微小管道機器人用慣性式壓電執(zhí)行器的研究.pdf

1、微機器人是在微細加工技術和微型機械電子產品基礎上迅速發(fā)展起來的一個多學科交叉的前沿研究領域，是微機電系統發(fā)展的高級形式。微執(zhí)行器、微傳感器、微能源和控制系統的高度集成是微機器人發(fā)展的趨勢。微執(zhí)行器的研究，一直是微機械發(fā)展的關鍵，并在一定程度上標志著一個國家微機械發(fā)展水平。 本文在國家自然科學基金(69774020，50475152)資助下，在應用了晶體物理學、壓電學、材料力學、熱力學等交叉學科的理論成果的基礎上，設計了一種微小管

2、道機器人用慣性式壓電執(zhí)行器。該執(zhí)行器由主體和四個彈性足構成，主體是一個質量棒，彈性足相當于復合壓電雙晶片懸臂梁。執(zhí)行器在不對稱鋸齒波電壓驅動下利用慣性力與最大靜摩擦力之間的動態(tài)關系運動。其結構簡單獨特，驅動方式簡便，能根據指令靈活地實現前進與后退等運動。 推導了復合壓電雙晶片懸臂梁輸出位移與外電壓、外力的本構方程，不僅涵蓋了典型壓電雙晶片的關系式，而且包含了帶夾層雙晶片的本構方程。通過數值計算分析了外力或電壓變化時，復合壓電雙晶

3、片輸出位移與夾層厚度、夾層彈性模量的關系。通過實驗及理論驗證了夾層參數對輸出位移的影響，證明了所建本構方程的正確性。該方程的建立是對雙晶片理論的進一步完善。 充分考慮復合壓電雙晶片夾層對執(zhí)行器性能的影響，建立了執(zhí)行器的動力學模型，用13個系統參數表征了執(zhí)行器的運動狀態(tài)。構建了執(zhí)行器運動性能與系統參數關系的圖形用戶窗口，可以模擬任意尺寸、性能參數、環(huán)境參數及驅動電壓參數下執(zhí)行器的運動狀態(tài)，可以得到執(zhí)行器運動速度與各參數之間的關系曲

4、線。 將模糊規(guī)則引入微粒群這一新穎算法中，對執(zhí)行器參數進行了優(yōu)化。詳細研究了群體規(guī)模、慣性權重、加速常數、最大速度和最大代數對微粒群算法的影響。計算表明，模糊規(guī)則在線調整慣性權重比固定慣性權重、線性遞減慣性權重具有更好的效果。同以往的優(yōu)化方法相比，這種算法概念簡單，容易實現，計算量小。 研制了兩種規(guī)格的執(zhí)行器；設計了以高壓運放3583為核心的驅動電源及為3583提供偏置電壓的可調直流高壓電源；搭建了執(zhí)行器的電壓及負載實驗