球基微操作器黏滑摩擦过程建模与分析

　　0 引言

　　微空间内微小零件的加工、调整和检测，微机电系统( MEMS) 的装配作业等都需要微操作机器人的参与[1]。微操作器是整个微操作机器人系统的关键执行部件，微操作器的性能直接影响微操作机器人的运动准确度和操作能力，故微操作器需具有较高的定位精度和高度的灵活性，而传统的机构设计及驱动原理很难满足这一需求。目前，符合摩擦驱动原理的黏滑驱动、惯性冲击及新兴的压电陶瓷材料为设计新型驱动器提供了很好的理论基础与材料保障。

　　研究表明利用黏滑现象可以产生可控的微小位移[2-4]，黏滑驱动方式以结构简单、驱动方便、分辨率高和能耗低等优点成为微操作器中的理想驱动模式。黏滑驱动机理的本质在于利用最大静摩擦力和滑动摩擦力之间的差异控制被驱动体产生位移，通过简单的锯齿波或三角波驱动，该类操作器很容易达到较高的分辨率，同时还能满足大范围运动的要求。文献[5]从能量角度对球基微操作器进行了建模; 文献[6-7]研究了黏滑驱动中的逆转现象; 文献[8-9]则分别讨论了黏滑驱动的实现及应用。

　　本文以球基微操作器为研究对象，根据球基操作器的几何特性建立了系统的等效工程模型，选取了动态摩擦模型———LuGre 模型对球基微操作器黏滑摩擦驱动过程进行了阶段细分，并列出了各个阶段的动力学方程。运用数值仿真方法研究了球基微操作器参数特性曲线，并得到了实验验证。研究结果为球基微操作器系统的参数选取提供了参考。

　　1 球基微操作器介绍

　　球基微操作器是一种新型结构的微操作装置，其关键部件是由三个互成 90°的四分压电陶瓷管以及由它们端部共同支撑的一个钢球组成的，如图 1 所示。为了提高系统的刚度和耐用特性，压电陶瓷管的端部镶嵌了摩擦体( 红宝石球) 。四分压电陶瓷管为整体导电涂层，而外表面平均分为四等份，各占四分之一圆柱面积，但彼此间不导电。在内表面的导电层和外表面的导电层之间施加电压可以使陶瓷管变形，实现弯曲、伸长和球冠扫描等运动。球基微操作器工作时，三个四分压电陶瓷管在驱动电压的作用下，基于黏滑驱动原理，使钢球实现三自由度转动。

　　2 球基微操作器等效工程模型

　　系统采用 PI 公司生产的四分压电陶瓷管PIC181，它是由多种不同特性的材料复合而成的，包括具有机 - 电耦合特性的压电陶瓷材料( 钛酸锆) 、金属电极( 溅射银) 和耐磨的化合物材料( 氮化硅、碳化硅) ，其成形工艺过程包括材料混合、轧制、造粒、冲压、高温烧结、研磨、整形、溅射电极、极化等，不同特性的材料具有不同的刚度特性，所以要对该模型进行分析就必须进行等效力学模型简化，建立系统的等效工程模型。