来实现夹持动作.微夹持器的弹性体为2个L型结构,对L型结构进行了优化设计和受力仿真分析,在2个L型结构的相应敏感部位分别粘贴3组应变片对空间三维力进行测量.通过试验验证了微夹持器的合理性和实用性.

面向某微小型平板类零件的微装配系统研究

针对平板类微小型零件装配中出现的自动化程度低、可靠性差的问题,提出基于主机+从控制器+多种传感器的微装配控制系统;设计了吸附式微夹持器代替卡爪式微夹持器,解决了平板类微小型零件难以夹持的问题;同时设计了基于单摄像机的光学自动对位系统,以完成装配件与装配基体之间的精确对位检测。实验中所搭建的微装配系统可较好地完成平板类微小型结构件的装配。

压电微夹钳的位移自感知反馈复合控制

采用自感知方法获取压电微夹钳钳指位移,构成自感知反馈复合控制系统。根据反映钳指位移、表面电荷、夹持力、驱动电压之间关系的压电悬臂梁Smits方程,提出了基于电流积分的钳指位移自感知方法;引入死区算子对传统PI模型进行改进,建立了压电微夹钳钳指位移的迟滞模型;以对偏差的抛物线积分、对输出的先行微分分别代替常规PID控制器中的积分项和微分项,设计出了压电微夹钳的改进PID反馈控制器;将前馈控制器与PID反馈控制器相结合,并采用自感知反馈方式,设计出了压电微夹钳的闭环控制系统。实验结果表明：在自感知反馈复合控制作用下,压电微夹钳对5μm阶跃参考位移的响应时间为0.24 s,若不考虑噪声影响,稳态误差几乎为零;在最大位移为14.7μm的变幅值三角波参考位移以及最大位移为14.1μm的任意波形参考位移作用下,压电微夹钳的自感知反馈复合控制亦可取得良好的控制效果,其稳态误差中线在-0.02-0.04μm之间变化。自感知反馈控制的实验结果与传感器反馈控制基本相同,从而表明压电微夹钳的自感知反馈控制是有效的。

串联死区算子的压电微夹钳PI迟滞模型

针对Prandtl-Ishlinskii（PI）模型要求被描述对象的初载曲线为凸函数,且模型与其逆模型都应关于算子中心对称的不足,通过引入死区算子对PI模型进行改进,以使其更好地描述具有非凸、非奇对称的压电陶瓷材料的迟滞特性。基于实测的压电微夹钳初载曲线,采用等分阈值方式,并通过使改进PI模型与实测初载曲线间的误差函数为最小,辨识出改进PI模型的参数,建立了压电微夹钳的迟滞模型。实验结果表明,在微夹钳15.2μm的最大位移范围内,模型误差的变化范围为-0.310～0.156μm,所建模型能很好地描述压电微夹钳的迟滞特性。

一种具有力传感的微夹持器设计与标定

为了避免微夹持器在夹持微小对象过程中对其造成损伤或脱落,要求对夹持力进行预测和控制。提出了一种将电阻式应变片集成于微夹持器结构实现结构-传感一体化设计。以夹持力产生的应变最大、压电陶瓷驱动力产生的应变最小为目标对传感单元的尺寸参数进行优化设计。采用最小二乘方法分别标定压电驱动器输入电压、夹持力与力传感单元应变之间的关系。结果表明,描述驱动电压与传感单元应变的关系为3阶多项式,力传感单元应变与夹持力之间的关系为线性关系。可得出夹持力与驱动电压之间的关系为3阶多项式,利用该关系式可实现预测和控制夹持力。所提出的设计思路和标定方法为微夹持器设计提供一种新思路。

四自由度压电微夹钳的设计

为降低微夹钳前端执行机构的复杂度,探索四自由度压电微夹钳的实现问题。通过在被设计成夹钳形状的两个压电单晶片的非黏结面上制作相互绝缘的驱动电极,且使两个非黏结面上驱动电极相互对齐的方法,设计出了可同时产生夹持方向与垂直于夹持方向位移的四自由度压电微夹钳;采用压电悬臂梁变形理论,推导出了钳指位移同钳指几何参数、驱动电压的关系,进而在对钳指进行尺寸优化的基础上,采用有限元方法分析了其静动态特性;最后,对微夹钳的静动态特性进行了测试,结果表明:当驱动电压为60 V时,左钳指、右钳指在夹持方向上的位移分别为25.7μm、26.1μm,左、右钳指在垂直于夹持方向上的位移分别为33.5μm、32.8μm,钳指位移具有很好的重复性;微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的固有频率分别为2.35 k Hz、0.62 k Hz;在15 V的阶跃电压作用下,微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的响应时间均为0.23 s。

基于柔性铰链的二级放大微夹持器的研究

微夹持器是微装配系统的关键部件,设计了一种以柔性铰链为基础的二级位移放大机构的夹持器,该夹持器由压电陶瓷驱动。计算了夹持器的放大倍数和柔性铰链的节点应力,并对夹持器的最大张合量、放大倍数、夹持力和刚度进行有限元仿真分析。分析结果表明:夹持器的结构设计满足实际应用要求,对实现微小零件的自动装配有实际意义。