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《大连理工大学》 2008年
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微小管道机器人用惯性式压电执行器的研究

杨志欣  
【摘要】: 微机器人是在微细加工技术和微型机械电子产品基础上迅速发展起来的一个多学科交叉的前沿研究领域,是微机电系统发展的高级形式。微执行器、微传感器、微能源和控制系统的高度集成是微机器人发展的趋势。微执行器的研究,一直是微机械发展的关键,并在一定程度上标志着一个国家微机械发展水平。 本文在国家自然科学基金(69774020,50475152)资助下,在应用了晶体物理学、压电学、材料力学、热力学等交叉学科的理论成果的基础上,设计了一种微小管道机器人用惯性式压电执行器。该执行器由主体和四个弹性足构成,主体是一个质量棒,弹性足相当于复合压电双晶片悬臂梁。执行器在不对称锯齿波电压驱动下利用惯性力与最大静摩擦力之间的动态关系运动。其结构简单独特,驱动方式简便,能根据指令灵活地实现前进与后退等运动。 推导了复合压电双晶片悬臂梁输出位移与外电压、外力的本构方程,不仅涵盖了典型压电双晶片的关系式,而且包含了带夹层双晶片的本构方程。通过数值计算分析了外力或电压变化时,复合压电双晶片输出位移与夹层厚度、夹层弹性模量的关系。通过实验及理论验证了夹层参数对输出位移的影响,证明了所建本构方程的正确性。该方程的建立是对双晶片理论的进一步完善。 充分考虑复合压电双晶片夹层对执行器性能的影响,建立了执行器的动力学模型,用13个系统参数表征了执行器的运动状态。构建了执行器运动性能与系统参数关系的图形用户窗口,可以模拟任意尺寸、性能参数、环境参数及驱动电压参数下执行器的运动状态,可以得到执行器运动速度与各参数之间的关系曲线。 将模糊规则引入微粒群这一新颖算法中,对执行器参数进行了优化。详细研究了群体规模、惯性权重、加速常数、最大速度和最大代数对微粒群算法的影响。计算表明,模糊规则在线调整惯性权重比固定惯性权重、线性递减惯性权重具有更好的效果。同以往的优化方法相比,这种算法概念简单,容易实现,计算量小。 研制了两种规格的执行器;设计了以高压运放3583为核心的驱动电源及为3583提供偏置电压的可调直流高压电源;搭建了执行器的电压及负载实验系统。对执行器运动速度与驱动电压幅值、频率、负载质量的关系进行了测试;根据测量结果给出了执行器的技术性能指标;对实验数据进行了基于最小二乘逼近的多项式拟合,并对产生的误差进行了定量与定性的分析。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TG66

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