基于MEMS机构装配的微夹持器研究

微夹持器作为末端执行装置,直接决定了微装配的效率。MEMS机构中包含许多微小的活动部件和功能元件,为实现这些微小器件的稳定夹取和自动装配,设计了一种采用压电陶瓷驱动、基于柔性铰链的二级放大微夹持器结构。对该微夹持器的节点应力、刚度及最大张合量等进行了分析计算,并对微夹持器进行了试制。实验与分析结果表明,该夹持器最大张合量是245μm,放大倍数约为12.3倍,满足MEMS机构的装配要求。在此基础上,重点对张合量与夹持力进行了系统测试,通过对测试数据的非线性回归,推导出99.99%可靠度的驱动电压计算公式,实现了微夹持的精确控制。     

用于微装配的二级放大微夹持器的设计与实验

微装配系统中的重要工具之一就是微夹持器,因此设计了利用压电陶瓷驱动的二级放大的微夹持器并利用Pro/E对其建模,计算了其放大倍数和节点应力,同时采用有限元方法对所设计的微夹持器进行张合量、放大倍数、应力、刚度及夹持力的分析计算,最后对微夹持器进行试制,实验测试,测试结果表明该微夹持器设计合理,基本符合要求。     

面向MEMS微装配的夹持器的设计和实验研究

介绍了一种由PZT（压电陶瓷）驱动的用于MEMS微装配的微夹持器的设计，计算了夹持器本体的放大倍数和刚度,并用ANSYS仿真验证了数学计算的准确性,采用了基于视觉的标定方法，标定了微夹持器刚度、张合量、夹持力以及夹持力和张合量的关系。实验表明：夹持器张合量达280μm，夹持力达0．1N，可精确操作200～2000μm的微齿轮，实现了微行星齿轮减速器的装配。     

采用伪刚体法的柔性微夹钳设计

随着MEMS的发展,对于能够实现微夹持、装配的微夹持器的各种研究也逐渐成为被关注对象,但是对于微夹钳的设计方面还缺少系统化的方法.根据电热微夹钳的特性,给出了可转化为微夹钳的刚性机构拓扑条件.借助机构的类型综合方法和伪刚体的概念提出了一种设计柔性微夹钳的新方法.最后通过设计一种放大倍数为20的柔性微夹钳,具体阐述了设计过程,同时也验证了本方法的有效性.     

基于有限元方法的柔性铰链式微夹持器优化设计

设计了一种以柔性铰链为转动副的微夹持器。微夹持器采用压电陶瓷驱动，具有结构简单、加工方便、夹持范围大等优点。在设计过程中，采用有限元方法，推导了柔性铰链的刚度矩阵与一致质量矩阵，优化了微夹持器的结构尺寸。为了验证算法的正确性，根据优化后的尺寸建立了几何模型，并利用ANSYS有限元分析软件对夹持器进行了静力学和动力学分析，分析结果与计算结果吻合较好，说明了算法的正确性。     

三自由度精密定位工作台的设计与仿真

研究设计一种以压电陶瓷为驱动器,柔性铰链机构为导轨的精密定位工作台.分析和计算柔性铰链微位移放大机构的位移放大倍数和静态刚度,建立精密定位工作台的输入输出方程,确定微定位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.最后使用ANSYS软件对微定位工作台的运动进行仿真,给出微动平台的运动范围.     

微夹持器的有限元分析

设计了一种基于柔顺铰链的微夹持器。微夹持器采用柔顺铰链为导向机构,为了提高微夹持器的分辨率,采用两级杠杆柔顺机构对输入位移进行放大。建立了系统的理论分析模型,并对其静态特性进行了分析。在此基础上对平台尺寸进行了优化设计,给出了平台尺寸的最优数值结果。最后利用有限元分析软件COSMOS对平台进行静力分析和模态分析,验证设计的正确性和有效性。     

压电驱动微夹持器特性分析

针对微夹持器的大行程、低耦合等要求,采用桥式机构和杠杆机构设计了一种新型三级放大微夹持器。根据柔性机构学、弹性力学和动力学原理,优化了桥式机构的固定位置提高微夹持器的动态特性,建立了微夹持器的理论位移放大模型、耦合误差模型和动力学模型,获得了微夹持器的输出位移特性与动态特性。应用3D打印和线切割加工技术加工出微夹持器实体,通过理论、仿真和实验数据对比验证了理论模型的正确性,微夹持器的位移放大倍数达到了19. 7倍,固有频率为223 Hz,与实验数据的误差均在10%以内波动,工作行程达到了750μm同时耦合误差仅为工作行程的0. 35%,实现了微夹持器大行程、高精度、低耦合和良好的动态特性。     

一种微位移放大机构的设计与仿真

根据差式杠杆位移放大原理设计了一种新型微位移放大机构.计算和推导了该位移放大机构的位移放大倍数和静态刚度,分析了柔性铰链结构参数对微位移放大机构刚度的影响,并对理论计算结果和ANSYS仿真结果进行了对比.结果表明,理论计算值和有限元仿真结果之间存在一定的差异.     

柔性微位移放大机构的设计与动力性能仿真分析

为将压电陶瓷驱动器的输出位移进行放大,根据差式位移放大原理设计了一种新型柔性微位移放大机构。分析了直圆柔性铰链的结构参数对铰链刚度的影响。推导了该机构的位移放大倍数和最大应力的计算公式,并建立了柔性微位移放大机构的动力学模型,得到该机构的固有频率计算公式。利用有限元软件对其进行动力性能仿真分析,分析表明:该位移放大机构设计合理且处于稳定的工作状态。     

四自由度压电微夹钳的设计

为降低微夹钳前端执行机构的复杂度,探索四自由度压电微夹钳的实现问题。通过在被设计成夹钳形状的两个压电单晶片的非黏结面上制作相互绝缘的驱动电极,且使两个非黏结面上驱动电极相互对齐的方法,设计出了可同时产生夹持方向与垂直于夹持方向位移的四自由度压电微夹钳;采用压电悬臂梁变形理论,推导出了钳指位移同钳指几何参数、驱动电压的关系,进而在对钳指进行尺寸优化的基础上,采用有限元方法分析了其静动态特性;最后,对微夹钳的静动态特性进行了测试,结果表明：当驱动电压为60 V时,左钳指、右钳指在夹持方向上的位移分别为25.7 μm、26.1 μm,左、右钳指在垂直于夹持方向上的位移分别为33.5 μm、32.8 μm,钳指位移具有很好的重复性;微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的固有频率分别为2.35 kHz、0.62 kHz;在15 V的阶跃电压作用下,微夹钳在夹持方向和垂直于夹持方向的响应时间均为0.23 s。     

A precision robot system with modular actuators and MEMS micro gripper for micro system assembly

A robotic system which consists of a precision manipulator and a micro gripper for a micro system assembly is presented. The developed P-R-R type 3 DOF robot is actuated by newly proposed modular revolute and prismatic actuators. As an end-effector of this manipulator, a micro gripper is designed and fabricated with MEMS technology, and the displacement of the jaw is up to 142.8 μm. A real gripping test is conducted to evaluate the robotic system.     

新型集成三维微力检测微夹持器

提出了一种以压阻检测技术为基础,压电陶瓷为微驱动元件,具有两级位移放大且集成三维微力传感器的微夹持器。采用有限元软件对微操持器放大机构和传感器弹性体进行分析,并给出了传感器的标定方法。实验证明,该传感器具有无耦合、测量分辨率高、线性度好、标定简单的优点,满足了预计的设计要求,传感器最大量程为10 mN,X向与Y向的分辨率均为2.4 μN,Z向的分辨率为4.2 μN;同时也验证了所设计的微夹持器的合理性和实用性,当压电陶瓷驱动电压取200 V时,微夹持器的张合量达到最大值274 μm。     

A Novel Pneumatic Soft Gripper with a Jointed Endoskeleton Structure

In current research on soft grippers,pneumatically actuated soft grippers are generally fabricated using fully soft materials,which have the advantage of flexibility as well as the disadvantages of a small gripping force and slow response speed.To improve these characteristics,a novel pneumatic soft gripper with a jointed endoskeleton structure(E-Gripper) is developed,in which the muscle actuating function has been separated from the force bearing function.The soft action of an E-Gripper finger is performed by some air chambers surrounded by multilayer rubber embedded in the restraining fiber.The gripping force is borne and transferred by the rigid endoskeleton within the E-Gripper finger Thus,the gripping force and action response speed can be increased while the flexibility is maintained.Through experiments,the bending angle of each finger segment,response time,and gripping force of the E-Gripper have been measured,which provides a basis for designing and controlling the soft gripper The test results have shown that the maximum gripping force of the E-Gripper can be 35 N,which is three times greater than that of a fully soft gripper(FS-Gripper) of the same size.At the maximum charging pressure of 150 kPa,the response time is1.123 s faster than that of the FS-Gripper.The research results indicate that the flexibility of a pneumatic soft gripper is not only maintained in the case of the E-Gripper,but its gripping force is also obviously increased,and the response time is reduced.The E-Gripper thus shows great potential for future development and applications.     

轻韧型软体夹持器的仿生设计与研究

为了使夹持装置柔软度和承载力兼备,受草本植物茎与花冠结构启发,设计了类似花冠收拢的螺旋式包络和仿植物茎刚度增强方案,每个夹爪呈螺旋状弯曲,通过在夹爪结构内逐个腔室横截面方向嵌入筋板来增大末端输出力,在对变形角度影响较小的条件下有效增大了夹爪末端输出力,并对改善软体执行器的迟滞性有显著效果。制作、组装软体夹爪进行了测试,试验结果表明,轻韧型软体夹持器在自重较轻和收拢尺寸较小的情况下,具备良好展开、包络和承载能力,不仅对轴对称形物体有良好的抓持效果,对于传统夹持器难以夹持的非对称形物体,除花冠式收拢动作外,夹爪还能缠绕物体以增强夹持效果。     

基于柔性并联机构的变刚度夹持器设计分析

提出一种新型双夹爪变刚度夹持器,每个夹爪是一个由四根对称旋转柔性支链组成的变刚度柔性并联机构（VSFPM）。夹持器由两个电动机驱动,其中一个宏动电动机用于控制夹爪的开合运动,适应被抓取物体的几何尺寸;另一个微动电动机用于控制柔性支链的旋转角度,以调整夹爪在开合方向的刚度,实现变刚度柔顺抓取,提高对被抓取物体几何形状、材料属性的适应能力。基于刚度投影方法,分析了基于旋转支链柔性并联机构在夹持方向上的变刚度原理;应用基于伴随变换的刚度分析方法,求得了夹爪在任意旋转角度下的刚度模型;通过有限元仿真分析,验证了刚度模型的准确性。此外,有限元分析结果表明,提出的VSFPM机构具有较大的刚度调整范围（0.178~9.663 N/mm）,为变刚度柔性夹持器设计提供了新的思路和方法。     

基于Kriging模型的微夹持器优化设计

为了综合平衡一种新型微夹持器的张合量、夹持力灵敏度与快速响应,提出一种Kriging模型的优化方法。采用拉丁超立方抽样方法确定试验点,采用ANSYS计算各试验点对应的响应值。进行相关性分析以确定对性能影响较大的结构参数,并将其作为优化设计变量。采用Kriging理论建立能反映性能指标与设计变量之间关系的非线性模型,并建立多目标优化模型。比较分析优化前与优化后的各性能指标可知,放大倍数增大了7.4%,固有频率增大了16.46%,输出刚度增大了9.84%,最大应力减小了5.75%,说明所提出的性能优化方法有效。     

The development of soft gripper for the versatile robot hand

This paper deals with a new type of soft gripper which can softly and gently conform to objects of any shape and hold them with uniform pressure. This gripping function is realized by means of a mechanism consisting of multi-links and series of pulleys which can be simply actuated by a pair of wires. The possibilities of this gripper are demonstrated by a pair of mechanical model.     

三指机器人手的操作过程及其控制

描述了 3指机器人手的各种操作过程 ,用一台工业控制计算机完成手指运动、手指抓力与手指转角定位等控制以适合各种操作过程。经计算机动态仿真和实验 ,结果表明这种手爪能适应不同形状、软硬物体的抓取 ,可用于教学、科研和一般工业应用领域。