可自感知钳指位移与夹持力的4自由度压电微夹钳的研究

微夹钳是MEMS（微机电系统）中实现微零件装配、生物医学工程中实现细胞微操作的关键微执行器之一。本项目通过两组方向相反的横向逆压电效应的空间交叉应用，提出了一种新的4自由度压电微夹钳的设计方法；受压电陶瓷晶体在外力与电场作用下发生变形的本质上是其发生电极化这一思想的启发，提出了一种基于积分电路的微夹钳钳指位移与夹持力的自感知方法；基于所提出的设计方法与自感知方法，研究4自由度、自感知压电微夹钳的实现及其夹持精度的提高。.因每个钳指多实现了一个自由度，并省掉了外部传感器，故所提出的压电微夹钳，对于提高微装配与微操作系统性能、促进系统集成化与微型化、减小系统重量与体积、降低系统设计难度以及降低系统成本，推动MEMS技术、生物医学工程技术的发展，具有重要意义。

微夹钳是能够产生微米与纳米级运动精度与分辨率的末端执行器。在MEMS制造中，它可用来将微轴、微齿轮等装配成微部件；在生物工程领域，可用来捕捉和释放细胞。目前的微夹钳仅具有两个自由度，仅能实现夹持方向的动作。微夹钳在工作过程中，需要感知并控制钳指位移与夹持力，以实现精确操作。目前常采用微位移与微力传感器来检测钳指位移与夹持力，不利于微装配与微操作系统的集成化与微型化，且价格昂贵，而在某些微装配与微操作系统中，受空间限制而无法安装传感器。.本项目将空间垂直交叉的两组横向逆压电效应应用于分割驱动电极式压电双晶片上，使其产生夹持方向与垂直于夹持方向的微位移，进而设计出了四自由度压电微夹钳，分析了并测试其静动态特性；基于压电晶片在外力与电场作用下发生变形的本质是发生电极化的思想，提出了基于积分电荷的钳指位移与夹持力的自感知方法，设计了自感知电路，实验验证了自感知钳指位移的有效性；通过对传统PI迟滞模型与常规PID的改进，设计出了将前馈控制与PID反馈控制相结合的复合控制器，并采用自感知反馈方式，设计出了对钳指位移进行控制的闭环系统，实验验证了其有效性。.所设计微夹钳大小为34 mm x 14.5 mm x 0.4 mm；在60 V电压作用下，钳指沿夹持方向与直于夹持方向的位移约分别约为25 μm、32 μm，沿两方向的自感知位移分别约为22 μm、27 μm；钳指沿两方向的固有频率分别为2.35 kHz、0.62 kHz；在15 V阶跃电压作用下，钳指沿两方向的响应时间分别约为0.21 s、0.23 s，沿两方向的自感知位移的响应时间分别约为0.23 s、0.24 s；在自感知反馈复合控制作用下，当最大参考位移为14.7 μm时，钳指输出位移的稳态误差均值在-0.02～0.04 μm之间变化。.本项目为压电微夹钳的结构设计、钳指位移与夹持力的检测提供了新的方法，可促进微装配与微操作系统的集成化、微型化，推动MEMS技术、生物工程技术的发展。