隨著機(jī)器人技術(shù)的逐步完善,適于特殊作業(yè)的機(jī)器人種類也日益增多,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展到微電子制造,MEMS封裝與組裝,高精密機(jī)械加工與裝配,生物芯片制備,大范圍高速掃描檢測(cè)裝備等行業(yè).隨之而來(lái)的,各行業(yè)對(duì)機(jī)器人的性能指標(biāo)提出了越來(lái)越高的要求,追求機(jī)器人的高定位精度,高重復(fù)精度,高分辨力,同時(shí)還要求其工作范圍大,質(zhì)量輕,能耗低等,從而對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求.在這樣的前提之下,為滿足人類向微小世界探尋的需要,作為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要分支,微操作機(jī)器人成為機(jī)器人學(xué)中十分活躍的研究領(lǐng)域. 本文結(jié)合國(guó)家"863"計(jì)劃項(xiàng)目"6自由度納米級(jí)宏微操作機(jī)器人的研究(項(xiàng)目編號(hào)2002AA422260)"和"原型裝置靶瞄準(zhǔn)定位系統(tǒng)工程預(yù)先研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)863-804-5)",共搭建了3套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其中采用了單一驅(qū)動(dòng)以及雙重驅(qū)動(dòng)兩條技術(shù)方案.在廣泛的分析了目前已有的柔性精密定位系統(tǒng),并聯(lián)精密定位系統(tǒng)和宏/微雙重驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上,針對(duì)目前大范圍運(yùn)動(dòng)定位與高精度定位的應(yīng)用實(shí)際需要,提出了大行程柔性鉸鏈的概念設(shè)計(jì),并以此構(gòu)建六支鏈大行程柔性并聯(lián)結(jié)構(gòu)定位系統(tǒng),為滿足超高精度的定位需要,在并聯(lián)支鏈中集成了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng),構(gòu)成了宏/微雙重驅(qū)動(dòng)并聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng),充分體現(xiàn)了驅(qū)動(dòng),結(jié)構(gòu),檢測(cè)一體化的設(shè)計(jì)思想. 在結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)方面,針對(duì)當(dāng)前柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)范圍小等問(wèn)題,在通用的球副柔性鉸鏈的基礎(chǔ)之上,提出了大行程柔性鉸鏈的概念設(shè)計(jì);在柔性并聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面,提出了在通用的并聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中,采用大行程柔性鉸鏈代替?zhèn)鹘y(tǒng)運(yùn)動(dòng)副的設(shè)想,建立基于大行程柔性鉸鏈的并聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng). 在大行程柔性并聯(lián)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方面,利用材料力學(xué)的基本原理和小變形假設(shè),推導(dǎo)了大行程柔性鉸鏈的數(shù)學(xué)模型,并給出了在全局坐標(biāo)系下的顯式表達(dá);在此基礎(chǔ)之上,通過(guò)剛度組集的辦法建立了大行程柔性鉸鏈并聯(lián)結(jié)構(gòu)柔性支鏈的運(yùn)動(dòng)表達(dá)式,通過(guò)聯(lián)立運(yùn)動(dòng)位移協(xié)調(diào)方程和力約束協(xié)調(diào)方程,建立了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的位置解模型. 由于并聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的各部件,特別是柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)在自身變形提供整體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸出的同時(shí),還經(jīng)歷了大范圍的剛體運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致大行程柔性并聯(lián)結(jié)構(gòu)的位置解模型成為典型的幾何非線性問(wèn)題.鑒于此,本文首先推導(dǎo)了空間柔性結(jié)構(gòu)的幾何非線性的剛度遞推模型,并利用牛頓-萊弗森方法對(duì)該模型進(jìn)行了求解.由于幾何非線性模型的迭代求解方式,導(dǎo)致該模型的實(shí)時(shí)性很差,不易移植至控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制求解,故在大量的試驗(yàn)嘗試的基礎(chǔ)之上,選擇了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,建立了3層六輸入-六輸出的位置解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而在方便了實(shí)時(shí)控制編程的同時(shí),還大大提高了系統(tǒng)的位置解的求解速度. 由于柔性并聯(lián)結(jié)構(gòu)的位置解模型中不僅僅包括結(jié)構(gòu)中的位置信息,還提供了結(jié)構(gòu)中相關(guān)的力信息以及剛度信息,本文在上述位置解模型的基礎(chǔ)之上,給出了該類系統(tǒng)的剛度模型,并建立了并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺度參數(shù)對(duì)系統(tǒng)剛度的影響圖譜,對(duì)這類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)綜合以及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的工具. 在大行程柔性并聯(lián)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模方面,采用了歐拉梁理論和有限元方法,由拉格朗日方程建立了基于實(shí)際位移的大行程柔性鉸鏈并聯(lián)機(jī)器人各支鏈的動(dòng)力學(xué)模型,并通過(guò)位移協(xié)調(diào)方程和動(dòng)力協(xié)調(diào)方程,最終得到并聯(lián)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型.綜合采用了紐馬克方法和牛頓-萊弗森方法解決了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)求解問(wèn)題,并通過(guò)一個(gè)算例進(jìn)行了基于逆動(dòng)力學(xué)的求解仿真. 在大行程柔性并聯(lián)結(jié)構(gòu)的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)方面,我們提出了采用大行程柔性鉸鏈作為被動(dòng)關(guān)節(jié)的6-PSS并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng),該系統(tǒng)采用壓電馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)器,精密光柵尺作為位置反饋元件,其可在立方厘米級(jí)的工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)微米級(jí)精度的運(yùn)動(dòng);在此基礎(chǔ)之上,我們?cè)诓⒙?lián)機(jī)器人的支桿中嵌入壓電陶瓷,在壓電馬達(dá)的宏運(yùn)動(dòng)結(jié)束之后,壓電陶瓷可以驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)一步的微調(diào),從而得到一個(gè)6-PSS和6-SPS結(jié)合宏微雙重驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng),其中,微動(dòng)系統(tǒng)可在微米級(jí)運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的運(yùn)動(dòng)精度.基于大行程柔性鉸鏈的宏微雙重驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng),可以同時(shí)滿足大工作空間和高精度的工程需要.此外,我們將大行程柔性鉸鏈并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng),成功的應(yīng)用到激光瞄準(zhǔn)靶支撐裝置中,其厘米級(jí)的運(yùn)動(dòng)范圍和納米級(jí)的運(yùn)動(dòng)分辨力,使其在神光III系統(tǒng)中發(fā)揮了十分重要的作用.