压电陶瓷管驱动三自由度微操作手的研究与应用

基于机构、驱动、检测一体化的设计思想，研制出压电陶瓷管驱动的三自由度微操作手，研究了微操作手的建模、驱动与位置检测，给出了静力学建模公式，研制出双极性压电陶瓷驱动电源、微位移检测电路，并构成高精度位置闭环控制系统，实现了纳米级微动定位。最后以微操作手为核心构成微操作机器人系统，通过微操作手的微动调整，成功完成了直径为Φ0.2mm轴孔零件的微装配任务。     

基于压电陶瓷管的三自由度微操作手建模与实验

微操作手是微操作机器人的重要组成部分，文章把压电扫描器的工作原理应用于微操作手的设计中，研制出压电陶瓷管驱动的三自由度微操作手，实现了机构、驱动、检测一体化设计，通过对四分压电陶瓷管的变形进行静力学分析，建立了微操作手微位移量与驱动电压的关系，修正了用几何法建立的公式，并通过实验对公式进行了验证。     

基于双压电陶瓷驱动原理的精密定位平台研究

为解决精密定位平台大运动行程与大扫描范围之间的矛盾性问题,实现大行程跨尺度纳米定位,该文提出了一种基于双压电陶瓷驱动原理的精密定位平台。该装置结合了粘滑驱动定位平台大运动行程、压电扫描器大扫描范围及高分辨率的优点。平台由基座、驱动模块、柔性铰链机构和导轨组成。驱动模块包括大、小压电陶瓷,大、小压电陶瓷分别以扫描和步进模式驱动定位平台。实验表明,该精密定位平台最大运动行程为21 mm,最大扫描范围为4.9 μm,最小分辨率为16 nm,水平运动方向最大步进运动速度可达10 mm/s,满足大行程、大扫描范围兼容的要求。     

压电陶瓷驱动三自由度精密移动定位微小机器人

使用压电陶瓷堆材料作为微驱动元件，设计了一种三自由度基于尺蠖蠕动原理工作的精密移动定位微小型机器人。采用显微镜作为测量元件，通过测量机器人移动时像素点位置的方法，完成了对该机器人沿X、Y方向的直线移动定位以及绕Z轴的θ角转动定位的试验测试，测试结果证明了设计的合理性与实用性。     

基于驱动量补偿的压电型微小机器人运动控制

为解决一种左右平行驱动式压电陶瓷微小机器人,由装配误差和压电陶瓷特性的不一致所带来的运动偏差,提出了一种基于驱动量补偿的方法对微小机器人进行运动控制.在详细分析微小机器人的stick-and-slip 运动原理的基础上进行实验设计,对左右压电陶瓷驱动器分别输入不同的驱动量,得到多个微小型机器人在横向位置上的位移偏差量.对所得实验数据用最小二乘法进行处理,并拟合出曲线,进而确定微小型机器人的输入驱动量的补偿值.实验表明,加入了补偿输入后,微小型机器人在相同步数下的直线前进运动中,横向的位置偏差减少为原来的6.1％.利用最小二乘法所得到的基于驱动量补偿的运动控制,能有效抑制微小机器人直线运动中横向位置的偏差.     

人工全膝关节置换术后早期感染的治疗

设计一种以压电陶瓷为驱动,通过柔性机构放大输出位移的精密定位工作台.给出了该精密定位工作台的结构模型,建立了精密定位工作台的位置输入输出方程,分析和计算了柔性铰链微位移放大机构的位移放大倍数.通过仿真确定工作台各自由度的变形量与压电陶瓷驱动器伸缩量之间的关系与运动特性.结果表明,该精密定位工作台能实现定位误差为0.1 μm的高精度定位.通过与3点支撑微位移放大机构工作台的比较,显示出4点支撑微位移放大机构工作台可减小交叉耦合的影响.     

一种宽频带压电陶瓷驱动电源补偿方法研究

压电陶瓷驱动电源工作于容性负载时,恰当的环路补偿是电源稳定工作的必要条件。为提高压电陶瓷驱动器的响应速度,同时改善传统补偿方法仅补偿单极点的缺点,在分析传统压电陶瓷驱动电源补偿方法的情况下,该文提出一种高精度宽频带压电陶瓷驱动电源补偿法,实现了对极点频率低及多极点的大容值负载驱动电路的环路补偿。等效电容6.4μF的压电陶瓷为负载时,样机带宽可达5 kHz,上升沿和下降沿时间为200μs,纹波电压小于80 mV。实验结果表明,所提方法具有较优异的带宽及良好的稳定性,可应用于机器人、微位移运动平台及航空航天等压电应用领域。     

基于单神经元PSD压电微驱动系统控制的研究

压电式微驱动器具有灵敏度高，响应快，易于控制，性能稳定等特点，由于压电陶瓷复杂的机理．它存在着迟滞、蠕变和非线性的压电误差，且受环境温度、外力振动等因素影响。在高精度定位时存在较大误差，为了消除压电陶瓷迟滞、蠕变、非线性及其他外部因素对定位精度的影响，采用了单神经元比例、求和、微分（PSD）功能的控制算法。实现微驱动定位工作台的实时控制。实验证明该控制算法对系统定位控制很有效。     

压电驱动电源快速放电回路的研究

为提高压电陶瓷驱动的高压精密微流量阀的频响及微流量输出控制精度,针对压电陶瓷驱动电源不能在断电后将压电陶瓷中的极化电荷迅速释放的缺点,该文在研究压电陶瓷驱动电源的过程中,设计并实现了一种新型快速放电回路,在驱动信号切断后,可快速对压电陶瓷进行放电,使其恢复初始状态,且其放电时间达到毫秒级.在完成快速放电同路特性仿真的基础上,利用所设计的压电陶瓷驱动电源及快速放电同路,对8 mm×8 mm×20 mm、电容为2.3 μF的压电陶瓷进行了驱动与快速放电试验测试,结果表明,该电源的快速放电特性,可有效提高压电驱动微流量阀流量的控制精度及流量阀的频率响应特性.     

全方位精密定位微小移动机器人

设计了一种由压电陶瓷驱动、尺寸为50 mm×50 mm×12 mm、基于尺蠖蠕动原理工作的全方位精密定位微小型移动机器人,并可作为移动负载平台使用。建立了机器人的动力学模型并对其进行了动力学分析,推导出了柔性铰链刚度与机器人微运动速度关系模型。通过实验测试,该机器人最大运动速度为200μm/s、最高工作频率为32 Hz,最小圆周运动半径为15μm,定位精度为1μm,其全方位运动性能也取得了较好的效果。     

空间分布压电驱动的多自由度微定位新方法

提出并研究了一种空间分布压电驱动的多自由度微定位新技术。采用多个压电驱动器的空间并列分布实现六自由度精密微定位。本文作者阐述了微定位原理，建立了载物台位姿与驱动器伸缩量之间的关系，介绍了微定位装置的构造。     

基于自组织可增长映射的移动机器人仿生定位算法研究

为提高移动机器人在同步定位和地图构建(SLAM)中的定位精度,该文提出一种基于自组织可增长映射 (GSOM)的仿生定位算法。该方法将位置细胞的激活特性和神经网络输出层神经元建立响应连接,通过GSOM神经网络构建空间的拓扑地图,利用感知距离信息实现位置细胞的激活响应从而估计机器人位置,以此还原机器人的运行路径。实验结果表明细胞间隔R对定位精度有较大影响,选取合适的细胞间隔能有效地减少神经网络的学习时间,提高定位精度,该文算法平均误差在0.153 m以内,定位精度达到90.243%,均优于原有算法。经验证该文算法建立的模型能够实现机器人的空间位置表征,提高了机器人在实验场景下的定位精度,表现出良好的位置估计性能。     

基于自组织可增长映射的移动机器人仿生定位算法研究

为提高移动机器人在同步定位和地图构建(SLAM)中的定位精度,该文提出一种基于自组织可增长映射 (GSOM)的仿生定位算法。该方法将位置细胞的激活特性和神经网络输出层神经元建立响应连接,通过GSOM神经网络构建空间的拓扑地图,利用感知距离信息实现位置细胞的激活响应从而估计机器人位置,以此还原机器人的运行路径。实验结果表明细胞间隔R对定位精度有较大影响,选取合适的细胞间隔能有效地减少神经网络的学习时间,提高定位精度,该文算法平均误差在0.153 m以内,定位精度达到90.243%,均优于原有算法。经验证该文算法建立的模型能够实现机器人的空间位置表征,提高了机器人在实验场景下的定位精度,表现出良好的位置估计性能。     

一种压电陶瓷微位移测量的新方法

提出了一种简单、有效的基于光纤Fabry-Perot干涉的压电陶瓷(PZT)微位移测量的新装置,为提高干涉现象,在Fabry-Perot干涉腔两端面上分别镀不同反射率的薄膜.通过软件编程快速实现对干涉条纹的计数进而确定PZT的微位移,得到的位移电压斜率误差小,实现了对PZT微位移的实时快速测量.测试了同频率不同腔长和同腔长不同频率的压电特性,结果表明变化很小,说明该方法可操作性强,可靠性高.分析了光纤耦合效率和光源的相干性等对实验的影响.     

Improving the Positioning Accuracy of a Neurosurgical Robot System

This paper discusses the overall positioning accuracy of a neurosurgical robot system. First, the overall positioning accuracy of the robot system is analyzed and formulated. Then, the efforts are focused on improving the positioning accuracy of the robot arm. A revised Denavit--Hartenberg (D-K) kinematic model is addressed to describe two nearly parallel joint axes for the calibration of the robot. The joint transmitting error of the robot is compensated by using a backpropagation (BP) neural network. Finally, the absolute positioning accuracy of the robot arm is measured. A phantom is designed to simulate the clinical workflow of the robot-assisted neurosurgery for measuring the overall positioning accuracy of the robot system. The results show that the positioning error of the robot arm is less than 1 mm, which is comparable to that of stereotactic frames; and that the overall positioning error of the robot system is caused mainly by target registration error, which proves the effectiveness of our efforts.     

圆锥形仿生蛾眼抗反射微纳结构的研制

采用时域有限差分（FDTD）法对中红外波段（3~5 m）硅基底的圆锥形仿生蛾眼微纳结构进行了仿真模拟。通过对微纳结构占空比、周期和刻蚀深度等参数的分析,获得了具有良好抗反射特性的微纳结构的组合参数。为了更好地指导实际加工,对不同参数进行了公差分析。制作中应用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术在硅基底上制备得到该圆锥形仿生蛾眼微结构,并且使用热场发射扫描电子显微镜得到了该微结构的表面形貌图。采用红外成像光谱仪对单面微结构的测试结果表明,仿生蛾眼微结构的反射率在中红外波段约为5%。     

以PZT薄膜为驱动和传感的微型陀螺研制

利用压电陶瓷PZT的正反压电位效应,将PZT薄膜同时作为驱动及传感材料,设计并制造了两种新颖的以IC兼容技术制作在硅片上的压电薄膜微型陀螺。高质量的PZT薄膜是在Pt/Ti/SiO2/Si基底上以溶胶－凝胶技术铺设的。基于反压电效应,微型陀螺在其谐振频率上被输入的交流信号驱动,由其正压电效应,可检测到与转动角速度成正比的输出信号。文章分别介绍了两种微型陀螺的设计原理,详述了制作方法,并对制出的压电微型陀螺进行了检测,得到了的结果与预测结果相符。     

微米级PZT驱动器尺度相关的自由振动分析

根据修正偶应力理论和哈密顿原理,并结合经典的层合梁理论,推导出具有层合结构、考虑力 电耦合作用的微米级均质、非均质锆钛酸铅(PbZrTiO3,PZT)智能驱动器尺度相关的运动控制方程和固有频率。通过引入的材料内禀特征尺寸参数,成功捕获了微米级PZT智能驱动器的尺寸效应。数值分析显示,不同基体材料对微米级均质、非均质PZT智能驱动器归一化固有频率影响较小;压电层厚度不变,随着基体厚度增加,微米级PZT驱动器尺寸效应逐渐变小;随着结构特征尺寸逐渐增大,尺寸效应逐渐消失。