高精度3-PPSR微动并联机器人的研究

论文摘要

在过去的十多年中,微纳操作技术得到了飞速的发展,微纳操作系统在MEMS制造、光学调整、光纤作业、激光制导等领域得到了广泛的应用。微动机器人是微纳操作系统的重要组成部分,其主要功能是对微小操作对象实现微纳米级精度的位姿调整,其性能直接决定微纳操作系统的操作能力。因此,研究具有纳米级定位精度的多自由度微操作机器人具有极其重要的科学与应用价值。本课题来源于国家自然科学基金项目“用于纳米操作的6自由度3-PPSR微动机器人（项目编号50605013）”。主要内容是研制集机构、驱动、位姿检测和闭环控制一体化的高精度微动并联机器人。本文对3-PPSR微动并联机器人进行以工作空间为目标的结构参数设计,并分析结构参数误差对末端定位精度的影响,建立3-PPSR微动并联机器人误差模型,为3-PPSR微动并联机器人设计及标定提供了理论指导。采用非接触式高精度微位移传感器,提出针对3-PPSR微动并联机器人的非接触式6点测量方法对位姿进行检测。在此基础上结合误差模型,利用最小二乘辨识算法,对微动并联机器人进行标定,得到微动机器人的主要结构参数误差,并用于补偿位姿误差。实验证明,基于误差模型的最小二乘参数辨识标定方法可有效补偿定位误差,实现微动机器人的高精度定位。针对6自由度并联机器人系统模型复杂,压电陶瓷具有迟滞和蠕变等特点,采用模糊PID控制算法对微动并联机器人进行全闭环控制。实验结果表明微动并联机器人的工作空间可达6.4×5.8×5.4μm3,直线分辨率3.3nm,转角分辨率0.067″,通过全闭环控制可使微动机器人平动定位精度和重复定位精度分别达到2.8nm和3.5nm,转动定位精度和重复定位精度分别达到0.13″和0.2″,最终实现3-PPSR微动并联机器人在微米级运动空间内具有纳米级的运动精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究目的和意义
• 1.2 国内外相关技术研究现状
• 1.2.1 微动并联机器人位姿测量方法发展现状及分析
• 1.2.2 并联机器人标定技术发展现状及分析
• 1.2.3 微动并联机器人控制方法发展现状及分析
• 1.3 课题来源与主要研究内容
• 1.3.1 课题来源及技术指标
• 1.3.2 本课题主要研究内容
• 第2章 3-PPSR 微动并联机器人结构设计及误差建模
• 2.1 引言
• 2.2 3-PPSR 微动并联机器人结构原理及特点
• 2.3 3-PPSR 微动并联机器人结构设计
• 2.3.1 微动并联机器人逆运动学求解
• 2.3.2 微动并联机器人工作空间仿真
• 2.4 3-PPSR 微动并联机器人误差建模
• 2.4.1 微动并联机器人的几何误差模型
• 2.4.2 微动并联机器人误差模型的仿真验证
• 2.5 微动并联机器人的误差消除措施
• 2.6 本章小结
• 第3章 3-PPSR 微动并联机器人位姿测量方法
• 3.1 引言
• 3.2 微动并联机器人位姿检测传感器的选择
• 3.2.1 微位移检测方法的选择
• 3.2.2 电容微位移传感器的选择
• 3.3 六自由度位姿测量方法
• 3.4 电容传感器测量和安装误差分析
• 3.4.1 电容传感器测量误差分析
• 3.4.2 电容传感器安装误差分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 3-PPSR 微动并联机器人标定及闭环控制方法
• 4.1 引言
• 4.2 3-PPSR 微动并联机器人的标定
• 4.2.1 微动并联机器人参数辨识
• 4.2.2 微动并联机器人误差补偿
• 4.3 3-PPSR 微动并联机器人的闭环控制
• 4.3.1 微动并联机器人闭环控制方法的选择
• 4.3.2 微动并联机器人模糊PID 控制方法
• 4.3.3 末端位姿闭环控制的实现
• 4.4 本章小结
• 第5章 3-PPSR 微动并联机器人实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 3-PPSR 微动并联机器人实验系统构建
• 5.3 3-PPSR 微动并联机器人性能测试实验
• 5.3.1 压电陶瓷的装配和标定实验
• 5.3.2 微动机器人工作空间的测量
• 5.3.3 微动机器人定位精度的测量
• 5.3.4 微动机器人重复定位精度的测量
• 5.3.5 微动机器人分辨率的测量
• 5.4 3-PPSR 微动并联机器人标定实验
• 5.5 3-PPSR 微动并联机器人闭环控制实验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢