柔顺微夹钳的设计及特性-分析

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1、中文摘要摘要微纳米技术的迅速发展，对微细操作提出了更高的需求，进而推动了微操作机器人的广泛研究，微操作机器人外形尺寸不必太小，但能够实现微米甚至纳米级的精密运动及操作，在精密机械工程、微电子装配、微细加工、生命科学、遗传工程、光纤对接和微创手术等领域发挥着重要作用。由压电陶瓷驱动的柔顺微夹钳作为典型微操作系统的执行末端，具有结构紧凑、制造方便、易控制等特点，成为国内外研究的热点。因此，研究大位移输出量、结构紧凑、易控制的微夹钳,对促进我国高精尖技术的发展具有深远意义。本文依托于重庆大学机械传动国家重点实验室科研业务专项项目及上海市空间飞行器机构重点实验室开放课题，以易控制、大张合量的微

2、夹钳为设计目标，创新设计了三级放大柔顺微夹钳，并针对该微夹钳开展了结构设计、静态分析、加工及试验等研究。本文的研究内容主要包括：应用柔顺机构学、精密仪器设计、机械原理、卡氏第二定理及材料力学等基本理论，研究了柔顺机构的组成及工作原理，设计了三级放大的柔顺微夹钳，建立了桥式放大机构输入及输出刚度模型。应用伪刚体模型法、自由体图解法、虚功原理等理论，建立了微/纳传动平台及微夹钳的伪刚体模型，分析了杠杆及平行导向机构受力情况，推导了杠杆-平行导向机构刚度模型及其位移放大比，确定了夹持力与输入力之间的关系。应用键合图理论，综合分析了柔顺机构中典型构件的键合图模型，揭示了微/纳传动平台及微夹钳的

3、运动规律，研究了桥式放大机构及平行导向机构能量的传递，建立了平台及微夹钳的键合图模型，推导了其特征方程，并在此基础之上进一步获得了状态方程。分析了柔顺机构的加工方法及材料选择原则，并基于激光快速成型技术（3D打印）加工了柔顺微夹钳，利用Matlab/Simulink求解了平台及微夹钳的状态方程，获得了位移仿真曲线，搭建了微夹钳试验装置，研究了微夹钳输入输出性能，验证了所建键合图模型的正确性及其分析柔顺机构的可行性，并结合微操作系统阐述了所设计微夹钳的实际工程应用。关键词：微夹钳，键合图，柔顺机构，压电陶瓷驱动器I重庆大学硕士学位论文II英文摘要ABSTRACTTherapiddevel

4、opmentofmicro/nanotechnologyproposedahigherdemandformicromanipulator,andthatpromotestheresearchofmicromanipulationrobot.Micromanipulatordimensionsdonothavetobetoosmall,butitcanachievemicronornanometerlevelprecisionmovementandoperation.Anditcanplayanimportantroleinprecisionmechanicalengineering,m

5、icroelectronicassembly,micro-nanoprocessing,geneticengineering,fiberbutt,minimallyinvasivesurgeryandotherfields.Theflexiblemicrogripper,drivenbypiezoelectricactuator(PZT),isatypicalexecutionendsofmicro-assemblysystems.ithastheadvantagesofacompactstructure,conveniencetomachine,easilycontrol,etc,s

6、othatitbecomethehotspotathomeandabroad.Therefore,makingresearchaboutthemicrogripperwithlargedisplacementoutput,compact,easytocontrol,hasfar-reachingsignificanceonpromotingthedevelopmentofsophisticatedtechnology.ThispaperissupportedbytheIndependentResearchFundofStateKeyLaboratoryofMechanicalTrans

7、missionandtheOpenFoundationofShangHaiKeyLaboratoryofSpacecraftMechanism.Basedoneasilytocontrolandlargejawdisplacement,amicrogripperwiththree-stageamplificationisdesignedinnovatively.Structuraldesign,staticanalysis,machininga