大范围运动下宏/微操作器的动力学建模与轨迹规划研究

摘要

随着微机电系统和先进制造领域的发展，对微小型对象的微操作与微装配已逐渐成为多学科领域的研究热点。在微操作或微装配中，往往存在大范围的快速运动，由于系统中柔性结构的存在，在运动过程中和运动停止后有可能会激起微夹持器自身的弹性振动，给夹持可靠性和定位精度带来影响。
　　本学位论文以微操作过程中的运动控制和振动抑制技术为研究背景，以一类由伺服电机、机械臂和柔性微夹持器等构成的宏/微操作器为研究对象，伺服电机驱动机械臂和微夹持器作大范围运动，微夹持器完成夹持和释放的微操作。研究了具有该类刚柔耦合宏/微操作器的动力学特性、轨迹抑振机理、运动轨迹规划和优化算法应用等问题，搭建了相关实验平台，结合理论分析、数值仿真和实验论证，实现了具有柔性结构宏/微操作器的轨迹振动控制，提高了夹持可靠性、定位精度和操作效率。
　　以上述大范围运动下宏/微操作器为研究对象，基于假设模态法和拉格朗日方程建立了系统的动力学方程，通过数值仿真得出了系统在梯形轨迹和五次多项式轨迹运动下微夹持器的振动情况，对仿真结果进行了深入分析，结果表明对宏/微操作器运动轨迹规划研究的必要性，验证了系统动力学方程的正确性。
　　从系统的动力学方程和仿真结果出发，分析了伺服电机驱动下作旋转运动的宏/微操作器抑振轨迹规划机理，提出了以宏/微操作器柔性部分的等效激励力矩为优化指标，并选择五次多项式轨迹为基准曲线和插值曲线，利用遗传算法得到指标最小的抑振轨迹，并通过仿真对优化结果进行初步验证。同时，考虑了强迫振动抑制的运动曲线规划问题，提出了基于五次多项式轨迹和抛物线轨迹的“5-2-5轨迹”规划方法和求解，通过数值仿真比较分析，验证了该轨迹对强迫振动的抑制效果。
　　最后，搭建了上述宏/微操作器测控实验平台，完成了宏/微操作器不同轨迹的跟踪和微夹持器振动情况测量的实验研究，实验结果验证了相关理论分析和轨迹优化的正确性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 微操作系统中柔性结构的研究现状

1．2．1 柔顺位移放大机构的研究现状

1．2．2 柔性铰链并联机构的研究现状

1．2．3 柔性梁结构的研究现状

1．3 宏／微操作器动力学建模方法研究现状

1．3．1 伪刚体模型

1．3．2 悬臂梁模型

1．4 轨迹优化研究现状

1．5 本文研究内容

2 宏／微操作器的动力学建模与仿真分析

2．1 引言

2．2 宏／微操作器模型描述

2．2．1 压电驱动柔性双摇杆式微夹持器结构分析

2．2．2 作旋转运动的宏／微操作器模型描述

2．3 宏／微操作器动力学方程建立

2．3．1 柔性夹持臂的变形描述

2．3．2 宏／微操作器的能量表示

2．3．3 基于拉格朗日方程的系统动力学方程建立

2．4 数值仿真

2．5 本章小结

3 宏／微操作器的轨迹规划与优化研究

3．1 引言

3．2 宏／微操作器的抑振轨迹规划机理

3．3 宏／微操作器的轨迹规划研究

3．3．1 轨迹规划约束及目标

3．3．2 抑振轨迹规划方法及轨迹曲线描述

3．4 基于遗传算法的宏／微操作器的抑振轨迹优化研究

3．4．1 宏／微操作器抑振轨迹优化的遗传算法实现

3．4．2 优化结果与仿真分析

3．5 考虑惯性力的宏／微操作器最优运动曲线研究

3．5．1 考虑惯性力的最优运动曲线规划描述

3．5．2 5-2-5轨迹约束描述及轨迹求解

3．5．3 仿真分析

3．6 本章小结

4 宏／微操作器的实验平台搭建和实验研究

4．1 引言

4．2 宏／微操作器的实验平台搭建

4．2．1 宏／微操作器的实验装置总体设计

4．2．2 宏／微操作器的测控方案设计

4．3 实验研究

4．3．1 宏／微操作器的运动轨迹跟踪实验

4．3．2 不同运动轨迹下微夹持器振动情况的比较实验研究

4．3．3 优化运动轨迹的跟踪与微夹持器振动情况的实验研究

4．4 本章小结

5 总结与展望

5．1 全文工作总结

5．2 展望

参考文献