机构、驱动、检测一体化纳米级微动机器人系统地研究.pdfVIP

7期 机器入 ROBOT 第200202年卷第8 Vo舢1．292．，．N2。oj。7 文章编号：1002—0446(2000)07—0529—04 机构、驱动、检测一体化纳米级微动机器人系统的研究 孙立宁 张 涛 曲东升 刘品宽 蔡鹤皋 (暗尔滨工业大学机器人研究所暗尔滨150001) 摘要：具有纳米级定位精度的微动机器人系统的研究一直是国内外的研究热点之一，机构、驱 动、检测一体化的设计方法是实现机构紧凑的纳米级定位系统的有效方法．本文对这一设计方法的原 理、关键问题及实现方法进行了监细的论述，并给出了样机图片和实验结果． 美键词：馓动机器人；一体化r纳米级 、 7 中圈分类号：厅琵4、 文献标识码：B 1引言 随着纳米技术的迅猛发展，具有纳米级定位精度的微动机器人及微定位系统的研究日益受到重视，它是 微加工技术、生物细胞操作技术、微型外科手术及纳米测量等高技术领域的关键设备．本文提出的机构、驱动、 检测一体化纳米级微动机器人设计方法是将驱动元件、馓定位机构和微位移传感器有机结合，采用优化算法， 达到很高的定位精度和较好的动态控制效果． 2机构、驱动、检测一体化定位技术 机构、驱动、检测一体化定位技术根据纳米级定位技术的高精度要求，将高精度驱动器、无间隙、无摩擦的 弹性机构、高精度传感器和有效的控制算法有机结合，使定位系统不但具有很好的静态性能，还具有较好的动 态系统．一体化设计的关键问题是： 1)高精度驱动器和其他驱动器相比+压电陶瓷具有体积小、精度高、频响高及不发热等特点，是一种理 想的微位移器件．从理论上讲，它的运动分辨率是无限的，但是受压电陶瓷电源电压分辨率和稳定性，以及工 作环境的限制往往能达到的精度是有限的．因此，高分辨率和稳定性的压电陶瓷驱动电源和高品质的压电陶 瓷是实现纳米级定位的基础． 2)高精度位移传递机构传动系统的刚度和间隙，导轨副间动静态摩擦力的差异是影响位移分辨率和定 位精度的主要因素．为实现纳米级定位，采用基于弹性变形原理的无摩擦、无问琼的弹性位移传递机构是一个 很好的解决方法． 3)高精度传感器在纳米级定位中，采用高精度传感器检测实际输出位移，实现闭环控制不但可以提高 系统的控制精度，提高系统频响，还可以增强系统抗干扰能力．微位移传感器是实现高精度定位的关键部件 为提高系统的集成度、紧凑性和抗干扰能力，往往选用小型微位移传感器和机构构成一体化的定位设备．目前 发展较成熟的高精度、小型化微位移传感器主要由：电阻应变式位移传感器、电容式位移传感器及电感式位移 传感器．电容式传感器具有精度高、频响高等优点，可以达到纳米甚至亚纳米的检测精度，但成本高，对安装、 调整机构精度要求高．电感式位移传感器具有测量范围大，精度较高，稳定性好等优点，但频响低，往往用于大 行程定位系统．电阻式位移传感器具有线性好、精度较高、稳定性好、成本低及检测电路简单等优点．传感器的 选择需要根据具体的应用场台来确定． 4)控制算法闭环控制算法是最终实现纳米级定位的重要手段，有效的控制算法在保证精度的条件下， 可以缩小系境达到稳态的时间，提高系统频响．压电陶瓷存在迟滞、蠕变、非线性等特性，使得压电陶瓷微位移 系统成勺_．复杂的非线性系统，给控制带来困难．压电陶瓷的输出位移不但和当前驱动电压有关，而且和加 收藕日期t2000一∞一08 }|1 530 机器人 2000年8月 压史有关，而且位移上升段和下降段不对称．采用有效的控制方法解决压电陶瓷模型难以准确建立的问题，并 取得良好的静、动态控制效果是纳米级定位系统的重要实现途径． 3微动机器人机构设计 ● 纳米级定位机构是通过柔性铰链或平行板弹簧等弹性机构的变形实现微位移的运动传递．弹性机构在 运动过程中，有