微操作/微装配中微力觉的测量与控制技术研究现状综述

微力觉的测量与控制技术是微操作/微装配领域内的核心内容和难点课题,是满足微器件可靠操作与无损装配要求的重要技术保障之一.本文介绍了微操作/微装配机器人系统的典型框架,并对各分系统的研究要点做了分析与回顾.然后,从微力觉的特点、微力测量方法与传感器、微力觉控制三个方面对微力觉的测量与控制技术的发展现状进行了综述.着重介绍了近些年在远程微操作系统和微操作/微装配系统中微力觉控制的方法及核心研究内容的研究成果.在此基础上,提出了微力觉测量与控制亟待解决的一些关键问题,并对这些关键问题的解决方案进行了探讨.最后,对微力觉的发展前景和方向进行了展望.

超微力发生系统及其电容采集模块的设计

阐述了静电场复现微小力值的原理及实验方法;设计了超微力发生装置,并在此基础上提出了超微力发生系统;超微力发生的原理表明,电容采集模块是超微力发生系统的关键模块。根据超微力发生装置结构,选用USB控制芯片CY7C68013和电容采集芯片AD7747,设计了基于USB2.0的电容采集电路,编写了固件和上位机控制程序实现了电容数据的采集和保存;进行了电容梯度测量实验。

用于微装配的三维微力传感器的研究

采用硅基应变片设计了一种可用于精密微装配作业过程,检测x、y、z方向微接触力的三维微力传感器;经微小改动后,该传感器可成为五维微力传感器。分析了力传感器测量原理,建立其测量模型,并设计了传感器信号放大电路。测试了微力传感器的性能指标,在x、y、z3个方向的微力测量分辨率为0.001 N,测量精度可达0.005 N,测量范围为-0.5^+0.5 N。最后设计了微装配作业控制系统,并利用该传感器实现力位移混合控制,顺利完成了180μm微型轴与200μm微型孔间的精密微装配实验研究。

差动式微力加载装置的结构设计与优化

为了在微力标定系统中实现微力稳定加载,设计了一种基于柔性铰链的等厚度对称差动式垂直微力加载装置。首先对装置的工作原理以及平衡性做了详细介绍;然后在对装置结构参数进行单因素分析后,选取一组参数进行正交试验及极差分析,得出结构参数对输出微力影响的主次关系和装置的较优参数组合;最后,对优化后的模型进行不同载荷分析,结果表明优化后的微力加载装置能够稳定地加载微力且具有良好的线性关系。

二级杠杆式微牛级微力发生机构

针对力传感器标定系统难以精确加载微牛级微力的现状,设计了一种二级杠杆式微力发生机构。首先,在比较了常用柔性铰链精度性能的基础上,介绍了微力发生机构的工作原理。然后,在考虑杆件变形和柔性铰链中心偏转的基础上,分析了各级杠杆和各柔性铰链的受力和能量传递情况,推导了二级杠杆式微力发生机构力缩小倍数的理论计算方法,并以实现某一力缩小倍数为设计目标,据此提出了微力发生机构的优化设计方法。接着,进行有限元仿真分析,得到了不同输入力下的力值响应特性。最后搭建了微力发生机构的性能实验测试平台。结果表明,有限元分析、实验结果与理论力值间的最大误差分别为5.501%和7.391%,实验非线性误差为2.89%,可实现0～500μN的微力加载。认为力缩小倍数满足设计要求,验证了采用该优化设计方法准确设计二级杠杆式力柔顺机构、提高微力加载精度的有效性。

重力场下垂直微力发生装置的研究

随着海洋科学研究的不断深入,可测微小上升流的流速传感器的重要性越来越突出。为了解决对其标定需要稳定的μN级微力这一难题,文章提出了一种可行的垂直微力发生装置,并对整体装置在重力场作用下的变形及微力缩小效果进行分析,最终提出了一种对称差动配重式结构方案;通过有限元分析软件得出装置理论缩小倍数。结果显示:这种对称配重式差动装置有效减小了装置在重力场下的变形,同时能够输出稳定的μN级微力。

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。

PT/PZT/PT薄膜微力传感器

提出了一种基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器。运用Sol-Gel(溶胶-凝胶)法制作了PT和PZT薄膜,采用X射线衍射技术表征了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的成相特征,用阻抗分析仪测试了PZT和PT/PZT/PT薄膜的介电常数。结果表明,在PZT薄膜退火温度同为600℃时,PZT和PT/PZT/PT薄膜均为完整的钙钛矿结构,而且PT/PZT/PT薄膜沿(100)晶向强烈取向;在测试频率为1 kHz时,经600℃热处理条件下制备的PZT和PT/PZT/PT薄膜的相对介电常数分别为525和981。最后应用MEMS工艺制作了基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器。在静态和准静态下对微力传感器的传感特性进行了测试。测试结果表明,力与位移或电荷具有良好的线性关系。两种尺寸微力传感器的灵敏度分别为0.045 mV/μN和0.007 mV/μN,力分辨率分别为3.7μN和16.9μN,满足了微牛顿量级微小力的测量。

一种集成微力检测的压电式微夹钳

针对微装配任务设计了一种双悬臂梁结构的压电双晶片微夹钳,该微夹钳由两个压电双晶片驱动.建立了压电双晶片的复合梁模型,并对它的微位移—电压特性、夹持力—应变特性进行了数学分析.通过检测悬臂梁根部的应变信号实现对微夹钳夹持力的检测.实验证明该微夹钳工作可靠,能够满足微装配机器人装配任务的要求.

集成微力检测与反馈的双晶片微夹持器

微夹持器广泛应用于微装配、生物、医疗等领域。目前复杂武器装备生产中的微小型结构件及系统的夹持和装配还是依靠现场工作人员的经验决定,因此,有必要对微夹持器进行研究。以双晶片微夹持器为例,针对复杂三维微小型结构件及系统,提出了集成微力检测与反馈的组合式微夹持技术并研制了相应的微夹持器;阐述了微力检测与反馈的基本原理,搭建了面向双晶片压电陶瓷微夹持器的基于半导体应变片的微力检测与反馈电路。通过夹持实验实现了微力信号的测量与检测,为夹持、移动和装配过程中的微力测量提供了条件。

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。

基于MEMS的硅基PZT薄膜微力传感芯片

为了测量毫克级的微小力，设计并制造了一种硅基PZT薄膜悬臂式微力传感芯片。采用溶胶-凝胶（Sol-Gel）方法在Pt／Ti／SiO2／Si衬底上成功制备了厚度不同（300-800nm）的锆钛酸铅（Pb（ZrxTi1-x）O3）薄膜，薄膜表面均匀，无裂纹。通过测试和分析，研究了PZT薄膜的制备工艺参数和压电、铁电、阻抗特性。采用微机械加工手段制作了长度为1000μm、500μm、250μm的硅基PZT薄膜微型悬臂结构。当在悬臂的自由端沿着厚度方向施加毫克级的微小力时，微型悬臂就会在厚度方向发生弯曲和振动，通过测量在压电材料表面电极上的电荷量，并通过计算可得到微型悬臂所受的集中力的大小，实现微力的测量。该文还对微力传感芯片的工作方式进行了研究，初步设计了传感器系统模型。

集成式五维微力/力矩传感器的研究

五维微力 /力矩传感器应用于微装配机器人操作末端的微力觉感知 ,能够同时测量三个方向的微力Fx、Fy、Fz 和两个方向的微力矩Mx 和My;测力量程± 1N ,测力矩量程± 0 .0 5N·m ;放大电路集成在传感器的本体中。应用力学理论对本体进行理论分析 ,推导出计算公式 ,求出本体的应变 ;并采用有限元分析软件进行仿真 ,分析应变 。

基于MEMS技术的三维微力传感器

开发了一种基于MEMS技术制作的三维微力传感器,传感器为完全对称结构,由4根垂直放置和1根悬臂放置的硅梁连接而成。每根硅梁上设计了一个利用MEMS工艺制作的惠斯通电桥,该种电桥应变系数大,在很大程度上简化了电桥处理电路的设计。在弹性力学和材料力学基础上,利用SOLIDWORK软件对传感器进行了应变分析,得出了力和输出电压之间的关系。设计了传感器信号检测电路,确定了减小温度对检测精度影响的方法。测试表明:该传感器检测量程为±0.5 N,重复定位精度优于9.1 mN,分辨力优于0.95 mN.

微力测量装置中边缘效应对电容结构设计影响分析

为研究边缘效应对微力测量装置中柱状电容结构设计的影响,利用理论计算结合有限元模拟方法,分析了目前常用柱状电容装置在不同电极重叠长度、间距、加载电压等参数条件下,电容边缘效应与微力输出值之间的联系,并在此基础上提出了适用于微力测量装置中柱状电容的结构设计与工作参数。结果表明:微力测量装置中的柱状电容装置在电极重叠长度且电极间距均较小时,存在可忽略边缘效应影响的区域,此区域内微力输出具有较好稳定性,重叠长度变化时微力输出改变极小;电极间距较大时,随着加载电压升高,边缘效应的影响增强;且随着内外电极重叠长度增大,边缘效应影响程度受加载电压影响更明显。

压电作动器在微力微位移装置中的应用

在微力微位移装置中采用闭环控制压电作动器实现微位移进给和微力加载 ,设计了加载机构 ,建立加载机构的压电作动器输入电压、加载装置输出位移和输出力之间的关系。通过电容测位移仪检测输出位移 ,实验得到加载系统刚度 ,根据压电作动器输入电压、加载装置刚度 ,计算出加载力大小。

集成铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器的制作

由于SU-8胶的弹性模量比硅的低,在SU-8胶悬臂梁上集成金属压阻可获得很高的力灵敏度系数,因此本文基于SU-8胶设计并制作了一种集成蛇形结构铜金属压阻层的SU-8胶悬臂梁微力传感器。介绍了制作微力传感器的新型工艺,并进行了传感器性能测试。实验结果表明:设计的SU-8胶微力传感器在0～350μN具有较好的线性度,力灵敏度为0.24mV/μN,测量误差为4.06%。该微力传感器可以满足对微小力的测量,相对于硅材料的微力传感器,其制作工艺更加简单,周期更短。由于SU-8胶的生物兼容性好,该传感器在生物医学研究领域有着很好的应用前景。

微力微位移天平测试方法

介绍了一种简单有效的微力、微位移天平测试方法,通过对薄型硅悬臂梁进行力—挠度特性测试进而提取材料杨氏模量的方法是简便、可行的。还介绍了用于测量薄膜应力的悬臂梁挠曲法,对于硅上热生长1.1μm SiO_2的结构,测得SiO_2膜内的压应力为200～230MPa.微力微位移天平测试方法操作方便,仪器成本低,具有较高精度。

一种新型FBG微力传感器

设计并制备了一种新型微力传感器。将光纤Bragg光栅（FBG）用聚氨酯封装成柱状,将其一端固定在外壳底板上,另一端和杠杆的一端固定,通过杠杆原理起到对微力的增敏作用。当作用力在0~1.666 N变化时,该传感器的灵敏度为0.952 nm/N,是裸光纤拉力灵敏度的3.81倍。通过改变杠杆比例可以使该结构满足不同的测量范围和灵敏度。

用于微摩擦测试的微力传感器及其制作

微构件表面的摩擦状况和磨损机理与宏观构件有较大的区别,需一种能够测量微米尺度样品摩擦特性的专用仪器。给出了一种新型硅微力传感器的设计原理、结构、制作工艺及其弱信号采集方法。静态性能测试结果表明,传感器最大输出电压2000μV,重复性约为1 3%,灵敏度约为65V/N,分辨率为46μN,总精度为2 3%,基本上满足了微摩擦测试的需要。实验及计算表明,通过优化微力传感器的结构,改进芯片的封装,可以大大减少其体积,并提高其各项性能指标。