基于雙質量摩擦振子的黏滑驅動機理及實驗研究.pdf

1、隨著微納米技術的迅猛發(fā)展，研究對象不斷微細化，微操作機器人成為人們探索微觀世界不可缺少的重要工具。微操作器是微操作機器人系統(tǒng)的關鍵執(zhí)行部件，微操作器的性能直接影響微操作機器人的運動準確度和操作能力，要求微操作器具有較高的定位精度和高度的靈活性，傳統(tǒng)的機構設計及驅動原理是很難滿足這一需求，利用黏滑現(xiàn)象可以產生可控的微小位移，黏滑驅動方式以其結構簡單、驅動方便、高分辨率和能耗低成為微操做器中的理想驅動模式。但是對于黏滑驅動原理的理論研究還處

2、于起步階段，對黏滑驅動過程中的各類現(xiàn)象還沒有系統(tǒng)的理論解釋。如何從非線性摩擦學著手伸入分析黏滑驅動本質，如何提高黏滑驅動的性能，如何避免黏滑驅動過程中特有的回帶和擾動現(xiàn)象等問題已經成為各國學者研究的熱點。
　　首先基于黏滑驅動機理雙質量簡化工程模型對黏滑機理的振動特性進行了深入研究，得出了黏滑運動由受迫振動和自激震蕩合成的思想。以三自由度球基微操做器為研究對象，將球基微操作器的黏滑驅動過程劃分為四個階段，并得出了各階段動力學方程，

3、進行仿真和實驗，驗證了黏滑運動得振動合成本質。
　　其次根據雙質量摩擦振子動力學方程，采用數值分析的方法得到”黏”與“滑”的相位，從相位圖出發(fā)分析了摩擦力驅動產生的黏滑運動的特征。在雙質量摩擦振子模型基礎上，選擇帶三次曲線的摩擦力模型，利用Fourier級數以及諧波平衡的方法分析系統(tǒng)的頻率問題，確定了黏滑驅動最佳驅動頻率范圍。建立運動狀態(tài)方程，并轉化為相對速度狀態(tài)量，通過對相對速度狀態(tài)量的討論建立判別粘滯與滑動狀態(tài)轉換過程及劃分標

4、準，為球基微操作器的優(yōu)化設計、控制方法以及穩(wěn)定性討論奠定理論鋪墊。利用諧波平衡法，傅立葉變換以及最優(yōu)化理論對雙質量摩擦振子的頻率響應進行理論求解討論。
　　然后通過數值仿真的方式討論系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并利用能量平衡的方法進一步討論在簡諧激勵下穩(wěn)態(tài)周期響應情況。通過對庫侖摩擦模型下雙質量摩擦振子穩(wěn)定平衡性的討論，提出驅動器的正壓力補償法與基于能量補償的振動衰減法控制方法，即以穩(wěn)定摩擦力驅動摩擦振子實現(xiàn)微操作手運動的可控性及穩(wěn)定性的方法分

5、析。建立正壓力補償法和能量補償法的簡化工程模型，得出相應的動力學方程，研究了補償條件對系統(tǒng)輸出的影響，仿真證明了控制方法的正確性，并對兩種補償控制方法進行比較，分別得出各自的應用范圍與場合。
　　最終搭建實驗系統(tǒng)，設計了基于電磁鐵的正壓力補償機構及以四分壓電陶瓷管驅動平板的機械本體。主控模塊通過多路并行壓電陶瓷電源輸出的高壓鋸齒波驅動四分壓電陶瓷管，采用基于PSD的微位移測量系統(tǒng)測量平板的輸出位移，采用基于激光測振儀的系統(tǒng)對機械本