空间柔性并联3-DOF微操作平台的设计与分析

摘要

微操作技术是国家发展迫切需要的战略核心技术之一，在微机电系统、微纳米加工与制造、航空航天、生物工程和医疗科学等领域具有重要应用价值，同时还涉及机器人、计算机、精密机械和智能控制等多个学科，具有非常重要的研究价值。针对微操作技术大行程、高精度、高分辨率等特殊要求，微纳米操作平台需要提供超高精度的定位，同时微动平台还要求具备相当行程的平台制动装置为平台提供必要的动力，精确的平台控制系统以及超高精度的微小位移的检测与反馈装置等，作为微纳米操作定位系统的末端执行器部分，微纳米操作平台对微操作技术的发展至关重要。微纳操作技术是一项具有高含金量的先进技术，对提升我国的微制造技术具有战略意义，而且许多发达国家对高精尖科技采取出口限制，因此，设计研发新型的微纳米操作装备尤为重要。本论文主要完成3-DOF微操作平台的创新设计和相关研究。 本文的主要目标是设计一种新型的具备大行程和高分辨率的微操作平台。所设计的微纳米操作平台的运动副部分均使用直圆型的柔性铰链；选用压电陶瓷为平台提供运动输入，设计放大机构对输入位移进行放大。平台的整体构型采用结构更加紧凑的三条运动支链并联的形式，支链之间呈120°夹角。文章首先对平台的构型进行设计；而后，建立操作平台的运动学模型，完成对平台的运动学正解和运动学逆解以及雅可比矩阵的计算，并通过MATLAB和ADAMS软件完成平台的工作空间和运动学分析；然后，根据拉格朗日动力学方程建立平台的动力学模型，应用无阻尼自由振动动力学方程推导平台的固有频率；最后，完成平台的放大机构的静力学仿真，进行平台的模态分析，对分析计算的结果进行验证。

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