基于压电驱动的多自由度微操作器精密定位及振动抑振一体化控制理论与方法研究

Micro/nano technology has been widely developed these years, Under the application background of micro-electromechanical assembly and cell manipulation and operation etc, a typical multi-DOF micromanipulator is taken as our study object, which consists of a flexure hinge micro-displacement stage driven by piezoelectric actuators and a piezoelectric bimorph gripper. The main work of this study includes three parts: Firstly, it will bring improvements to the driving mechanisms and manipulation theory of the multi-DOF micromanipulators through the studies on the driving mechanism and hysteresis modeling technology of piezoelectric actuators, and nonlinear rigid-flexible coupled modeling theory of micromanipulators. Secondly, it will give contributions to both the micromanipulator's sensing detection technology and the actuators/ sensors' optimal location theory. Thirdly, by introducing the theory for active vibration control of piezoelectric materials in flexible structures, the technology of precision positioning and vibration suppression for the multi-DOF micromanipulators will be studied under the driven by macro/micro motion. Furthermore, it will propose some integrated control strategies and key theory of precision positioning and vibration suppression for the micromanipulator during the macro/micro motion. As some exploration and theoretical research for the high-precision positioning mechanisms and control technology for the multi-DOF micromanipulators have been done, it will achieve the purpose of improving the control precision and running efficiencies for the multi-DOF micromanipulators.

在当前微纳米技术大力发展的环境下，本项目以微机电系统领域的微小零件装配和生物医学领域的细胞操作等微操作技术为工程应用背景，以一类典型的由基于压电驱动器和柔性铰链的高精度多自由度微动平台和压电双晶片微夹持器组成的微操作器为研究对象，通过研究压电驱动器的驱动机理、迟滞非线性建模技术和多自由度微操作器的刚柔耦合的非线性建模理论，完善多自由度微操作器的驱动机理和操控理论；研究多自由度微操作器的传感检测技术以及传感器/驱动器优化布局理论；引入压电材料在柔性结构中的振动主动控制理论，探究多自由度微操作器在宏/微运动驱动下微夹持器末端的精密定位及运动过程中的振动抑制问题，提出多自由度微操作器在宏微平台驱动中的精密定位驱动与振动抑振一体化控制策略并对其关键技术理论展开研究，为多自由度微操作器的高精密定位驱动技术和控制技术提供相关的理论基础和有益的探索，达到提高多自由度微操作器的控制精度和操作效率的目的。

近年来，微纳操控技术广泛应用于微操作、微装配与微机电技术领域中。作为连接微观系统与宏观系统的核心部件，柔顺压电微操作器在微纳操作任务中具有极其重要的作用。然而，随着微操作器不断向多尺度、柔性化、小型化、高精度和易于控制方向发展，现有的微操作器及控制技术面临众多挑战：1) 被操作物体的跨尺度和不规则特征要求微操作器同时具有行程大、分辨率高、平动夹持、集成传感器和易于控制等优点。2) 压电叠堆致动器的输出位移具有严重的非线性迟滞回环，需要有效补偿迟滞效应并精密控制微操作器的输出位移与夹持力。.针对以上问题，本项目设计了柔顺压电微操作器，重点开展机构静力学与动力学建模、压电叠堆致动器迟滞非线性建模以及精密轨迹跟踪控制等方面的研究。通过数值仿真与实验验证相结合，验证了所建模型与提出方法的可行性。具体地，首先叙述了项目研究背景及现状。其次，采用直圆柔性铰链设计包含双摇杆放大机构与平行四边形机构、压电叠堆致动器的柔顺微操作器。使用伪刚体方法建立机构静力学与动力学模型，并通过有限元分析验证系统模型。分析了传感器的优化配置，得到了位置/夹持力传感器的最优位置。然后，针对压电叠堆致动器的迟滞非线性问题，构建了一种精确表征非对称迟滞特性的Bouc-Wen模型。采用改进遗传算法对非对称Bouc-Wen迟滞模型参数进行辨识，并开展正弦衰减和任意轨迹的迟滞模型预测实验，验证了非对称Bouc-Wen迟滞模型和参数辨识方法的有效性。接着，搭建了实验系统，分析测试了微操作器的开环特性。之后，采用非线性模糊控制器(NFL)精密跟踪微操作器输出位移轨迹的同时，使用PI控制器同步调整微操作器的夹持力，实现对微操作器位置/夹持力轨迹的精密控制。根据辨识得到的Bouc-Wen模型参数设计基于迟滞逆模型的前馈控制器，并在前馈控制器的基础上叠加PI控制器构成复合控制器，实现对操作器输出位移的精密控制。最后，对研究结果和意义进行了总结。