为了实现大位移行程、无耦合运动的精密定位，设计了一种结构紧凑、工作台面大的x-y-θz三自由度并联压电微动平台。该文首先采用双柔性薄板的柔顺桥式放大机构对微动平台的驱动单元进行了设计，并基于双平行四连杆柔顺机构设计了微动平台的台体，进而获得平台的整体结构。再采用有限元方法对平台的应力、位移放大倍数和模态进行了分析。最后对所设计的微动平台进行实验系统的搭建，并对平台的位移和频率响应特性进行测试。实验结果表明，平台在x方向上的最大输出位移为306.1 μm，耦合率为0.26%；平台在y方向上的最大输出位移为402.3 μm，耦合率为0.14%；在θz方向(即绕z轴)的最大转角为2.72 mrad。平台在x、y、θz方向的位移分辨率分别为10 nm、10 nm、0.1 μrad，固有频率分别为104.1 Hz、130.0 Hz、115.6 Hz。

为了降低压电微动平台的动态迟滞误差对平台定位精度的影响, 该文设计了基于率相关迟滞逆模型的前馈控制器对其进行迟滞补偿。首先, 在对平台受力分析和运动分析的基础上建立平台的动力学模型; 其次, 在经典Prandtl-Ishilinskii(PI）模型的基础上加以改造, 得到Modified Prandtl-Ishilinskii(MPI)模型, 并将MPI模型与平台的线性动力学模型串联, 得到分离式率相关MPI模型, 进而基于率相关MPI逆模型建立平台的前馈控制器; 最后, 对所设计的控制器进行阶跃响应和正弦轨迹跟踪实验。实验结果表明, 所设计的控制器具有较好的定位精度与跟踪性能, 可以有效地补偿压电微动平台的动态迟滞误差。

基于视觉的监测系统在野外进行长期工作时,安装了监测系统的平台自身会发生6-自由度(6-DOF)的微小晃动,从而给测量结果带来较大的误差。提出了一种线性求解相机微小位姿变化的方法:通过构造垂直双相机模型,引入垂直固连约束关系,可线性解算出相机6-DOF的微小变化。仿真验证表明:当相机发生三个欧拉角不超过30',三个平移向量不超过10 mm的微小位姿变化时,与典型的基于单目透视n点(PnP)的位姿估计算法相比,所提算法在解算精度、鲁棒性以及运行效率上都具有较大优势;室外实验表明:所提方法与单目PnP算法对比能更优地补偿观测平台自身微小运动引起的测量误差,在6个控制点下测量44 m处目标点的沉降量,利用所提方法修正平台位姿变化后绝对测量误差的平均值降至0.2 mm,验证了所提方法的有效性和实用性。

针对微纳操控技术对微动平台提出的大行程、高精度、多自由度和输出位移解耦等要求，设计了一种基于两级放大机构的xy两自由度双向驱动微动平台。分析了微动平台的运动及放大原理，建立了微动平台结构的理论模型和有限元模型，并对其进行了测试。平台输出特性测试结果表明，微动平台的放大倍数可达8.5倍，与仿真值误差为6.9%，同时耦合位移控制在0.82%内；平台在150 V三角波信号驱动下，x方向上正、负向输出位移分别为84.6 μm、-84.2 μm；y方向上正、负向输出位移分别为85.0 μm、-84.5 μm。不同频率下的最大位移只在极小范围内波动，在x、y方向的正、负向输出具有很高的相似性和稳定性，实现了双向驱动，大行程、高精度的目的。

采用直圆型柔性铰链设计了承载能力较大的双柔性平行六连杆微纳定位平台，并对其性能进行了测试。基于柔性铰链经典刚度公式计算了直圆型柔性铰链转动刚度，推导了双柔性平行六连杆微动平台在运动方向的整体刚度函数; 建立了平台的动力学模型，得到了平台的固有频率解析式。基于静动态特性优化设计了双柔性平行六连杆微纳定位平台，得到了平台的优化参数。基于激光干涉仪和多普勒激光测振仪建立了平台的静动态特性测试系统。 对微纳定位平台进行了试验和测试，结果显示: 刚度的理论计算值为7.92 N/μm，试验值为7.44 N/μm，误差为6.5%; 固有频率的理论模型值为349.9 Hz，实验值为342.2 Hz，误差为2.3%。空载和加载为250、500、2 000、2 250、2 500 g时的平台位移表明加载不均匀会对平台输出位移产生较大的影响，当加载为2 500 g时，不均匀加载对位移的影响量约为均匀加载的5倍。此外，平台最大位移为56.59 μm。重复定位精度测试显示，在施加电压50、100、150 V时，定位平台在同一输入电压下的位移最大偏差为0.896 μm。实验结果表明，建立的双柔性平行六连杆的刚度和固有频率计算模型是正确的，设计的微动平台的最大位移及精度可满足设计要求。