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。

快速伺服刀架能够提供精确、快速的微纳米级运动。为了获得双向和二维运动, 该文研制了一种双向压电驱动的二维快速伺服刀架。该刀架采用对称结构设计, 结合柔顺放大机构和位移解耦机构, 末端执行机构实现较大的输出位移, 同时减小耦合位移。基于伪刚体模型, 建立快速伺服刀架的静力学和动力学模型, 得到机构的输出位移、输出耦合比、最大应力和固有频率。通过有限元仿真验证了模型的正确性。最后, 采用电火花线切割加工快速伺服刀架原型样机, 并搭建了实验测试系统。实验结果表明, 快速伺服刀架在x、y方向的位移放大率分别为3.56和3.57; 输出耦合误差分别为1.26%和1.00%, 装配压电陶瓷驱动器后系统在x、y方向的一阶固有频率均是270 Hz, 系统动态性能良好。

研究了空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受冲击破坏的避撞柔顺控制问题。为此在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺机构——旋转型串联弹性执行器(RSEA), 可通过其内置弹簧的变形来吸收捕获过程目标航天器对空间机器人关节产生的冲击能量; 结合所设计的开、关机控制策略可保证关节冲击力矩受限在安全范围内。首先利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法分别获得了捕获前空间机器人及目标航天器的分体系统动力学模型; 之后, 结合冲量定理、系统运动几何关系及力的传递规律, 建立了捕获后两者形成混合体系统的动力学模型, 并计算了碰撞过程的冲击力矩; 最后, 基于无源性理论提出了一种神经网络鲁棒H∞避撞柔顺控制策略以实现失稳混合体的镇定控制。数值仿真结果表明, 配置柔顺空间机器人在捕获碰撞阶段最大可减小61.9%的关节冲击力矩, 最小也可减小47.8%; 而在镇定运动阶段, 各关节冲击力矩均受限在安全范围内, 实现了对关节有效地保护。

基于柔顺机构设计了一种新型压电式微喷点胶系统, 该系统由供胶装置、驱动装置和撞针阀组成。点胶系统的运动特征是利用柔顺机构的弹性变形驱动撞针往复直线运动实现撞针阀的开启和闭合, 完成微喷点胶功能。采用伪刚体方法得到点胶系统的驱动力、输出位移和频率特性, 结果表明, 系统的最大驱动力、输出位移和频率分别为56.4 N, 808 μm, 245 Hz, 说明所设计的点胶系统能满足所需的驱动力、行程和点胶速度。制作样机, 通过实验分析驱动电压信号的占空比、幅值、频率和胶液黏度对胶滴直径的影响, 得到了正常胶滴形成需满足的条件。实验结果表明: 系统的最高点胶频率为210 Hz, 最小胶滴直径为630 μm, 胶滴一致性误差为5.62%, 说明所设计的点胶系统具有较好的性能, 为微喷点胶系统设计和应用提供新的思路。

柔顺桥式位移放大机构因结构紧凑、位移放大倍数大等优点已成为精密工程领域的研究热点。针对以往研究仅在线性范围内讨论桥式位移放大机构的设计与分析的问题, 本文对典型集中柔度桥式位移放大机构进行了非线性建模与优化。考虑剪切作用与几何非线性, 通过能量法、有限单元法与数值拟合, 对机构的输入输出关系进行半解析建模, 以实现非线性结果的快速预测。为实现输出位移最大化与抑制几何非线性作用, 提出机构平面内尺寸与厚度的综合优化策略。ANSYS Workbench有限元仿真显示, 机构非线性建模误差均在5%以内且优化结果具备有效性。本文提出的两步法半解析非线性建模方法以及平面内尺寸和厚度的综合非线性优化策略对其它复杂柔顺机构的非线性结果快速预测与优化设计具有参考意义。

针对传统微纳测量装置在测量过程中测头支撑机构刚度不可变化的问题, 设计了一种基于悬丝约束支撑的变刚度微纳测头。利用压电装置驱动柔顺导向机构产生位移, 以改变悬丝所受的轴向张紧力。基于应力刚化原理改变悬丝的横向刚度, 进而改变测头支撑机构的整体刚度, 以获得具有变刚度性能的新型微纳测头。根据测头支撑机构在测量过程中刚度的变化, 分别建立刚性和柔性模式下微纳测头Z向和横向的刚度理论模型。根据有限元仿真和刚度理论模型, 分别得到测头刚度随悬丝端面受力的变化曲线。对比测头刚度的仿真值和理论值, 得到测头Z向和横向刚度的平均相对误差分别为2.41%和4.72%, 结果表明理论模型具有较高的准确性。研究成果为该类型测头的变刚度控制奠定了前期理论基础。

针对传统常力机构存在的运动副间隙、装配误差和摩擦磨损等问题, 设计了一种基于柔顺机构的常力微动平台。平台利用直梁正刚度和双稳态梁屈曲行为产生负刚度来实现其零刚度特性。平台由对称的直梁、双稳态梁和刚性连接块组成, 直梁和双稳态梁通过连接块并联连接。采用伪刚体法和椭圆积分法相结合的建模方法, 建立反映常力平台力学性能的理论模型。通过与有限元分析结果进行比较, 分析结果显示所建立的模型能准确反映常力平台的力学性能。基于所建立的力学模型, 提出一种提高平台常力运动范围和承载能力的优化设计方法。制作样机对该平台力学性能进行实验测试, 实验结果表明, 平台能在输出位移范围为 ［0.6~1.7］mm内能够保持约48 N常力, 证明了常力平台设计思路的可行性、所建模型的准确性和优化方法的有效性。

针对普通尺蠖式直线微驱动器运动速度低和输出力小等问题, 基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式直线微驱动器。微驱动器由箝位机构、驱动机构和输出轴组成, 其运动特点是驱动机构驱动箝位机构进行往复直线运动, 箝位机构带动输出轴作直线运动。箝位机构和驱动机构均采用柔性杠杆结构, 保证了微驱动器所需的箝位力与驱动力, 并提高了其运动速度。采用伪刚体方法建立了驱动电压与箝位力、驱动机构输入位移与输出位移之间的关系, 根据功能原理建立了输入力与驱动力之间的关系并制作了样机, 搭建了实验测试系统进行性能测试, 测试结果表明, 驱动器最大箝位力为216.43 N, 最大驱动力为13.5 N, 在驱动电压120 V, 频率95 Hz时, 达到最大速度48.91 mm/s。