基于DSP LF2407A的啮合式微型电机控制驱动器

啮合式微型电机是一种新型电机,作为一种与磁阻电机类似的电机,其控制驱动需要专门的控制驱动器实现。文中介绍了一种基于DSP2407的适合于啮合式微型电机的控制驱动器,利用该控制驱动器实现了啮合式微型电机的斩波恒流驱动、细分驱动控制。     

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。     

一种新型仿蜗牛微机器人的研究

介绍一种采用直线电机为驱动器的新型仿蜗牛蠕动的微机器人的运动原理和驱动机构。该微型机器人由两个阶梯型平板机体和一个直线驱动器组成，运动原理与蜗牛的爬行原理相似，实验表明，微型机器人的前进速度随着直线驱动器速度、粘液粘度的增大而增大；微型机器人可以在很少粘液，也可以完全浸没在粘液中正常而有效地工作。     

压电式微型仿生六足分节机器人结构设计与加工工艺研究

介绍了压电式微型仿生六足分节机器人的理论设计原理,阐述了适用于该微机器人的动力学模型,研究了该微机器人机身和压电驱动器的加工工艺,并对加工出的压电驱动器进行了测试和分析。把在微机械方面应用极广泛的压电驱动器应用到微型仿生六足分节机器人上,结构简单、新颖,不仅使微型仿生机器人在驱动研究的新领域有所突破,还使其在整体机械结构设计上有所创新。     

尺蠖式直线微驱动器的设计

针对普通尺蠖式直线微驱动器运动速度低和输出力小等问题,基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式直线微驱动器。微驱动器由箝位机构、驱动机构和输出轴组成,其运动特点是驱动机构驱动箝位机构进行往复直线运动,箝位机构带动输出轴作直线运动。箝位机构和驱动机构均采用柔性杠杆结构,保证了微驱动器所需的箝位力与驱动力,并提高了其运动速度。采用伪刚体方法建立了驱动电压与箝位力、驱动机构输入位移与输出位移之间的关系,根据功能原理建立了输入力与驱动力之间的关系并制作了样机,搭建了实验测试系统进行性能测试,测试结果表明,驱动器最大箝位力为216.43N,最大驱动力为13.5N,在驱动电压120V,频率95Hz时,达到最大速度48.91mm/s。     

一种基于SMA的微小型蠕动机器人

介绍了一种SMA驱动的微型轮式蠕动机器人的结构和控制系统。它采用轮式移动结构，打破近年来微小型机器人多采用腿式结构的传统。重点分析了并联式SMA驱动器和轮式移动机构的设计。微型机器人采用并联式SMA驱动器仿生蠕动输出力和位移，刚／弹耦合机构显著增大了微型机器人的前进步距，车轮逆向锁定机构控制了运动方向，确保了车轮滚动前进，实现了较高速度的运动。     

橡胶驱动器的有限元静力学研究

对以增强纤维橡胶制成的、用流体驱动的三自由度柔性微型驱动器进行了静力学性能的基础研究。文章用有限元法对微驱动器进行计算分析，采用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈ－ｓｏｎ法进行非线性迭代，首次获得微驱动器的角偏转刚度计算结果，并将计算结果与日本铃森康一等人的实验结果进行了比较。     

橡胶驱动器的有限元力学研究

对以增强纤维橡胶制成的，用流体驱动的三自由度柔性微型驱动器进行了静力学性能的基础研究。文章用有限元法对微驱动器进行计算分析，采用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法进行非线性迭代，首次获得微驱动器的角偏转刚度计算结果，并将计算结果与日本铃森康一等人的实验结果进行了比较。     

具有三层结构的SU-8胶V形微电热驱动器

为解决SU-8胶微电热驱动器在工作过程中存在平面外运动的问题,提出了一种具有铜-SU-8胶-铜三层对称结构的新型SU-8胶V形微电热驱动器.采用刚度矩阵方法建立了包含被驱动结构刚度的微电热驱动器力学模型,并针对一种柔性微夹钳,利用该模型对微电热驱动器进行了几何参数设计.利用Ansys仿真软件对所设计微驱动器进行了分析,仿真结果验证了所建模型的合理性.提出了一种新的MEMS加工工艺来制作三层结构微电热驱动器,并测试了它的性能.结果表明,实验结果与仿真结果相差不大,在150mV驱动电压下,所设计微驱动器温度仅升高约32.93℃,并对微夹钳产生约2.5 μm的输入位移,使微夹钳产生126μm的钳口距离改变量.微驱动器仅消耗大约30.35 mW的功率,钳口的平面外运动小于500 nm.最后,利用微电热驱动器驱动的微夹钳成功地对一个长1.2 mm,宽135μm,厚50μm的SU-8胶材料微型零件进行了微操作实验,实验证明了微驱动器实际性能基本满足设计要求.     

外磁场驱动无缆微型机器人行走特性的分析

研制了以超磁致伸缩合金为驱动器的微型管道机器人,提出了一种以管外磁场无缆方式驱动控制微型管道机器人行走的方法,使其可靠性和实用性都得到提高。控制原理是通过管外时变振荡磁场频率的改变,媒介于微机器人磁致伸缩微驱动器的磁机耦合作用,将时变振荡磁场能转换成机器人弹性腿的振动机械能,从而实现机器人的行走。介绍了系统组成及工作原理,然后对行走动态特性进行了深入研究,得出了基于振动原理的微机器人移动速度和牵引力的方程式。试验表明机器人系统切实可行,能实现微型机器人的外磁场无缆驱动控制。     

Microscopic observation and laser-controlled microoptothermal drive mechanism

The mechanism of novel optothermal microactuators (OTA) was analyzed with a microscope system, a charge-coupled device-combined light microscope, and a computer system. One OTA, two optothermal microswitches (OTS) with different length and shape were machined by an excimer laser micromatching system using single layer material. They all had two thin expansion arms with different widths. The mechanism of the OTA/OTS is that the different optothermal expansion controlled by asymmetric topology and shape of the arms causes a magnified lateral deflection or vibration. A red laser diode (650 nm) with maximum power output of 30 mW was employed as the external power source to drive the OTA/OTS. Experiments were carried out with the microscope system, and serial images and videos were acquired. The results indicate that the structure of the OTA/OTS is simple and easy to be manufactured. They can practically generate an obvious lateral deflection or vibration. When the location of the laser spot on the OTA changed, the direction of its deflection is also changed. When the value of laser power that irradiated on the OTS increased, the lateral deflection of the OTS enlarged, the maximum could be larger than 30 microm. This kind of novel microactuator has the advantages of remote wireless controlling, large displacement, simple structure, easy to be machined, and therefore will be quite useful for the practical applications in the fields of micro/nanotechnology.     

Microscopic research on the properties of optothermal microactuators with different lever ratios

This paper presents microscopic research on properties of asymmetric optothermal microactuator (OTMA) with different lever ratios. A theoretical model is established on the basis of thermal flux theorem to describe the increase in temperature induced by laser irradiation and thermal expansion of OTMAs' expansion arms. The increases in temperature of three asymmetric OTMAs with total lengths/lever ratios of 540 μm/7.2, 1,080 μm/7.2, 1,080 μm/14.4 were simulated under irradiation of 2.8 mW laser beam, which revealed that a similar increase in temperature will distribute on three expansion arms, with maximum the temperature increase of 82.73, 87.67, and 88.03°C, respectively. Due to these increases in temperature, the arms expand longitudinally and thus the OTMAs are capable of deflecting laterally with enlarged deflection amplitudes. To obtain optimized deflecting properties, three OTMAs with aforementioned lever ratios are further microfabricated and experimented using an optical microscopic observation and measuring system combined with a charge‐coupled device. The experimental results show that these OTMAs can be directly actuated by laser beam and acquire maximum deflections of 6.8, 7.2, and 11.4 μm when only 2.8 mW laser power is employed. In addition, it is demonstrated that, although doubling the lever ratio of OTMA does not correspondingly generate twofold deflection, the deflection amplitude can significantly increase with the increase in the lever ratio. With their characteristic elegances, the OTMAs are expected to be practically applied in the micro‐electromechanical system and the micro‐opto‐electromechanical system.     

基于形状记忆合金的微小型光热驱动马达

在分析了形状记忆合金双程记忆效应原理的基础上,采用铜锌铝双向记忆合金片,设计并加工制作了两种微小型光热驱动马达,对其进行了驱动实验研究.研究结果表明,用输出波长为1064nm的YAG脉冲激光作为光热驱动马达的驱动源,在适当的输出功率和频率下,棘轮棘爪型光热驱动马达可获得较精确的步距,齿轮传动型光热驱动马达可获得较高的转...     

微扑翼飞行器静电驱动机构的机电耦合特性研究

静电微驱动机构在微机械传感器、激励器中有着广泛的应用。对一种用于微型扑翼飞行器的扭转式静电微驱动机构,在建立其非线性动力学模型的基础上,采用数值方法在相空间中分析了系统的非线性动态特性,研究了初始条件和阻尼对临界拉入电压的影响,分析了在不同激励电压信号下系统的响应并得出方波信号较优的结论。最后针对静电扭转梁的有限元模型,采用顺序耦合场分析方法研究了系统的机电耦合特性。所得研究结论对扭转式静电微驱动机构的设计与应用提供了一定的理论依据。     

Spectral properties and dynamics of gold nanorods revealed by EMCCD‐based spectral phasor method

Gold nanorods (NRs) with tunable plasmon‐resonant absorption in the near‐infrared region have considerable advantages over organic fluorophores as imaging agents due to their brightness and lack of photobleaching. However, the luminescence spectral properties of NRs have not been fully characterized at the single particle level due to lack of proper analytic tools. Here, we present a spectral phasor analysis method that allows investigations of NRs' spectra at single particle level showing the spectral variance and providing spatial information during imaging. The broad phasor distribution obtained by the spectral phasor analysis indicates that spectra of NRs are different from particle to particle. NRs with different spectra can be identified in images with high spectral resolution. The spectral behaviors of NRs under different imaging conditions, for example, different excitation powers and wavelengths, were revealed by our laser‐scanning multiphoton microscope using a high‐resolution spectrograph with imaging capability. Our results prove that the spectral phasor method is an easy and efficient tool in hyper‐spectral imaging analysis to unravel subtle changes of the emission spectrum. We applied this method to study the spectral dynamics of NRs during direct optical trapping and by optothermal trapping. Interestingly, different spectral shifts were observed in both trapping phenomena. Microsc. Res. Tech. 78:283–293, 2015. © 2015 Wiley Periodicals, Inc.     

展成法大轮准双曲面齿轮点啮合齿面主动设计

为准双曲面齿轮传动点啮合齿面主动设计建立通用的技术平台对于方便点啮合齿面主动设计的实际应用和更加深入的锥齿轮技术研究都是一项重要的基础工作.基于三轴联动锥齿轮机床建立准双曲面齿轮展成法大轮齿面的通用数学模型.根据点啮合齿面主动设计的原理和方法,在大轮轴截面内描述空间齿面啮合的接触点迹线,推导得到了展成法大轮点啮合齿面主动设计所需要的具体计算公式.这些公式可用于不同展成型式的展成法大轮点啮合齿面主动设计.最后,给出了一个展成法大轮准双曲面齿轮传动点啮合齿面主动设计的算例.     

基于惯性-摩擦原理的PZT驱动四自由度微驱动器的研究

提出了一种由PZT驱动、基于惯性-摩擦原理的四自由度驱动器方案,在原理实验的基础上制作了四自由度驱动器的原型,并讨论了这一微驱动器的运动特点。实验证明:这一原理应用于微驱动器是可行的。压电陶瓷的通电频率处于0Hz～30000Hz时微驱动器的运动是线性可控的。同时,也讨论了驱动器设计中应该注意的问题及其未来的研究方向。     

基于MEMS工艺的高能量密度微电磁驱动器

提出了制作高能量密度电磁驱动器的工艺方法。利用微机械(MEMS)工艺在硅片上得到多匝平面线圈和磁芯的掩模图形,接着沉积种子层铜(Cu),然后对种子层进行整体Cu的电铸;当种子层生长到20 μm左右时,剥离硅片表面的镀层并用光刻胶保护磁芯位置的镀层;再用沿线电铸的方法对线圈进行电铸;最后保护制作好的线圈镀层,电铸NiFe合金材料。在10 mm×10 mm×0.38 mm的硅片上,制作出线圈匝数22×2(铜线截面积60 μm×60 μm、总长度达1 164 mm)、NiFe合金磁芯尺寸为3 mm×3 mm×0.2 mm的高能量密度微型电磁驱动器。把这种微型驱动器应用于无阀微泵做驱动实验:通入0.3 A的正弦电流时,微驱动器产生约50 mN的电磁力。实验结果表明:这种型微电磁驱动器在相同的输入功率下,比同类其他微电磁驱动器具有更高的能量密度,能产生更大的电磁驱动力。     

基于多次压电效应的微执行器

基于多次压电效应理论提出一种有别于传统压电执行器驱动方式的微执行器,且可实现弹性位移与多次逆压电位移的两级定位功能.详细地分析了基于多次压电效应的微执行器的原理,并采用PZT-5压电陶瓷叠堆进行实验,通过改变压电叠堆的边界条件得到了基于多次压电效应的微执行器的位移量,实验结果表明该微执行器产生的弹性位移、多次逆压电位移及总位移均与所施加外力具有较好的线性关系.实验结果不仅验证了理论分析的正确性,而且证明了基于多次压电效应的微执行器的可行性,同时,通过实验间接地量化出PZT-5的二次逆压电系数约为9.46×10-12m2/N.多次压电效应研究为压电执行器的设计提供了一条新途径.