微位移机构研究现状
基于柔性铰链的桥式微位移机构特性探析
基于柔性铰链的桥式微位移机构特性探析ﻭﻭ全柔性机构是一种新型机构,通过采用免安装、无间隙和无摩擦的设计方式可实现微米级甚至纳米级的高精度。
为了达到精密运到的目的,全柔性机构多采用高精度的微位移驱动器。
压电陶瓷驱动器是近年来应用越来越新型微位移器件，它具有体积小、出力大、分辨率和频响高的优点，且不发热、无噪声.然而压电陶瓷驱动器的输出位移仅限制在在几微米到几十微米范围，因此全柔性机构通常要采用微位移放大机构来实现对压电陶瓷输出位移的放。
目前，常用的微位移放大机构主要有杠杆原理放大机构和桥式放大机构.ﻭ基于杠杆原理的微位移放大机构结构简单、刚性好、功效比高，理论上可以实现输入输出的线性关系，但是其一级放大倍数是有限的，复合式杠杆放大机构体积较大、放失真严重。
ﻭ而根据放大原理设计的桥式放大机构具有结构紧凑、易于加工以及具有较高的放大倍数等特点，近些年来得到了关注。
ﻭJuｎHyuｎg Kim等人采用矩阵法建立了柔性链的刚度矩阵并对桥式放大机构进行了优化设计；马洪文等人采用弹性梁理论分析了微位移桥式放大机构的放等特性。
N. Loboｎt ｉu等人基于应变能原理与卡氏第二定理推导了桥式放大机构的位移和刚度计算公式。
张兆成等人采用了伪刚体模型和卡氏第二定理研究了桥式柔性链的刚度和应力模型。
本文采用解析法建立了桥式放大机构的变形公式,在所建模型的基础上,进一步分析了桥式放大机构的刚度、放等特性，采用AＮＳYＳ软件进行仿真,并设计了相关的验证实验。
1 桥式放大机构数学模型柔性桥式微位移放大机构是在一块金属材料上采用线切割技术整体加工而成。
为了保证良好的导向性能，桥式微位移放大机构通常设计成全对称结构，并要求其在运动方向上具有良好的灵敏度，同时在整体上还应具备一定的刚度。
桥式微位移放大机构采用全对称设计,其由4个柔性支链组成,因此对桥式微位移放大机构特性的分析可以简化为对其柔性支链的特性分析，柔性支链的数学模型。
ﻭ为便于分析，作如下假设:ﻭ1)除柔性链外，柔性机构的其他部分均为刚体;ﻭ2）材料为均匀的各向材料；3)柔性桥式微位移放大机构是全对称的；4）柔性链的变形是线弹性的，且弹性变形相对较小。
微位移技术
微位移技术第一章概论第二章微位移机构第三章柔性铰链第一章概论作为精密机械与精密仪器的关键技术之一一微位移技术，近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速的发展起来。
例如用金刚石车刀直接车削大型天文望远镜的抛物面反射镜时，要求加工出几何精度高于l/l0光波波长的表面，即几何形状误差小于0.5u m。
计算机外围设备容量磁鼓和磁盘的制造，为保证磁头与磁盘在工作过程中维持1um的浮动气隙，就必须严格控制磁盘或磁鼓在高速回转下的跳动。
特别是到20世纪70年代后期，微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路方向发展，随着集成度的提高，线条越来越微细化。
256K动态RAM线宽已缩小到1.25um左右，目前己小于0.1um，对与之相应的工艺设备(如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线曝光机及其检测设备等)提出了更高的要求，要求这些设备的定位精度为线宽的1/3~1/5，即亚微米甚至纳米级的精度。
生物工程是当今一门崭新的学科，现代科学的发展要求，随意捕捉和释放单一游离细胞，或向细胞注入和拾取某一成份，同时还能测定和记录细胞生物的电参数，因此研制满足这一要求的设备同样离不开微位移技术。
随着机器人技术的发展，机器人精微操作已成为机器人研究领域中的重要课题之一，如用机器人完成精密伺服阀，压电陀螺等精密零部件的装配作业，其技术关键之一是微位移技术的研究.[1]因此，微位移技术是现代工业基础的重要组成部分，它几乎左右着上述各领域的发展，并引起国外研究人员的极大关注，他们加紧了这方面的研究，并取得了很大进展。
由于定位技术的水平几乎影响着整个设备的性能，因此直接影响到微电子、宇航、生物工程等高科技技术的发展。
例如精密仪器，无论是大行程的精密定位，还是小围的光学对准，都离不开微位移技术。
因此微位移技术，成为现代精密仪器工业的共同基础。
1.1国外现状及发展趋势美国LLN以美国知名核聚变实验室)研制的加工大口径光学元件的金刚石车床(LODTM)是目前世界上能进行最高精度切削加工的车床，其所用的快速刀具伺服机构采用了PZT(错钦酸铅压电瓷)，能在士1.27um围分辨力达到2.5nm，频率响应可达到IOOHz;日本日立制作所采用柔性支承导轨、压电晶体驱动方式的微位移机构的位移精度为士0.05um，行程为士8um，该机构已成功应用于电子束曝光机;中国国防科技大学采用柔性支承导轨、电致伸缩驱动方式的微位移机构的分辨力为0.01um，行程为20um[4]。
机构运动精度可靠性研究现状
机构运动精度可靠性研究现状机构运动精度可靠性是影响产品质量、寿命的关键因素且已成为衡量机构运动性能的重要指标，文章对机构运动精度可靠性的研究现状进行了分析，并介绍了目前求解机构可靠度新方法及其应用。
标签：机构运动精度；可靠性；现状1 概述机构是传递运动和动力的可动装置，它是機械装备的特征骨架和执行器[1]。
机构的运动和动力性能直接关联着整个机械装备的品质和功能，提高机构的运动于动力性能一直是学者们的研究重点。
传统机构学将机构的概念局限于仅含刚性构件、理想运动副（无间隙或柔性）、构件尺寸绝对精确的机构系统。
然而，真实机构系统具有多种内外部不确定性（如几何公差、运动副间隙与磨损、构件物理参数如密度与弹性模量、工作载荷等的随机性）[2]，这些不确定性对机构运动学与动力学性能有着不可忽视的影响，传统的以确定性参数为基础的机构学研究不能描述上述特征。
技术发展对机构的高精度、可靠性等提出了更高的要求。
机构运动精度可靠性研究是在特定的工作条件和时间内，真实机构的运动输出与理想机构运动输出之间的偏差落在期望误差限范围内的概率。
受不确定性影响，真实机构与理想机构的运动必然存在不确定性或随机偏差，即使这些内外部不确定性很小，但在机构设计时如果不加以考虑或考虑不充分，也可能会造成很大的机构输出的不确定性，进而导致机构运动精度下降、动作不可靠、定位不准确以及动力性能不佳，从而使整个机械装备的功能丧失、性能下降、故障率上升、寿命缩短和用户满意度下降等。
如1978年美国发射的陆地卫星2号由于偏航飞轮失效而导致整星失效，1987年德国发射的TVSAT卫星进入轨道后一翼展开而另一翼卡主而导致整星灾难。
因此，在机构系统设计中必须考虑内外部的不确定性具有相当的必要性和重要性。
但这是确定性设计方法难以胜任的，因此须采用不确定性工程设计理论与方法研究机构的运动输出与不确定性之间的内在联系和规律以及对应的机构设计与分析理论。
2 可靠性方法可靠性方法是处理不确定性因素最为有效的途径[3]。
微位移机构研究现状
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微型机械制造、超精密加工
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生物工程方面
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微驱动技术发展及应用
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基于柔性铰链的微位移机构的设计与分析
黄志威 梅 杰 明廷 鑫 胡吉 全 陈定 方
武 汉理 工大 学物 流工程 学院
摘
武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３
要 ：针 对传 统 机 械 式 微 位 移 机 构 无 法 实 现 高 精 度 定 位 的 问 题 ，采 用 半 圆 型 柔 性 铰 链 设 计 了 一 种 反 对 称
ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ａ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｙ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎｐ ｕ ｔ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ ｔ ｉ ｎ ｔ ｏ ａ ｎｇ ｕｌ ａ ｒ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｆ ｏ ｒ ｏ ｕｔ ｐｕ ｔ ．Ｔｈ ｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｓ ｉ ｔ ｓ ａ ｎ ｇ ｕ ｌ ａ ｒ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎｅ ｓ ｓ， ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｔ ｙ ｐｅ， ｓ ｔ ｕｃ ｒ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ， ａ ｎ ｄ ｏ ｕ ｔ ｐ ｕｔ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ． Ｔｈ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ Ａｎ —
性铰 链与 传统 铰链 相 比，具有 无 间隙、无 摩擦 、
运动 灵敏 度 高 等优 点 。但 传 统 铰 链 允 许 较 大 的相 对转 动 ，而 柔 性 铰 链 只允 许 很 小 的相 对 转 动 。在 精密 工程 中 ，基 于 柔 性 铰 链 的柔 性 放 大 机 构 作 为 微位 移放 大器 ，可 将 压 电 陶瓷 驱 动 器 的 输 出位 移 放大 到几 十甚 至几 百 微 米 ，以实 现较 大 行 程 范 围 内的精密 位移 驱动 。 柔性 放大 机构 有 多种 放 大原 理 ，如桥 式 原 理 、
微位移技术
与压电驱动相比， 电致伸缩 驱动具有 %） 滞后小， 瞬时 !） 稳定性好， 位移重复性好， "） 热膨胀系数很小等特点。 $） 本 研 究 以 12（ 34% 0 " 陶瓷制 52! 0 "） 6（简称 735） " 作电致伸缩驱动器， 其应变 （ ! ）# 场强 （ "） 特性如图 " 所示， 从曲线可见， 增程 （场 图 " 铌 镁 酸 铅 陶 瓷 应 变 强增加） 与回程 （场强减少） （ !） （ "） 特性 # 场强 不重合， 但滞后量较小仅 8 ( 场强减小至零后， 无残余应变； 在 %&&&+ 0 ’’ 电场 ,* ； 驱动下， 其应变 ! . % ( &* - %& # " ， 由式 （ "） 可得电致伸 #9 缩系数 & . % ( &* - %& （无压电效应， 故 ) . &） 。 叠层驱动器是将电极与电致伸缩陶瓷烧结为一整 体如图 $: 所示， 每层既为一平板电容器， 图 $2 是驱动 器等效电路， 故驱动器的总电容 + ! 为： 0 - !& !/0・ !/ .!& （$） . ! ! .! （ ;） ； 式中： , 为层数， + 为一层的电容 . 为极板间距 ! （’） ； ! 为驱动器工作中的最大应变为 % ( &* - %& # " ； 0 + ! . ,・+ . !! . 为极板面积； - 为驱动器行程； !/ . %8%&& 为材料的介 # %! ! ! ・ 为真空介电常 电常数， ’（ 0 =4 ’"） !& . , ( ,* - %& < ・ 数。平板电容器内部场强 " 与极板上的驱动电压 1 的关系为 1 . ". ， 根据式 （"） ， 可得： ! . &"! . & 则， 1. 1! .! （*）
精密微动工作台二维微位移机构的设计研究
ｉ ａｔ ｆｃ ｉ ｎｄ Ｓ ｎ．． ｏｎ ａ Ｏ ｏ
Ｋｅ ｒ ｓ：ｍ ｉｒ — ｄ ｓ ｌｃ ｙ ｗｏ ｄ ｃｏ ｉｐ ａ ｅｍｅ ｓ ｎｔ ｗｏｒ ｔ ｂ ｅ ； ｉｖ ｎｇ ｗｉｈ ｅｅ ｔｏｓｒｃｉ ｅ ｃ ｒ ｍ ｉｓ ｆｅ ｉ ｌ ｍｅ ｋ ａ ｌ ｄｒ ｉ ｔ ｌ ｒ ｔｉ ｔｖ ｅ ａ ｃ ； ｘ ｂｅ ｇｅ ｌ ｃ ｌ
分 析 了 为 消 除 机 构 间 隙 和 工 作 台爬 行 ， 高 定 位 精 度 和 响 应 速 度 所 采 取 的 技 术 措 施 ： 致 伸 缩 陶 瓷 驱 提 电
动、 柔性 铰 链 与杠 杆 放 大 一体 化 结 构 等 。
关 键 词 ： 动 工 作 台 ； 性 铰 链 ； 致 伸 缩 陶 瓷 微 柔 电
ｐｒ ｖ ｒ ａｂｅ ｏ ｉｎｔ ｔｏｎ ｐｒ ｉｉｎ ａｎ ｅ ｐ ｎｓ ｏ ｅ ｗｏ ｋｔ ｌ ｒｅ ａ ｉ ｅ ｓｏ ｄ ｒ ｓ ｏ ｅ． Ｔｈ ｙ ａ ｅ ｆｅ ｉ ｌ ｅｍｅ ，ｄｒｖｎｇ ｗｉｈ ｅ ｅ ｔｏｓｒｃｔｖ ｅ ａｍｉｓ，ｌｖ ｒ ｍａ ｉ ｃ ｅ ｒ ｘ ｂｅ ｇ ｌ ｌ ｉ ｉ ｔ ｌ ｒ ｔｉ ｉ ｅｃ ｒ ｃ ｃ ｅ ｅ ｇｎ —
滚 珠 丝 杆 驱 动 、 动 导 轨 支 承 。 要 实 现 亚 微 米 级 的 定 滚
作为 驱 动器 ， 图 １ 如 所 示 。其机 构 原 理 如
5 微位移技术
静态特性：指微动工作台的输入位移 x 不随时间变
化时的特性。静态特性主要取决于驱动器的特性。
迟滞现象
5.5 微动工作台的设计及特性 ——动态特性分析
动态特性：指微动工作台的输入位移x按正弦变化时
的特性。
要避免系统在刚度极小值（谐振频率）附近工作，
引起共振，给系统带来很大的误差或是破坏。
5.6其他类型的微位移机构 ——电热式微位移机构
（2）滚动导轨-压电器件驱动
5.1 概述 ——常用微动工作台
（3）平行弹簧-机械式位移驱动
X Xi
？
5.1 概述 ——常用微动工作台
（3）平行弹簧-机械式位移驱动
杠杆 支点 杠杆 支点
杠杆 支点
5.1 概述 ——常用微动工作台
（3）平行弹簧-机械式位移驱动
5.1 概述 ——常用微动工作台
（4）平行弹簧-电磁或电致伸缩驱动
5.2压电、电致伸缩器件 ——压电、电致伸缩效应
（4）四类压电振动模式
压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都具有这4类模式。
5.2压电、电致伸缩器件 ——压电、电致伸缩效应
电致伸缩效应与逆压电效应的区别
（1）电致伸缩效应与场强成二次方关系，曾被称为“二次 方压电效应”，且与其方向无关。逆压电效应与场强成正 比，且与其方向有关。 （2）逆压电效应仅在无对称中心晶体中才有，而电致伸缩
效应是所有的电介质晶体都有。
（3）外电场所引起的压电体的总应变为逆压电效应与电致 伸缩效应之和。
5.2压电、电致伸缩器件 ——压电、电致伸缩效应
电致伸缩效应与逆压电效应的区别
（4）一般电致伸缩所引起的应变比压电体的逆压电效应小 几个数量级。某些高介电常数的铁电体，电致伸缩效应引 起的应变较大。 （5）压电效应与晶体的温度有关，存在一个相变温度（居
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在扫描探针显微镜方面
扫描探针显微镜(SPM)以原子尺度来考察 固体材料表面的实空间三维结构。利用 SPM对固体表面上原子进行操作和移植的 纳米加工技术是当前国际上纳米科技的重 要方面之一,对高密度信息存储、纳米电子 器件、量子阱器件、新型材料的组成和物 种再造等方面将会产生非常重要的影响。 利用纳米级的线性三自由度XYZ工作台用 于探测分子和原子的特征。
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纳米级微定位系统
纳米级微定位系统（Nanopositioning）是指系统的 运动位移在在几微米和几百微米的范围内，其分辨 率、定位精度和重复定位精度在纳米级的范围内，该 系统可以是单自由度和多自由度，该系统的特性反映 出与传统的位移机构有很大的不同，其传动副是弹性 平板（elastic plate）和柔性铰链（Flexure links）。结构的主要特点：结构紧凑、体积小、无 机械摩擦、无间隙的传动导向机构。将微定位技术中 的弹性平板和柔性铰链运动副应用机器人传动机构， 再加上机器人控制技术，机器人传感技术和机器人视 觉组成微驱动和微操作机器人系统。这一技术拓展机 器人的应用范围。同时其技术涉及到精密机械、机器 人、计算机、自动控制、精密测量等多学科领域。
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微驱动技术发展及应用
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微型机械制造、超精密加工
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光学微处理系统
光学微操作微加工技术是本世纪90年代发展起来 的一种新的“机械加工”方法，光学微处理系统主 要部件是光学微机械手（光镊和光刀）。它不同 于传统的机械加工方法，它对微小“工件”（生物 细胞、细胞器及其它微小粒子）的夹持、操作和 微加工都是用光来实现的，是没有任何机械接触 的“机械加工”。光镊和光阱都能深入到物体（如 细胞）的内部去操控和加工细胞器等内部结构组 分，而无需切开物体，显然这种微处理技术对物 体的干扰和破坏要比通常的方法小的多，在传统 微机械难以胜任的微米量级粒子的处理方面，光 学微处理技术恰能运作自如，成为不可或缺的一 项独立的技术。
在集成电路பைடு நூலகம்造方面
在大规模集成电路制造中,印刷电路板上的 布线密度越来越高,而且印刷电路板上线路 的修复、线路连接质量和表面质量的评 估、材料性能的检测等许多工序都需要高 精度的机器化设备来完成.纳米级微驱动机 器人系统可以用作X曝光机等设备中的超精 密定位装置及高精度微进给装置。
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在医疗科学方面
医疗机器人与计算机辅助医疗外科技术是近几年在多学科交 叉领域中兴起，并越来越受到关注的机器人应用前沿研究课 题之一。其中显微外科手术由于病人失血少、伤口愈合快, 同 时也可降低病人恢复所需的费用，是未来外科手术的发展方 问。目前主要靠少数有多年临床经验的专家在显微镜下人工 完成。采用带有传感器的微动机器人系统完成微外科手术， 可大大减轻医生负担,缩短手术时间，提高成功率，从而具有 广泛的应用前景。显微外科手术主要包括脑外科显微手术、 神经外科手术、囊肿摘除、心血管搭桥等微细作业手术。为 了完成精细的动作，各种机器人显微外科手术系统的研究， 倍受关注。目前国际上已研制出能够缝合人体静脉血管和疏 通眼球视网膜静脉堵塞的微操作机器人。可以预见，这种操 作精密、对人体伤害小、不会对病人造成痛苦的微操作机器 人将会得到广泛的应用。
微机械零件的操作和装配
现代的机电产品的微型化带来了深刻的技术革 命，精密零件的组装面临着新的挑战。传统的手 工装配方法对操作者的技术、劳动强度都有很高 的要求，而且工作效率很低，操作工人的培养往 往需要较长的时间。微操作机器人系统采用专门 设计的工具、定位装置、照明装置和便于操作者 操作的遥控作业系统可以方便地完成上述作业， 并大大提高生产效率。 同时，随着LIGA加工技 术的发展，能够加工出更精细和复杂的部件，但 再要求对各部件进行装配时，只有微操作机器人 系统才能胜任。
在集成电路制造方面
检测电路板刻线的宽度和深度
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光纤对接方面
随着网络和数字通讯市场的发展，光纤作为现代 信息高速公路中的信息传输媒介将得到越来越多 的应用，使光纤耦合器和波导的需要激增。这种 高技术的产品的体积仅十几立方厘米，但价格昂 贵，原因是光纤对接校准的困难：必须借助一种 特殊的精微校准平台（精度达0.1µm），这种精 密校准平台事实上就是一套微操作机器人系统， 光纤的对接由左右微操作手协调完成，使光纤和 器件之间达到最佳耦合功率位置,并自动补偿这一 过程的任何误差。不仅取代了人工操作而且降低 了返修率,缩短生产周期。目前这种平台供不应 求，前景看好。
生物工程方面
随着生物工程的发展,要求能随意捕捉和释放单一游 离细胞，或向细胞内注入和拾取某一成分，同时还 能测定和记录细胞生物电参数。游离细胞捕捉仪就 是为此目的而研制的，对只有几微米的细胞来说， 关键动作是接近细胞时的精细微调，要求分辩率达 几十纳米，微驱动机器人具有高定位精度和精细操 作能力，适于完成上述操作。用微驱动机器人完成 细胞级的操作，不仅可提高效率，而且还可以打破 只有少数人可为的局面,真正实现生物的工程化。
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在医疗科学方面
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生物工程方面
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在扫描探针显微镜方面
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