一种具有力觉反馈的遥微操作系统分析

提出了一种主从式力反馈的遥微操作系统,目的在于实现微操作过程中的接触力反馈;对遥微操作系统进行了设计,搭建了包括操作主手,测控系统和微操作从手的试验平台。利用微夹持器和探针作为微操作从手的末端执行机构分别对金属轴和花粉颗粒进行微操作试验,实现了遥微操作中的力觉反馈。通过试验数据的测试和分析,获得操作试验中从手相对于手控器的时滞,为进一步完善力反馈遥微操作系统提供了依据。     

基于微装配领域的微操作机器人系统研究

微装配已成为制造业遇到的新问题,制约着微机电行业的发展。文中对用于微装配领域的微操作机器人系统进行了系统的研究。提出了微操作机器人机构的选型准则,介绍了控制系统结构框图以及补偿方法、显微成像系统的结构,以及微夹持器设计中存在的若干问题。     

微操作机器人真空微夹研究

介绍了适用于亚毫米级微小目标装配的微操作机器人真空微夹工作原理、结构，进行了系统力学分析，并简要叙述了其控制系统组成及其体系结构。该真空微夹已经成功应用于该所研制的靶装配微操作机械手。     

基于原子力显微镜的碳纳米管微操纵研究

纳米级微操作技术是制造纳米电子器件的技术基础.以云母为基底,利用原子力显微镜,对碳纳米管束进行微操作,如滑动、切割等.由于基底不同,在微操作过程中呈现不同的现象.研究为加工碳纳米管的微纳米零件做出了有益的探索.     

面向生物医学应用的微操作机器人技术发展态势

近年来,生物医学得到了迅猛发展,研究领域多涉及到微纳米操作.手动操作存在工作效率低,成功率低等缺陷.因此,由生物医学与微操作机器人结合而产生的生物微操作机器人已成为全世界范围内的研究热点.基于此,通过对当前国内外生物微操作机器人的研究现状、实际应用等方面进行分析,总结出生物微操作机器人在视觉伺服控制、驱动器、执行机构、微操作控制策略、几何标定、传感器融合等方面存在的不足,并提出改进意见,以期对该领域未来的创新设计以及发展研究提供一定的参考及指导作用.     

微装配技术的发展现状及关键技术

微机械电子技术的快速发展及其系统结构的日趋复杂,促进了微机电系统中微装配技术的日益蓬勃发展.因此对微装配和微操作的研究日益引起国内外研究人员的重视.详细地综述了近年来微装配技术的国内外发展现状以及其发展过程中面临的一些关键技术,包括微装配机理、显微视觉技术、微夹持器、微驱动技术等,最后对微装配的发展进行了展望.     

基于粘滑驱动的球基微操作器动力学建模与分析

球基微操作器是一种广泛应用于微纳米精密作业的微机器人系统,由基座、微操作球和顶端嵌有红宝石球的3根四分压电陶瓷管组成.基于此,通过驱动压电陶瓷管弯曲或摆动,依靠红宝石球与微操作球间惯性摩擦形成的相对位移实现微操作球3自由度的运动.这种摩擦运动中存在粘滑现象,粘滑驱动带来的非线性导致球基微操作器动力学性能复杂.在简化球面高副连接的条件下,建立具有粘滑特性的微操作器系统动力学模型.基于动态摩擦模型,运用数值方法分析多个参数对微操作器运动性能的影响,通过仿真手段完成模型验证.进行微操作器运动测试试验,进一步验证所建立的动力学模型的正确性和有效性.     

并联微操作机器人技术及应用进展

微/纳米并联微操作机器人技术是综合微/纳米技术和并联机器人技术迅速发展而形成的新研究方向,涉及精密机械、机器人、计算机、自动控制、精密测量等多学科领域,广泛应用于生物医学领域中的细胞与基因操作、精细外科手术、微电子装配、微细加工、光纤对接等领域。通过对当前国内外并联微操作机器人的研究状况、产品化应用以及实际应用等方面的发展态势进行详细地回顾,总结微/纳米级并联微操作机器人这一研究方向在工作空间、运动解耦性、承载能力、理论分析、柔性铰链设计、实时标定与测量、新材料、驱动等方面存在的问题,并提出改进意见,以期对该领域未来的创新设计以及发展研究产生一定的推动作用。     

压电陶瓷驱动球基微驱动器的动力学研究

研制出了尺寸为30 mm×30 mm×50 mm的压电陶瓷驱动的球基微驱动器样机,并对该微驱动器进行动力学分析以及微型轴孔装配的实验研究。建立了微驱动器金属球空间坐标关系,分析了球基微驱动器的动力学特征,并建立了其动力学模型。采用龙格-库塔法计算出了微驱动器的动力学参数,并利用MATLAB的SIMULINK模块搭建了微驱动器的仿真模型,并对其进行了动力学仿真分析。研制出了球基微驱动器样机,并在此基础上,集成微夹持器形成微操作器,对微驱动器性能进行了实验测试,并开展了Φ180 μm微型轴与Φ200 μm微型孔之间的精密微装配实验研究。最后,分析了微驱动器金属球质量、驱动信号频率、以及金属球与微驱动单元摩擦块接触表面摩擦系数对其性能的影响。实验结果表明:该球基微驱动器的转动分辨率为0.000 1°,转动定位精度为0.000 5°,微驱动器最大工作频率为1 200 Hz。实验结果验证了逆转振动模型的正确性,由该微驱动器所集成的微操作器,完全可以满足对微小元器件的微米级操作与装配等精密作业的要求。     

基于微小型移动机器人的微操作系统

提出一种新颖的基于宏/微双重驱动微小型移动机器人的微操作系统.机器人在宏运动状态下为典型的轮式机器人,在微运动状态下为尺蠖运动机器人.将集成微夹持器的微操作器安装在机器人移动定位平台上用于实现微操作任务.为了自动导航机器人完成微操作任务,设计外部智能视觉系统.视觉系统分为全局视觉与显微视觉两个子部分,机器人在全局视觉的导航控制下以宏运动状态实现大范围的粗定位,并使机器人微夹持器末端准确地进入显微镜视场.在显微视觉的导航控制下以微运动状态实现小范围、高精度的精定位,并完成微操作任务.试验表明,提出的基于微小型移动机器人的微操作系统能够成功地实现微小零件的夹取与装配.     

Implementation of a piezoresistive MEMS cantilever for nanoscale force measurement in micro/nano robotic applications

The nanoscale sensing and manipulation have become a challenging issue in micro/nanorobotic applications. In particular, a feedback sensor-based manipulation is necessary for realizing an efficient and reliable handling of particles under uncertain environment in a micro/ nano scale. This paper presents a piezoresistive MEMS cantilever for nanoscale force measurement in microrobotics. A piezoresistive MEMS cantilever enables sensing of gripping and contact forces in nanonewton resolution by measuring changes in the stress-induced electrical resistances. The calibration of a piezoresistive MEMS cantilever is experimentally carried out. In addition, as part of the work on nanomanipulation with a piezoresistive MEMS cantilever, the analysis on the interaction forces between a tip and a material, and the associated manipulation strategies are investigated. Experiments and simulations show that a piezoresistive MEMS cantilever integrated into a microrobotic system can be effectively used in nanoscale force measurements and a sensor-based manipulation.     

RESEARCH OF MICRO ELECTRO DISCHARGE MACHINING EQUIPMENT AND PROCESS TECHNIQUES

Micro electro discharge machining (micro EDM) is a feasible way to manufacture micro structures and has potential application in advanced industrial fields. For the realization of micro EDM, it is necessary to pay careful attention to its equipment design and the development of process techniques. The present status of research and development of micro EDM equipment and process techniques is overviewed. A micro electro discharge machine incorporated with an inchworm type of micro feed mechanism is introduced, and a micro electro discharge machine for drilling micro holes suitable to industrial use is also introduced. Some of the machining experiments carried out on the micro EDM prototypes are shown and the feasibility of the micro EDM technology to practical use is discussed.     

微系统领域的关键技术

评述微系统的３维成形、空间运动机构制作和微作业技术。提出了微系统的定义,提出了它区别于宏系统、微电子系统的特点及这些特点对上述３个技术的影响。评述了ＬＩＧＡ、ＤＲＩＥ、ＥＤＭ、微浮雕、折叠法、ＲＰＭ６种３维成形法,并指出如何组合它们以适应激光学系统、微流体系统、微机构等商品化的配套需要。评述了微运动副的制造方法、带弹性变形件及柔性变形件的微机构设计原理和制造方法,并对它们的选择原则提出建议。评述了     

新型冲击驱动器及其在扫描隧道显微镜中的应用

提出了一种基于压电陶瓷的新型冲击式微位移驱动器，该驱动器利用摩擦力和惯性原理使目标产生步进式的微位移。其特点是最小位移可达几纳米，并在几纳米至几微米之间连续可调，运动范围几乎不受限制，具有实用的运动速度，系统结构简单，操作与控制方便，因而可能在微纳米技术中得到广泛应用。阐述了该驱动器的工作原理和机构设计，给出了它在扫描隧道显微镜中用于探针一样品间的自动定位控制的应用实例，得到了理想的结果。     

无掩膜流动刻蚀技术研究

为了实现玻璃材料高深宽比微结构的加工,提出了一种基于微尺度下流体分层流动现象的微流道内无掩膜流动刻蚀方法。通过对玻璃基体材料进行大量的工艺实验,明确了流动参数对于刻蚀成型微结构深宽比、侧壁形状、刻蚀速率的影响。证明了可以通过改变刻蚀剂与隔离剂的流动参数实现对成型微结构形貌的控制。实验结果表明约束流动刻蚀工艺可以在玻璃基体材料上加工出形态复杂、大深宽比的微结构,微结构的形貌取决于微流道中流体的流速。本实验的结果对于微尺度下分层流动的特性研究有一定的参考价值,并可为解决各向同性材料的微结构加工难题提供有效的解决方案。     

The main achievements in the past 24 years and the prospects of mechanism research in China

Since 1982, the symposiums on mechanism in China has been held fifteen times. In the past 24 years, Chinese mechanism has experienced a phenomenal development. Generally, fundamental research on traditional mechanisms is enhanced; mechanism and creative design of products are closely combined; modern mechanism with advanced and new technology is opened up; and mechanism is promoted to modernization. These are manifested in the following aspects: theory research on analysis and synthesis of traditional mechanism is deeply developed; computer-aided design on mechanisms is realized vigorously; conceptual design of mechanism system and mechanical products is energetically pushed; research on robot mechanisms and its industrial application is deeply developed; research on analysis and synthesis of controllable mechanisms and compliant mechanisms are energetically carried out; research on the dynamics of mechanisms and machines is vigorously developed; and reformation of teaching contents and system of mechanism is energetically carried out. Through the above-mentioned aspects of theory research and practical application, the theoretical and academic levels of Chinese mechanism can be considered at the advanced international level. However, there are not many original and breakthrough research achievements of fundamental research in China. In the meantime, there is a larger gap in the aspect of practical application of mechanism in the country compared with advanced countries in the world.     

ANALYTICAL MODELING OF MICRO END-MILLING FORCES WITH EDGE RADIUS AND MATERIAL STRENGTHENING EFFECTS

The study aims at developing a predictive analytical force model for the micro end-milling operation taking into account the material strengthening as well as the edge radius effects that come into play at the micro level. The mechanistic models for macro end-milling process have been extensively reported in literature and such models predominantly use milling force coefficients which are empirically determined from end-milling experiments. The proposed model for micro end-milling is based on determination of milling force coefficients from fundamental oblique cutting approach. The edge radius effect has been accounted by analyzing the rubbing action similar to the rolling of a cylinder over work surface. Johnson-Cook material model has been modified based on the strain gradient plasticity theory incorporating the increase in material strength with decreasing uncut chip thickness. From the micro orthogonal cutting experiments, a good agreement between the experimental and predicted shear strength values is observed. The force model is validated against measured forces in end-milling experiments carried out on the KERN Evo 5 axis micro machining center. The feed and lateral forces are predicted within 10% deviation on an average.     

微型运载系统构成原理的研究

概述国际上微系统研究的现状,探讨微型运载系统的基本组成及其研究内容,指出微型运载系统的研究方法和关键技术,最后阐明深入研究的实际意义。     

钛合金疏水表面微坑阵列的掩膜电解加工仿真与分析

为改善钛合金疏水性能,获得较高的接触角,使用掩膜电解技术对钛合金进行了凹坑阵列表面微织构的加工。首先,建立微坑阵列掩膜电解加工的数学模型并进行多物理场耦合仿真;其次,分析掩膜电解加工参数对微坑阵列的作用,并借助润湿理论模型获得微坑阵列的固-液接触面积比;最后,以该面积比为因变量,以电解质质量分数、电解电压和掩膜尺寸为自变量,进行正交试验仿真和极差分析,获得最佳工艺参数组合。与仿真预测值相比,微坑阵列单元体直径、间距、深度、固-液接触面积比和表面接触角的测量值误差均小于8%,从而表明该方法在未经低表面能材料修饰的情况下,成功制备了接触角约为140°的微坑阵列。     

脆性材料微铣削理论及微铣削力模型研究

从脆性材料塑性域铣削机理和特点出发,建立了微径球头铣刀几何模型,改进了瞬时切厚模型,利用合理的切削力微元模型建立了脆性材料铣削瞬时的铣削力解析模型;以石英玻璃为工件材料,基于改进的实验平台进行球头铣刀微铣削试验,并获取了铣削力实验数据,回归出了所建模型中的切削力系数。利用试验对模型进行验证分析,结果表明所建模型具有良好的适用性。