微小管道机器人用惯性式压电执行器的研究

论文摘要

微机器人是在微细加工技术和微型机械电子产品基础上迅速发展起来的一个多学科交叉的前沿研究领域,是微机电系统发展的高级形式。微执行器、微传感器、微能源和控制系统的高度集成是微机器人发展的趋势。微执行器的研究,一直是微机械发展的关键,并在一定程度上标志着一个国家微机械发展水平。本文在国家自然科学基金(69774020,50475152)资助下,在应用了晶体物理学、压电学、材料力学、热力学等交叉学科的理论成果的基础上,设计了一种微小管道机器人用惯性式压电执行器。该执行器由主体和四个弹性足构成,主体是一个质量棒,弹性足相当于复合压电双晶片悬臂梁。执行器在不对称锯齿波电压驱动下利用惯性力与最大静摩擦力之间的动态关系运动。其结构简单独特,驱动方式简便,能根据指令灵活地实现前进与后退等运动。推导了复合压电双晶片悬臂梁输出位移与外电压、外力的本构方程,不仅涵盖了典型压电双晶片的关系式,而且包含了带夹层双晶片的本构方程。通过数值计算分析了外力或电压变化时,复合压电双晶片输出位移与夹层厚度、夹层弹性模量的关系。通过实验及理论验证了夹层参数对输出位移的影响,证明了所建本构方程的正确性。该方程的建立是对双晶片理论的进一步完善。充分考虑复合压电双晶片夹层对执行器性能的影响,建立了执行器的动力学模型,用13个系统参数表征了执行器的运动状态。构建了执行器运动性能与系统参数关系的图形用户窗口,可以模拟任意尺寸、性能参数、环境参数及驱动电压参数下执行器的运动状态,可以得到执行器运动速度与各参数之间的关系曲线。将模糊规则引入微粒群这一新颖算法中,对执行器参数进行了优化。详细研究了群体规模、惯性权重、加速常数、最大速度和最大代数对微粒群算法的影响。计算表明,模糊规则在线调整惯性权重比固定惯性权重、线性递减惯性权重具有更好的效果。同以往的优化方法相比,这种算法概念简单,容易实现,计算量小。研制了两种规格的执行器;设计了以高压运放3583为核心的驱动电源及为3583提供偏置电压的可调直流高压电源;搭建了执行器的电压及负载实验系统。对执行器运动速度与驱动电压幅值、频率、负载质量的关系进行了测试;根据测量结果给出了执行器的技术性能指标;对实验数据进行了基于最小二乘逼近的多项式拟合,并对产生的误差进行了定量与定性的分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 微机器人的国内外研究现状
• 1.2.1 关于微机器人用执行器的研究
• 1.2.2 关于微机器人用传感器的研究
• 1.2.3 关于微机器人用能量供给的研究
• 1.2.4 关于微机器人用控制器的研究
• 1.3 课题的主要内容
• 2 压电效应、压电双晶片及压电执行器
• 2.1 压电陶瓷的压电机理及压电方程
• 2.1.1 压电材料的分类
• 2.1.2 压电陶瓷的压电机理
• 2.1.3 压电方程与边界条件
• 2.2 压电双晶片的基本特性
• 2.2.1 压电振子及其振动模式
• 2.2.2 压电双晶片及其驱动原理
• 2.2.3 压电双晶片的配置
• 2.2.4 压电双晶片的支撑
• 2.2.5 压电双晶片的本构方程
• 2.3 压电执行器的新型结构
• 2.3.1 叠堆的外部杠杆结构
• 2.3.2 双晶片的内部杠杆结构
• 2.3.3 叠堆与双晶片的组合结构
• 2.4 本章小结
• 3 复合压电双晶片悬臂梁本构方程的研究
• 3.1 压电晶轴的表示方法
• 3.2 复合压电双晶片及其驱动原理
• 3.3 复合压电双晶片在外电压与外力作用下的本构方程
• 3.3.1 在外电压作用下的情况
• 3.3.2 在外力作用下的情况
• 3.3.3 在外电压与外力作用下的情况
• 3.4 数值计算与实验研究
• 3.4.1 数值计算
• 3.4.2 实验研究
• 3.5 影响复合梁输出位移的其它因素
• 3.6 本章小结
• 4 惯性式压电执行器的模型建立及动力学求解
• 4.1 执行器的结构及运动原理
• 4.2 执行器动力学模型分析
• 4.3 执行器的动力学求解
• 4.3.1 执行器速度与压电片长度的关系
• 4.3.2 执行器速度与压电片宽度的关系
• 4.3.3 执行器速度与压电片厚度的关系
• 4.3.4 执行器速度与压电应变系数的关系
• 4.3.5 执行器速度与压电片弹性模量的关系
• 4.3.6 执行器速度与夹层弹性模量的关系
• 4.3.7 执行器速度与夹层厚度的关系
• 4.3.8 执行器速度与弹性足夹角的关系
• 4.3.9 执行器速度与质量的关系
• 4.3.10 执行器速度与管壁摩擦系数的关系
• 4.3.11 执行器速度与阻尼的关系
• 4.3.12 执行器速度与驱动电压幅值的关系
• 4.3.13 执行器速度与驱动电压频率的关系
• 4.4 计算误差分析
• 4.5 本章小结
• 5 基于模糊微粒群算法的执行器参数优化
• 5.1 微粒群优化
• 5.1.1 背景
• 5.1.2 算法原理
• 5.1.3 PSO的参数分析
• 5.1.4 与其它演化算法的对比
• 5.2 基于模糊逻辑的微粒群参数优化
• 5.2.1 微粒群优化的S函数编写
• 5.2.2 无解算数环的避免
• 5.2.3 模糊系统的结构
• 5.2.4 模糊微粒群优化仿真系统的建立
• 5.2.5 优化计算
• 5.3 本章小结
• 6 微小管道机器人用惯性式压电执行器的实验研究
• 6.1 执行器样机的制作与装配
• 6.2 执行器驱动电源的设计与制作
• 6.2.1 高压大功率驱动电源的设计
• 6.2.2 可调高压直流电源的设计
• 6.3 执行器速度与驱动电压幅值的关系
• 6.3.1 实验系统
• 6.3.2 实验数据处理
• 6.3.3 误差分析
• 6.4 执行器速度与驱动电压频率的关系
• 6.5 执行器速度与负载质量的关系
• 6.5.1 实验系统
• 6.5.2 实验结果与分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢