仿生型超精密平面驱动器及控制器的研究和应用
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摘要
介绍了仿生型超精密平面驱动器和ＨＲＯＰ系列控制器。用研制的仿生型超精密平面驱动器与普通的工业机器人组成宏／微操作系统，完成了精密装配作业。并介绍了该驱动器的应用情况和发展前景。
his paper presents a bionic ultraprecise plane actuator and HRPD series controllers. By combining theactuator with a general purpose robot, a macro/micro manipulator system isbuiltup, which can carry outprecise assembly. The application and prospect of the actuator are described.
his paper presents a bionic ultraprecise plane actuator and HRPD series controllers. By combining theactuator with a general purpose robot, a macro/micro manipulator system isbuiltup, which can carry outprecise assembly. The application and prospect of the actuator are described.
引文
资助项目一、引言随着科学技术的发展，许多领域都迫切需要亚微米级的精微技术，这一技术水平几乎左右着这些领域的发展，并已成为现代工业部门的共同基础。以压电陶瓷／电致伸缩陶瓷为驱动元件的多维大行程微动机构已成为目前国内外微位移研究领域中的重要研究方向。结合机器人研究领域对精微技术的实际需要，我们进行了大量的调研和研究工作，研制出仿生型超精密平面大行程驱动器，并以机器人精密装配为应用对象，在理论分析及装配系统的开发方面取得了一定进展，该项研究被列为国家教委博士点基金项目，并得到国家863智能机器人机构网点开放实验室的资助。二、仿生型超精密平面驱动器仿生型超精密驱动器既能在小范围平面内实现两个方向的联动，又能在平面内实现两个方向的大范围移动，而且具有两个方向联动的特点。可控行程士smm，最大步距50urn，最小步距0．olum，位移分辨率0．01urn，系统频率响应达200Hi。该驱动器采用WTDS－I型电致伸缩陶瓷微位移器驱动。电致伸缩陶瓷除了具有输出力大和体积小的特点外，还具有高精度、高频响应和高分辨率的优点，但是其位移量一般只有几十个微米。尽管一些机构可以将其位移放大，但其输出力和分辨率将降低。我们根据仿生学原理，采用“蚯蚓”爬行机构，实现大范围运动。图1是两维大行程超精密驱动器的机构动作原理图。A，B是通过两组柔性铰链（KI，KZ）和（K3，K4）联接的两个可动部件，（］）和（2）是电致伸缩陶瓷微位移器。当夹紧机构把B与基座夹紧时，（l）和（2）使驱动器沿X和y方向运动，其运动范围为门）和（2）的最大伸长量。当（l）和（2）的伸长量为最大时，夹紧机构把A与基座夹紧，然后把B与基座松开，（）与（2）收缩，之后再将B与基座夹紧，A与基座松开，再让（）和（2）伸长，使驱动器产生运动，如此重复这一过程，驱动器便能实现大范围的运动。图2是驱动器的结构简图。A和B是移动部件，可由电致伸缩陶瓷驱动的夹爪在不同的时刻分别夹紧。柔性被链al一ail，b］一b4，of—c4，d］一d4如图2所示。所示联接构成两维平行弹性导轨。电致伸缩陶瓷（l）和（2）用于x、y方向的直线运动，电致伸缩陶瓷（），（4），（5），（6）用于夹紧，（3），（4），（5），（6）在不同的时刻分别夹紧和放松，同时电致伸缩陶瓷（l）和（2）伸长或收缩，驱动器便可以大范围移动。三、HRPD系列电致伸缩陶瓷控制器日前，国内外多数采用直流放大人原理对电致伸缩器件进行驱动，普遍存在着发热、频响不高、稳定性差的缺点。我们经过多年的研究，采用新原理，开发出厂4路HRPD－I型高性能电致伸缩陶瓷控制器（见图3）。该控制器输出电压范围为0一500V，具有手动数字控制和计算机程序控制功能，不发热，K期稳定性好，漂移每8／J’时小于万分之一，输出纹波小于］omV，抗于扰能力强，特别是具有很强的驱动能力。该控制器驱动WTDS－I电致伸缩陶瓷微位移器，输出频率响应叮达1000HZ。这样高性能的控制器在国内还是首例。针对WTDS－1存在的迟滞（］5％以上）、位移非线性等弱点，我们从电致伸缩微位移器的机理出发，采用控制电极化强度的方法，开发了HRPD－N型电致伸缩控制器（见图4）。电致伸缩微陶瓷在该电源的驱动J：基本实现了电压一位移的线位化，频响可达500HZ，迟滞减小为］％。在特别需要蠕变的场合，采用“冻结”极化的方法，可使蠕变减小90％以上。仿生型超精密平面驱动器采用6路HRPD系列电致伸缩陶瓷控制器。目前，该系列控制器已产品化，用户反应良好，已申报专利。四、仿生型超精密驱动器在机器人等技术领域中的应用传统的工业机器人由于受其构件的变形及弹性变形、各关节的摩擦力、码盘分辨率的影响，精度和频响较低，在精微操作中受到限制。在目前的情况下，仅通过机器人机构方面的研究及采用新的控制校正方法很难从根本上解决机器人的定位精度和频响问题。因此我们采用宏／微结合的概念，在不改动一般工业机器人任何硬件和软件的前提下，将机器人、仿生型超精密驱动器、可控RCC、气动手爪等组成宏／微操作系统，从而完成各种精密装配作业。装配时，机器人作为宏操作器负责粗定位和下插运动，仿生型超精密平面驱动器作为微操作器根据力传感器的信息进行快速精密调整。采用该系统成功地实现了；同隙为20urn的精密液压伺服阀的自动装配作业。仿生型超精密驱动器不仅在机器人方面有重要应用，还可以应用到光学、电子、航天、航空、机械制造、地震、生物、医学及遗传工程等技术领域中。五、结束语在多年研究的仿生型超精密大行程驱动器和HRPD系列压电／电致伸缩陶瓷控制器基础上，我们将继续从事系列仿生型多维超精密驱动器和高性能压电陶瓷驱动电源的研究，该项研究已得到国家自然科学基金的资助，对微位移技术的发展和微型机器人的开发有重要意义。参考文献：［1］CaiHegao，SunLining，ANovelForce－ControlledActive／PassiveManipulator，Por．IEEE，Singapore，1992 ［2］徐军．西安交通大学学报，1992，6：67［3］孙立宁，蔡鹤皋．一种具有力感知功能的机器人装配系统，SR中国科协首届青年学术会议卫星会议机器人学术研讨会，沈阳，1992
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